קרינה מייננת

שימושים ביולוגיים ורפואיים של קרינה מייננת

השימושים העיקריים של קרינה מייננת בתחום הביולוגיה הם עידוד יצירת מוטציות ועיקור (סטריליזציה).
לדוגמה, השימוש בקרינה מייננת לעידוד יצירת מוטציות על מנת לשפר מינים קיימים או לייצר מינים חדשים כגון זנים של חרקים עקורים. זכרי החרקים מוקרנים במנת קרינה שהופכת אותם לעקרים והם משוחררים בשדה הנגוע באותו סוג של חרקים פוריים. אם החרקים העקורים מנצחים את חרקים הפוריים, הבעיה בשדה תיפתר לאחר דור אחד משום שהחרקים העקורים אינם מסוגלים להעמיד צאצאים.
ישנם יתרונות ברורים לעיקור ציוד רפואי (מחטים, סכינים וכו') ומזון על ידי קרינה. יתרונה של קרינה כשיטת עיקור לעומת שיטות מתחרות היא שניתן לסגור את הציוד בצורה הרמטית בתוך קופסאות פלסטיק לפני ההקרנה וכך נשמר המצב הסטרילי אחר ההקרנה. כשמזון נחשף לקרינה במנה מספקת, כל החיידקים במזון מושמדים. לדוגמה, אפשר לשמור חתיכת עוף שהוקרנה למשך חדשים רבים ללא קירור, מבלי שתתקלקל, בתנאי שהעוף נשאר סגור בתוך שקית. מדינות רבות חקקו חוקים המווסתים את תהליך הקרנת המזון כדי למנוע מצב של יצירת רדיואקטיביות מושרית (induced radiation) במזון.
חשיפת שתלי צמחים צעירים למנת קרינה מייננת נמוכה מאיצה את קצב גידולם; אך מנת יתר מאיטה את קצב גידולם.
אלקטרונים, קרני גמא, ויונים אטומיים נמצאים בשימוש רדיותרפיה עבור טיפול בגידולים סרטניים. ליתר פירוט ראו בערכים: רדיותרפיה, טלתרפיה וברכיתרפיה.

קרינת רקע טבעית

קרינת הרקע הטבעית באה בעיקר מארבעה מקורות: קרינה קוסמית, קרינת השמש, קרינה ממקורות טבעיים ורדון.

קרינה קוסמית

כדור הארץ, וכל החיים עליו, עומדים תחת קרינה מתמדת שמקורה מחוץ למערכת השמש שלנו. קרינה זאת עשויה בעיקר מיונים חיוביים, מפרוטונים בודדים עד גרעינים כבדים כגון ברזל. האנרגיה של חלקיקים אלו גדולה בהרבה מהאנרגיה של חלקיק שעובר תאוצה במאיצים הגדולים שיש בעולם. כשחלקיק כזה פוגע באטמוספירה של כדור הארץ, הוא מייצר את הקרינה המשנית שמגיעה עד האדמה עצמה; 'גשם' של קרני-X, מיואונים, פרוטונים, קרני אלפא, פיונים, אלקטרונים ונייטרונים.
מנת הקרינה מקרינה זאת באה בעיקר ממיואונים, נייטרונים ואלקטרונים, וקצב המנה (קצב צבירת מנה מקרינה מייננת) משתנה על פני כדור הארץ, בהתאם לעוצמת השדה המגנטי, הגובה והמקום במחזור של השמש. קצב המנה במטוס כל כך גבוה שעל פי דו"ח האו"ם (UNSCEAR) משנת 2000, צוותי אוויר נחשפים למנה הכי גבוהה בין כל העובדים במשק, כולל עובדי קרינה והעובדים בכורים הגרעיניים.

קרינת השמש

אף על פי שרוב קרינת השמש הוא בתחום של אור נראה (היינו קרינה לא מייננת), השמש גם פולטת חלקיקים בעלי אנרגיה גבוהה. רמת הקרינה על כדור הארץ מחלקיקים אלו תלויה במיקום היחסי של כדור הארץ במסלולו השנתי מסביב לשמש. רוב הקרינה היא בצורת פרוטונים בעלי אנרגיה יחסית נמוכה (לעומת הקרינה הקוסמית), בתחום האנרגיה בין 10 עד 100 KeV.
עוצמת הקרינה וגם הספקטרום שלה אינם קבועים - עוצמתה גדלה לאחרי solar flare בו בזמן שעוצמת הקרינה הקוסמית יורדת קצת. ההסבר לתופעות הוא שכתוצאה מ'רוח השמש' (solar wind), השדה המגנטי של השמש מתארך ומסכך את כדור הארץ יותר טוב מפני הקרינה הקוסמית.
החלק המיינן של קרינת השמש זניח לעומת מקורות טבעיים אחרים של קרינה מייננת.

