|
"Radioaktivität bezeichnet die Eigenschaft einer Reihe von Atomkernen, sich von selbst, d.h. ohne jede äußere Einwirkung, in andere Kerne umzuwandeln (radioaktiver Zerfall) und bei dieser Umwandlung eine charakteristische Strahlung auszusenden. Sie beruht auf einer Instabilität der Atomkerne infolge eines Überschusses an Protonen oder Neutronen. Durch die verschiedenen Zerfallsarten wird dieser Überschuss abgebaut und ein energetisch günstigerer Zustand erreicht." [1]
Der Begriff Strahlung kennzeichnet den Energie- oder Teilchenstrom, der von einer Quelle ausgeht. Die Energie der ausgesandten Strahlung ist so hoch, dass sie Menschen und Pflanzen gefährden kann.
Da die Strahlung, die von radioaktiven Stoffen ausgeht, die Eigenschaft besitzen, Materie in einen elektrisch geladenen Zustand zu versetzen (zu ionisieren), wird sie ionisierende Strahlung genannt. Diese Strahlung kann sowohl Teil der Natur als auch das Resultat menschlichen Wirkens sein.
Die Strahlung radioaktiver Stoffe lässt sich in drei Strahlungsarten unterteilen:
α- Strahlung
Alpha-Strahlung besteht aus einem Teilchenstrom, positiv geladener Heliumkernen.
β- Strahlung
Beta-Strahlung besteht aus einem Teilchenstrom negativ geladener Elektronen
· γ- Strahlung
Gamma-Strahlung besteht aus Bündeln elektromagnetischer Wellen, die sich mit Lichtgeschwindigkeit bewegen. Sie tritt jedoch nur gemeinsam mit Alpha- oder Beta- Strahlung auf. Diese Strahlung hat die gleichen Eigenschaften wie Röntgenstrahlung.
Die Umwelt ist täglich radioaktiven Strahlen ausgesetzt. Neben den von radioaktiven Elementen ausgehenden Strahlungen werden biologische Organismen durch weitere ionisierende Strahlungen wie Röntgenstrahlung oder kosmische Strahlungen belastet.
Man unterscheidet zwischen der künstlichen und der natürlichen Radioaktivität.
Unter der natürlichen Strahlenbelastung versteht man die Strahlenbelastung, die von natürlichen Quellen ausgeht, beispielsweise die kosmische Strahlung aus dem Weltall. Jedoch enthalten ebenso Wasser sowie Luft und Nahrung natürliche Radionuklide.[2]
Als künstliche Strahlenbelastung bezeichnet man die Strahlenbelastung, die künstliche erzeugt wird und somit nicht natürlichen Ursprungs ist. So gelten Röntgenstrahlungen, Kernkraftwerksunfälle oder Kernwaffenversuche als künstliche Strahlenbelastungen.
Die beiden Strahlungsarten unterscheiden sich nur hinsichtlich ihrer Entstehungsart, nicht jedoch in ihren radioaktiven Substanzen.[3]
Da radioaktive Strahlung sowohl geruchlos als auch unsichtbar ist, lässt sich ihre Dosis nur mit Hilfe von Strahlungsmessegeräten ermitteln. Allerdings lassen sich diese radioaktiven Strahlungen nur dann messen, wenn eine Wechselwirkung mit Materie stattfindet und nachzuweisende Veränderungen auftreten.
Eines der wichtigsten Messverfahren zum Nachweis ionisierender Strahlen ist die Ionisationskammer. Aus der erzeugten Ladungsmenge (Elektronen und positive Ionen) leitet man die Ionendosis her. "Die Ionendosis gibt die erzeugte Ladung pro Masse der durchstrahlten Luft an." [4]
Weiter kann man die Strahlung durch die Energiedosis und die Organdosis ermitteln. Statt wie bei der Ionisationskammer die Ladung anzugeben, wird die durch Ionisation auf Luftmoleküle übertragende Energie gemessen. "Die Energiedosis einer ionisierenden Strahlung gibt die pro Masse eines durchstrahlten Stoffes absorbierte Energie an."
Die allgemeine absorbierte Strahlendosis wurde früher in rem (roentgen equivalent man) angegeben. Heute verwendet man die Einheit Sievert (Sv).
