三、辐射对人体的影响
本书开头讲到，辐射分为电离辐射和非电离辐射。能量较低的电磁辐射，如无线电波、微波、红外线、可见光和紫外线，属于非电离辐射，它们对人体的主要影响是热效应，例如在强烈的阳光下会产生被太阳灼伤的感觉，这就是太阳光对人体产生的热效应。日常生活中常见的手机、电脑等，所用的电磁波频段主要是无线电波和微波，虽然其能量较低，但国家也制定有相关标准要求对它作出适当防护。
对于电离辐射，它们具有电离的特性，对人体的影响不再仅限于热效应，而是直接或间接对人体细胞产生损伤，过量照射对人体健康有害。还记得上文提到的核科学先驱吗，我们可以通过他们先了解一下这种高能辐射对人体的危害。贝克勒尔因将一小瓶镭装在衣服口袋里而使皮肤受到了损伤；伦琴1923年死于肠癌；居里夫人1934年死于血液病，这些都可能与早期防护不足、受到过量照射有关。
由于越来越多地认识到辐射照射伴随着风险，20世纪人们开始深入研究辐射对人类和环境的影响。辐射可以产生细胞水平的效应，通常是对染色体中脱氧核糖核酸（DNA）链产生直接或间接损伤而导致细胞的损伤、改变或死亡（如图3.1所示）。有些损伤可以完全修复，有些不能修复则可能会引起改变（称为细胞畸变），最终可能致癌。如果被改变的细胞将遗传信息传递给后代，则可能会发生遗传疾病。如果损伤或死亡的细胞数目足够多，则可引起器官功能障碍，甚至死亡。
图3.1 辐射对DNA链造成的损害
α=阿尔法粒子，β=贝塔粒子，γ=伽玛射线
根据对这些现象的观察，辐射照射后的健康效应可分为早期健康效应和延迟健康效应。通常，早期健康效应通过个体临床症状诊断就能明显地看到，而延迟健康效应（如癌症）则要通过观察群体中发病率的变化来研究。此外，辐射对儿童、胚胎和胎儿的效应（遗传效应）也应特别关注。
辐射与细胞的相互作用
电离辐射具有较高能量，能与人体细胞产生相互作用，从而可能对人体健康产生伤害，这种伤害可分为直接伤害和间接伤害（见图3.2）。直接伤害就是辐射直接作用在生物分子上，造成生物分子的损伤；间接伤害是指细胞内的水分子吸收辐射能量，水分子发生变化并会形成对染色体有害的化学物质，进而对生物分子造成伤害。
图3.2 直接伤害和间接伤害
产生辐射损伤的过程很复杂，通常认为有四个阶段：
（1）最初的物理阶段。只持续很短的时间，约10-16秒，在这一瞬间能量沉积在细胞内并引起电离。
（2）物理-化学阶段。大约持续10-6秒，在这期间，离子在水中将产生多种反应产物，如自由基和强氧化剂。
（3）化学阶段。持续几秒钟，在此期间，反应产物与细胞的重要有机分子相互作用。自由基和氧化剂可能破坏构成染色体的复杂分子。例如，它们可能附着于分子上并破坏长分子链中的键。
（4）生物阶段。在这个阶段，时间跨度可从几十分钟持续到几十年，这要看特定的症状而定。
细胞受到辐射损伤后可能导致细胞早期死亡、阻止或延迟细胞分裂以及细胞的永久性变形，并可能延续到子代细胞。在人体内，这些变化能显示出临床症状，如放射病、白内障或较长时间后出现的癌症。不过，小剂量的辐射照射引起的细胞内各种损伤会常常被细胞自身修复，不会对身体健康产生不良的影响。
辐射的生物效应
无论来自体外的辐射源，还是来自体内的放射性物质，其辐射作用于人体都可能导致生物效应。目前国际上公认的辐射生物效应总结见表3.1。
表3.1 辐射生物效应
辐射生物效应分类：按效应的性质分类，可分为随机效应和确定效应；按产生效应的时间，可分为早期健康效应和晚期健康效应；按效应作用的对象，可分为躯体效应（包括早期健康效应和晚期健康效应）和遗传效应。
1．随机效应和确定效应
根据效应发生率与剂量之间的关系，将生物效应分为随机效应和确定效应。
随机效应是指效应的严重程度与受到照射的剂量大小无关，但其发生概率取决于所受剂量的那些效应。随机效应以随机方式发生在受照射群体或其后代中，而且发生效应的概率与该群体所接受的剂量大小有关，但其严重程度则与剂量大小无关，不存在剂量阈值。