מקורות קרינה ארציים טבעיים

הרבה חומרים על כדור הארץ מכילים אטומים רדיואקטיביים, לפעמים בכמויות מזעריות. רוב המנה ממקורות ארציים בא ממקורות פולטי גמא שנמצאים בקירות וברצפות הבית, ומאדמה וסלעים מחוץ לבית. המקורות העיקריים (ביחס למנה הטבעית) הם אשלגן, אורניום ותוריום. היות שמקורות אלו הם רדיואקטיביים, עוצמתם נחלשת כל הזמן (מאז יצירת כדור הארץ) - כיום קיים רק ½ מכמות האיזוטופ הרדיואקטיבי K⁴⁰ לעומת הכמות שהייתה קיימת בזמן יצירת החיים על פני כדור הארץ.

רדון

האיזוטופ הרדיואקטיבי של רדון, ²²²Rn, נוצר על ידי הדעיכה הרדיואקטיבית של רדיום ²²⁶Ra, שהוא עצמו נוצר מדעיכה רדיואקטיבית של אורניום ²³⁸U. היות שרדון הוא גז בטמפרטורות רגילות, הרדון שנמצא בסלעים מכילי אורניום משתחרר בדיפוזיה והגז מצטבר בבתים שמבודדים היטב מן הסביבה החיצונית (בעיקר במרתפים). לפעמים, גז רדון הוא הגורם העיקרי למנה הטבעית של קרינה מייננת. עוצמת קרינה זאת משתנה בהרבה ממקום למקום. יש המשערים שגז הרדון הוא הגורם השני בחשיבותו לסרטן ריאות בארצות הברית.

הורמזיס

על פי תיאורית ההורמזיס (hormesis), או הורמזיס קרינתי, חשיפה לרמת קרינה מייננת נמוכה (הקרובה לרמת הרקע הטבעית) עוזרת לתאים לחסן את עצמם מפני נזק אפשרי ל-DNA שלהם. נזק כזה יכול להיגרם מגורמים אחרים, כגון רדיקלים חופשיים או מנות גדולות של קרינה מייננת. על כן, חשיפה כזו מקטינה למעשה את הסיכון לחלות בסרטן.

לתאוריה זו מספר הסברים. על פי הנפוץ בהם, הקרינה החלשה מעודדת את המנגנונים הפנימיים הטבעיים של הגוף לתקן את הדנא שלו, על ידי יצירת רמות גבוהות מן הרגיל של חלבונים המתקנים את הדנא שניזוק. תופעת ההורמזיס נפוצה במקומות רבים בטבע, כאשר צריכת כמות קטנה של חומר מסוים (למשל תרופה) עשויה להביא לריפוי, ואילו צריכת כמות גדולה שלו עלולה לגרום לנזק.

עדות להורמזיס קרינתי היא קרינת השמש: חשיפה ארוכה לקרינת השמש עלולה לגרום לנזקים (החל בכוויות וכלה בסרטן), ואילו חוסר חשיפה לשמש עלול לגרום נזק (החל ממחסור בוויטמין D וכלה ברככת). עם זאת, מאחר שמדובר בהשפעה של רמות קרינה נמוכות מאוד, אין שום אפשרות מעשית למדוד את השפעתן לטווח הרחוק. 

מאחר שקשה עד בלתי אפשרי להוכיח תאוריה זו, רוב הגופים בעולם, העוסקים בבטיחות קרינה, לא אימצו אותה.

ליניארי ללא ערך סף

התאוריה שכן אומצה נקראת 'מודל ליניארי ללא ערך סף' (LNT = linear no threshold), על פיה הסיכון לחלות בסרטן גדל ביחס ישיר לרמת החשיפה לקרינה מייננת.

גם מודל זה לא הוכח מדעית, אלא מבוסס על המשכה ליניארית עבור קרינה במינונים שכן גורמים נזק. ברמות חשיפה גבוהות מאוד, כמו הרמות להן נחשפה אוכלוסיית הירושימה ונגסאקי בעת ההתקפה האטומית האמריקאית במלחמת העולם השנייה, אכן מתקיים יחס ליניארי בין החשיפה לקרינה לבין הסיכוי לחלות בסרטן. המודל הליניארי ללא ערך סף מתבסס על עובדה זו, ולמעשה מחיל אותה גם על רמות קרינה נמוכות מאוד, כאלה שאת השפעתן אין באפשרותינו למדוד. 