Neben der Äquivalentdosis Sievert verwendet man die Maßeinheit Gray (Gy), um die Energiedosis auszudrücken. Die Werte bestrahlter Pflanze werden immer in der Einheit Gray gemessen.[5]
Allein mit der Energiedosis kann die biologische Strahlenwirkung auf Organe jedoch nicht analysiert werden, da bei unterschiedlichen Strahlungsarten auf die Materie gegensätzliche Effekte entstehen können. So treten bei Bestrahlung durch Alpha- oder Betateilchen unterschiedliche Schäden hervor. [6] Um dem Rechnung zu tragen, sind in Deutschland verschiedene Grenzwerte festgelegt.
So liegt der obere Grenzwert für "beruflich strahlenexponierte Personen"[7] bei 20 mSv pro Jahr. Für die Bevölkerung ist eine "innere und äußere Exposition"[8] von 2,4 mSv pro Jahr festgelegt. Bei kerntechnischen Einrichtungen liegt der Grenzwert für Ableitungen bei max. 0.3 mSv pro Jahr. [9]
Für den Pflanzenbereich konnte ich keine Grenzwerte in Erfahrung bringen.
1.2 Welche Auswirkungen hat Radioaktivität?
Auswirkung auf Menschen
Der Begriff Radioaktivität ist sehr oft zunächst negativ besetzt, obwohl radioaktive Strahlung im medizinischen Bereich eine große Bedeutung hat. Hier wird sie z. B. in der Krebsnachsorge und in der Chirurgie zum Röntgen von Knochenbrüchen oder auch beim Zahnarzt zum Erfassen der Zahnstellung verwendet. Dabei unterscheidet man zwischen Röntgenaufnahmen und Röntgendurchleuchtung.
Während die zu untersuchende Person beim Röntgen für sehr kurze Zeit von der Röntgenstrahlungen getroffen wird, ist sie bei der Röntgendurchleuchtung kontinuierlich der Strahlung der Röntgenröhre ausgesetzt. Diese Strahlung ist jedoch im Vergleich zu den Stahlen beim normalen Röntgen wesentlich geringer dosiert.
Durch die dosierte bzw. geringe Strahlung ist der menschliche Körper entweder nur in einem definierten Bereich von der Strahlung betroffen bzw. einer nicht schädigenden Strahlung ausgesetzt.. Nicht betroffene oder zu schützende Körperteile können durch eine Bleischürze abgedeckt werden.
Ist der menschliche Körper jedoch einer langanhaltenden starken Strahlung ausgesetzt, kann dies zu Schäden am Körper und in schlimmen Fällen sogar zum Tod führen. Ursache der Schädigung ist die ionisierende Wirkung der radioaktiven Strahlung. In der menschlichen Zelle entstehen durch die Ionen Zellgifte, die bei hoher Strahlenbelastung zum Absterben der Zellen führen.[10] Man unterscheidet bei der Art der Schädigung zwischen somatischen (Körperschäden) und genetischen (vererbbare) Schäden.
Somatische Schäden lassen sich in Frühschäden und Spätschäden aufteilen, bei denen wiederum zwischen malignen (bösartig wuchernden) und nichtmalignen (nicht bösartig wuchernden) unterschieden wird. Die Schäden an dem jeweiligen Individuum hängen von der Strahlendosis ab, von der das Individuum getroffen wurde.
Ab einer Strahlendosis zwischen 200 und 300 mSv zeigen sich bereits leichte Veränderungen des Blutbildes. Weitere Frühschäden beim Menschen sind beispielsweise Erbrechen, Fieber, Unwohlsein oder auch Entzündungen der Schleimhäute.
Tödlich ist für den Menschen bereits eine einmalige Ganzkörperbestrahlung von 7000 mSv, sofern keine Therapiemaßnahmen ergriffen werden.
Im Gegensatz zu den Frühschäden treten die Spätschäden erst Jahre oder Jahrzehnte später auf, obwohl die Schäden an den Zellen bereits kurz nach der Bestrahlung entstehen. Oft treten hierbei nichtmaligne Schäden in Form von Sterilität oder leichter Trübung des Auges auf.