确定效应是指效应的严重程度与受到照射的剂量有关的那些效应。确定效应存在剂量阈值，即只有剂量超过某一特定值时，机体才会发生效应。而且效应的严重程度与所受剂量的大小有关，剂量越大后果越严重（图3.3）。
图3.3 确定效应
2．早期健康效应
早期健康效应是指受到照射之后几个小时到几周内就会出现的躯体效应，呈现如皮肤烧伤、脱发和生育能力障碍等症状，如图3.4所示，属于确定效应。早期健康效应一般是急性大剂量照射导致细胞大量死亡或损伤引起的，如短期急剧受到1000毫希沃特以上照射时，可能在几个小时之后出现恶心和呕吐，还可能引起白血球、血小板减少等；如一次受到5000毫戈瑞以上照射时，皮肤会出现线斑和脱毛；受到大于几十戈瑞以上的照射时会损伤中枢神经系统，导致受照射者几天内死亡。
图3.4 医疗事故照射
一般情况下，全身受到500～1000毫希沃特照射时，人体反应通常较小，个别人会有恶心、呕吐反应。
核工业正常运行引起的辐射照射远远低于产生躯体早期效应的水平，只有在发生概率极小的重大核事故中才有可能急剧地受到大剂量照射。
基于辐射可以直接损伤细胞DNA，癌症治疗使用辐射杀死癌细胞，即放射治疗（图3.5）。在放射治疗中所使用的总辐射剂量因所治疗的癌症类型和阶段不同而不同。治疗实体肿瘤所用的典型剂量是20～80戈瑞，这种剂量如果作为单次剂量给与患者会危及生命，因此除了要尽一切可能保护正常组织少受或免受照射以外，还必须分次给给予照射，每次最大2戈瑞。剂量分次给予既可以使正常组织得到修复的同时又可以杀死肿瘤细胞。这是因为肿瘤细胞在辐射照射后修复效率较低。
图3.5 肿瘤的放射治疗
3．晚期健康效应
把潜伏期较长的躯体效应称为晚期健康效应，主要是指受到照射6个月后出现的机体变化。一般来说，晚期健康效应也是随机效应，在临床上的主要表现有各种癌症、白血病和后代身上的遗传疾病等。这些效应被认为是由于受到照射后细胞遗传物质的改变引起的。在辐射照射后的几年里，首先出现的是白血病、甲状腺癌和骨癌，而其他癌症有时需要至少10年，甚至几十年后才会显现出来（图3.6）。
图3.6 辐射照射后的癌症病发率
由于晚期健康效应的潜伏期较长，还很容易与其他因素，如工业污染、化学药物或长期不良生活习惯所引起的效应相混淆，因而不能确切地判明引起效应的原因。同时，由于核工业只有几十年的历史，尚未积累大量可靠的资料和足够的实验数据，特别是在较小剂量和剂量率条件下，更缺乏令人信服的资料，因此不能给出有关晚期健康效应与器官或组织剂量的严格对应关系。
流行病学研究对于认识辐射照射后的晚期健康效应非常重要。这种研究用统计学方法，将受到照射群体中的健康效应（如癌症）的发病率与未受到照射群体（对照组）中的发病率加以比较。如果发现在受到照射群体中发病率有显著增加，那么就整个群体而言可以认为效应是与辐射照射有关。
4．遗传效应
如果辐射损伤发生在生殖细胞（精子或卵子）中，那么可导致对后代的遗传效应。与晚期健康效应一样，遗传基因的变化或突变，既可由辐射诱发，也可由其他因素诱发，辐射可能只是增加了遗传效应的发生概率。
5．其他健康效应
心脏的高剂量照射会增加心血管疾病（如心脏病发作）的发病概率。这样的照射可能在放射治疗期间发生，但现在的治疗技术所需要的心脏剂量较低。对于心脏的低剂量照射，目前还没有科学证据证明会引起心血管疾病。
白内障发病率在切尔诺贝利事故应急响应工作人员身上发现有所增加，这可能与受到高剂量照射有关。另外，还有研究表明，高剂量辐射照射抑制了免疫系统，主要是因为淋巴细胞受到了辐射损伤。
6．对胚胎或胎儿的效应
摄入体内的放射性物质（内照射），或体外辐射源（外照射）都可能使母体内的胚胎或胎儿受到照射，如图3.7所示。由于胎儿受子宫的保护，其所受剂量往往低于母亲，然而，胚胎和胎儿对辐射特别敏感，可能导致生长迟缓、畸形和脑功能受损等严重后果。
图3.7 胚胎受辐照照射的路径