כאשר עובדים לפי מודל זה, המטרה היא להפחית את רמת החשיפה לקרינה ככל האפשר. על כן, מודל זה נחשב לבטוח יותר: כאשר פועלים לפי מודל זה, ייתכן שננקוט באמצעי הגנה מחמירים יתר על המידה, אך לכאורה שום נזק לא ייגרם. מודל זה אומץ על ידי מספר גופים בארצות הברית: הוועדה לוויסות הגרעין (NRC), המשדר לאיכות הסביבה (EPA) והוועדה של האקדמיה הלאומית למדע.
על פי מודל זה, בערך 1% מהאוכלוסייה יחלו בסרטן במשך חייהם כתוצאה מקרינה מייננת טבעית או מעשי ידי אדם.

חשיפה כרונית לקרינה מייננת

חשיפה לקרינה מיינת במשך זמן ארוך נקראת חשיפה כרונית. למשל, החשיפה לקרינת הרקע היא חשיפה כרונית. קשה לכמת את רמת החשיפה לקרינת הרקע, היות שרמת הקרינה תלויה מאוד במקומו של האדם על פני כדור הארץ, במקצועו (למשל אם הוא מרבה לטוס במסגרת עיסוקו) ובגורמים נוספים.

רמות קרינה

הקשר בין חשיפה לקרינה מייננת לבין סרטן מבוסס בעיקר על אוכלוסיות שנחשפו לרמות קרינה גבוהות, כגון השורדים של ההתקפה הגרעינית האמריקאית על יפן במלחמת העולם השנייה. תוצאות הוסקו גם מאנשים שנחשפו למנה גדולה של קרינה כתוצאה מאבחונים מטיפולים רפואיים.
סוגי הסרטן שעלולים להופיע בעקבות חשיפה למנת קרינה גבוהה כוללים: לוקמיה (סרטן הדם), סרטן בלוטת התריס, סרטן השד, סרטן שלפוחית השתן, סרטן המעיים, סרטן הריאות, סרטן הוושט, סרטן השחלות וסרטן הקיבה. ממחקרים של מחלקת הבריאות ושירותי האנוש של ארצות הברית רומזים שייתכן קשר בין חשיפה לקרינה מייננת לבין סרטן הערמונית, סרטן הסינוסים, סרטן הלוע, סרטן בית הקול וסרטן הלבלב.
הזמן שעובר בין החשיפה לקרינה המייננת לבין התפרצות (או גילוי) הסרטן נקרא "תקופת ההשהייה" (latency). כיום, אין אפשרות להבדיל בין מקרה בו הסרטן התפתח עקב חשיפה לקרינה מייננת, לבין מקרה בו הסרטן התפתח מסיבות אחרות: בצורה טבעית (שמקורו אינו ידוע) או עקב חשיפה לגורמים מסרטנים כימיים או אחרים (כגון טבק או אלכוהול).
כדי לשערך את ההשפעה של חשיפה למנות קרינה נמוכות על בריאות הציבור, חוקרים נעזרים במודלים שונים שממדלים הקשר סיבתי בין קרינה לסרטן. בשניים מהם (הורמזיס וליניארי ללא ערך סף) דנו לעיל. מאחר שישנם מספר מודלים, ישנן גם תחזיות שונות לרמת הסכנה.
מחקרים על עובדים שנחשפו בצורה כרונית לרמת קרינה נמוכה (מעל רמת הקרע הטבעית) לא איפשרו הסקת מסקנה חד-משמעית לגבי הסיכוי לחלות בסרטן או לגבי השפעה על הצאצאים. למרות אי הוודאות, מחקרים אלו רומזים שאנשים אלו נמצאים בסיכון מוגבר לחלות בלוקמיה ובסוגי סרטן אחרים.

יחידות של מנות קרינה

פיזיקאים שעוסקים בתחום פיזיקה רפואית משתמשים בכמה גדלים שונים כדי לתאר מנות קרינה - רנטגן, רד, רם, סייוורט, וגריי. (כל אחד בא גם עם הקידומות מילי (1/1,000) ומיקרו (1/1,000,000), קילו (1000) ומגה (1,000,000).) ניתן לתרגם מנת קרינה מגודל לגודל, אבל לפעמים פקטור התרגום תלוי בחומר שהקרינה עוברת בו. חלק מן היחידות מתארות אותו תהליך פיזיקלי, וההבדל הוא רק הסקאלה הבסיסית (כמו ההבדל בין מייל לקילומטר) אבל חלק מן היחידות מתארות תהליכים פיזיקליים שונים (כמו ההבדל בין מסה למשקל). להלן סקירה קצרה של היחידות.

חשיפה (רנטגן)

חשיפה (exposure) היא מדידה ישירה של כמות היינון שהייתה נגרמת על ידי הקרן אילו היא הייתה עוברת באוויר. היחידות נקראים 'רנטגן'. רנטגן אחד היא עוצמת הקרינה שתגרום ליצירת כמות מטען חשמלי השווה ליחידה אלקטרוסטטית אחת (esu) בסנטימטר מעוקב (cc) של אויר יבש בתנאים תקניים. רנטגן אחד גורם ליצירת מטען של  קולון לק"ג אוויר.

מנה (גריי/רד)

לעומת החשיפה (ראו לעיל) שמודדת מטען חשמלי באוויר, המנה (dose) היא גודל כללי המשמש להערכת כמות האנרגיה הנספגת בחומר כלשהו כתוצאה מפגיעת הקרינה בחומר. יחדת המנה היא הגריי (gray) ובקיצור Gy. גריי אחד אקוויוולנטי לספיגת אנרגיה של ג'אול אחד בק"ג חומר. בעבר הייתה מקובלת יחידה אחרת למדידת המנה, היא הרד (rad). יחידה זו אקוויוולנטית לספיגת אנרגיה של 100 ארג בגרם חומר. גריי אחד שווה ל-100 רד.

קרמה (דג'אול לק"ג)

משיקולים של נוחיות החישוב והמדידה משתמשים לפעמים להערכת עוצמת קרינה במונחים של גודל שנקרא קרמה (kerma) - שהם ראשי התיבות של kinetic energy released in matter - אנרגיה קינטית המשוחררת החוצה. זהו גודל המודד את האנרגיה הקינטית ההתחלתית של החלקיקים הטעונים הנוצרים בתהליך היינון, ביחידת מסה בתווך מסוים כתוצאה מאינטראקציה של הקרינה עם אטומי התווך.
הקרמה נמדדת ביחידות J/kg כמו המנה.
ההבדל בין הקרמה והמנה הוא שהקרמה מתייחסת לאנרגיה הנמסרת בנקודה הנידונה ואילו המנה מתארת את האנרגיה הנבלעת באותה נקודה. חלק (בדרך כלל קטן) מן האנרגיה הנמסרת אינה נבלעת במקום אלא עוברת הלאה בצורת קרינת בלימה. בטווח האנרגיות בין 10 KeV עד 3 MeV ההבדל בין קרמה למנה באוויר פחות מאחוז אחד.

מנה שקולה (סייורט/רם)

הנזק הביולוגי המאוחר שנגרם על ידי חשיפת הגוף לקרינה מייננת תלוי בסוג הקרינה. נזק זה גדול יותר כשהקרינה גורמת ליוניזציה צפופה ברקמה החשופה. צפיפות היוניזציה נמדדת על ידי גודל הקרוי LET (ראשי תיבות של: linear energy transfer). קרינת אלפא וקרינת נייטרונים הן בעלות LET גבוה במים (או רקמה אנושית). קרינת ביתא וגמא הן בעלות LET נמוך.
הערכת מנת הקרינה בהקשר לנזק הביולוגי המאוחר נעשית בעזרת גודל הנקרא המנה השקולה או המנה האקוויוולנטית (equivalent dose). יחידת המנה האקוויוולנטית היא הסיוורט (sievert) ובקיצור Sv (היחידה קרויה על שם המדען רולף סיוורט).
בעבר השתמשו ביחידה שנקראת רם. סיוורט אחד שווה ל-100 רם, ולכן מיליסיורט אחד הוא 100 מילירם.

מנה אפקטיבית (סייורט/רם)

ההערכה הכמותית של הנזק הביולוגי המאוחר הנגרם על ידי חשיפת איברים אחדים של הגוף למנות שונות של קרינה נעשית באמצעות גודל הקרוי מנת הקרינה האפקטיבית (effective dose) הנמדדת גם כן ביחידות של סיוורט. ההבדל בין המנה האקוויוולנטית למנה אפקטיבית הוא שהמנה האפקטיבית לוקחת בחשבון את הרגישות המוגברת של איברים מסוימים לנזקי קרינה (כמו איברי הרבייה).