有人会问那给孕妇穿上防辐射服是不是就可以防辐射呢，其实，对于核辐射（电离辐射），例如想要屏蔽X/γ辐射，需要用铅这样的重金属来遮挡，防辐射服几乎不能起到屏蔽作用；对于日常生活中常见的电磁辐射（来自手机、电脑、微波炉、电磁炉等电子或家电产品），目前的研究尚未发现它们会对人体健康具有可观测到的影响，而且它们不是单一辐射源，通常遍布于整个空间，穿戴防辐射服的作用不大。
7．对儿童的效应
人类健康效应取决于许多物理因素。由于存在解剖和生理差异，辐射照射对儿童的影响和对成人的影响是不同的。由于儿童身材矮小，体表组织的屏蔽较少，在给定外照射条件下儿童体内器官受到的剂量高于成人。而且由于身材矮于成人，因而他们受到地面沉积的放射性核素的照射剂量也较高。
至于内照射，由于儿童身材矮小，内部器官相对紧密，所以浓集在一个器官内的放射性核素对其他器官的照射比成人相对较多。还有许多其他与年龄有关的因素，涉及代谢作用和生理机能，使得不同的年龄之间有实质性差别。例如，摄入相同数量的放射性碘-131，婴儿甲状腺受到的剂量比成人受到的剂量高9倍。
影响辐射生物效应的因素
影响辐射效应的因素有很多，基本上可以归纳为两个方面，一是与辐射有关，称为物理因素；二是与机体有关，称为生物因素。
1．物理因素
物理因素主要是指：辐射类型、剂量、剂量率及分次照射、照射部位及照射面积和照射的几何条件等。
（1）不同类型辐射的危害
不同类型辐射及其穿透能力的有关情况可参考第一章最后一节。电离辐射对人体的危害主要在于辐射能量导致构成人体组织的细胞受到损伤，不同类型的辐射对人体的危害情况也不同。
α粒子质量大、电荷多，在物质中的射程很短。能量最大的α粒子在空气中的射程只有几厘米，很难穿透人体体表的角质层。因此，α辐射源几乎不存在外照射危害问题。但α辐射源一旦通过吸入或食入进入人体，短射程这一特点就显得不寻常了。此时α辐射源被人体组织所包围，损伤几乎集中在α辐射源附近。若α辐射源沉积在体内某一器官，其能量可被该器官全部吸收，导致其受到严重损伤。因此，α粒子的内照射危害需要特别重视。
β粒子在空气中的射程较大，可以穿透1厘米或2厘米的生物组织。只有能量较高的β粒子才能穿透人体皮肤进入浅表组织，但整体上讲β粒子的外照射危害也较小。
X射线和γ射线在空气和其他物质中的射程相对较大，穿透能力强。远处的γ辐射源也会危害人体组织。因此，就外照射而言，相对于α、β粒子，γ射线具有更大的危害性。
中子不带电，跟γ射线类似，不论在空气还是其他物质中射程都较大，对人体的危害主要是外照射。中子引起内照射的机会极小，不论是天然中子源还是人工中子源，进入人体的机会都极小。
对于以上几种常见的辐射，就其相对危害而言，α和β辐射的潜在危害主要来自其内照射；而γ射线和中子辐射的潜在危害主要是外照射。
（2）剂量率与分次照射
通常，对单次照射，在剂量率相同的情况下，受照射时间越长生物效应则越显著。同时，生物效应与照射的情况有关，一次大剂量急性照射与总剂量相同下的分次照射相比，产生的生物效应会有很大不同。通常分次越多，各次照射之间间隔时间越长，生物效应越小。
（3）照射的几何条件
不同的照射条件所造成的生物效应也会有差异，如辐射的角分布、空间分布以及辐射能谱，还有机体在受到照射时的姿势和受到照射的面积等。
除以上所述之外，在发生内照射的情况下，生物效应还取决于进入体内的放射性核素的种类、数量，以及它们的物理化学性质、在体内的沉积部位和滞留时间等。
2．生物因素
辐射生物学研究表明，不同的细胞、组织、器官或个体对辐射的敏感度是不同的。就不同生物种系而言，机体结构越复杂，对辐射的敏感性越高；对人类而言，随着年龄增长，对辐射的敏感性会逐渐降低。
因为人体的不同器官或组织对辐射的敏感性不同，所以辐射损伤与人体受到照射部位密切相关。表3.2给出了人体组织或器官的权重因数。
表3.2 人体组织或器官的权重因数
注：数据引自国际放射防护委员会第103号出版物。
权重因数表示不同器官或组织对辐射照射的敏感性，数值越大意味着更容易受到辐射的伤害。从表3.2中可以看出人体性腺、红骨髓和结肠的权重因数较大。调查研究表明，当人体受到长期较高剂量电离辐射照射时，最容易产生病变的是生殖系统和造血功能。