Maligne Schäden äußern sich oft in Form von Krebs oder Leukämie. Diese schlimmsten Auswirkungen radioaktiver Strahlungen können bereits die Wirkung geringer Strahlungsmengen sein; es lässt sich keine Schwelle festlegen, ab welcher Dosis welches Symptom auftritt. So können z. B. wiederholte Einzelbestrahlungen mit geringen Dosen zu Spätschäden führen. "Mit steigender Strahlungsmenge nimmt aber nicht die Schwere der Erkrankung zu, sondern die Wahrscheinlichkeit für eine Erkrankung."[11]
Bei genetischen Schäden treten Veränderungen in den Keimzellen an den Chromosomen auf - sie werden aber erst in den folgenden Generationen sichtbar.
Die Mutationen durch natürliche Strahleneinwirkungen sind bei Mensch, Tier und Pflanze recht gering, so dass sie sich kaum von den natürlichen Mutationen unterscheiden lassen. Steigt jedoch die Strahlendosis, der ein Organismus ausgesetzt wird, in Folge von künstlichen Strahlungsquellen an, erhöht sich auch die Mutationsrate.[12]
Auswirkung der Radioaktivität auf Pflanzen
Nicht nur in der Medizin hat man große Fortschritte und Erfolge bei der Nutzung radioaktiver Strahlung erreicht. Auch in der Züchtung von Pflanzen wird radioaktive Strahlung gezielt eingesetzt, um neue Pflanzensorten zu züchten oder einzelne Pflanzen gegen bestimmte Schädlinge immun zu machen und so die Ernte ertragreicher zu gestalten.
Man unterscheidet in der Botanik zwischen Züchtung (Genetik) und Gentechnik. Zwar verfolgen beide Formen das Ziel, Pflanzen mit bestimmten Eigenschaften zu gewinnen, jedoch ist die Gentechnik genauer und es lassen sich präziser gewünschte Eigenschaften erzielen. So kann man auch zwischen artenfremden Pflanzen Gene austauschen und somit Merkmale von einer Pflanze auf andere Pflanzen übertragen, ein Vorgang, der bei der Züchtung ein außerordentlich langwieriger Prozess wäre.
Ziel der Gentechnik ist jedoch nicht nur die Züchtung von widerstandsfähigen Pflanzen, sondern auch die Herstellung von umweltfreundlicheren Lebensmitteln. Dies bedeutet, dass man versucht, den Verbrauch von Rohstoffen und Energie und Wassermenge zu reduzieren, um so die Umweltbelastung zu senken.
Ebenso versucht man den Nährstoffgehalt mancher Lebensmittel zu steigern oder ihre Haltbarkeit und Lagerungszeit zu verlängern. "Dies kann am besten durch die Hemmung des mikrobiellen Verderbs und eine Minderung von Nachernteverlusten erreicht werden."[13]
Des Weiteren versucht man, durch die Gentechnik Lebensmittel für spezielle Personengruppen wie Allergiker zu entwickeln oder auch verträglichere bzw. wirksamere Medikamente herzustellen. Die Gentechnik wird darüber hinaus auch für die Entwicklung verträglicher Lebensmittel eingesetzt.[14]
Eine Untereinheit der Genetik bildet die Strahlengenetik. Sie geht auf den texanischen Zoologen und Genetiker J. Muller zurück, der 1926 Taufliegen mit Röntgenstrahlen bestrahlte. Er stellte fest, dass diese Veränderungen an Merkmalen an die kommenden Generationen weitergegeben wurden, und beobachtete mit zunehmender Strahlung einen Anstieg der Merkmalsveränderungen und Mutationen.
Jahre später führte W. Timoféeff-Ressovsky den Begriff "genetic engineering" ein und bezeichnete mit ihm die "künstlichen Veränderungen der Erbsubstanz mit Hilfe ionisierender Strahlung und Radioaktivität".[15]
Durch die Entdeckungen beider Forscher wurden neue Wege für die Pflanzenzüchtung geschaffen und es konnte die Erbinformation der Pflanzen durch ionisierte Strahlungen verändert werden.
Pflanzen, die genauso wie andere Organismen mutagenen Faktoren (natürlicher UV-Strahlung oder chemischen Substanzen aus dem Boden) ausgesetzt sind, haben Systeme entwickelt, die in der Lage sind, Mutationen zu "reparieren".
Die Formen der Mutationen, die sowohl bei Pflanzen, als auch bei Menschen auftreten können, sind Punkt-, Gen- und Rastermutationen.
Ist bei einer Mutation ein Gen betroffen, so spricht man von einer Genmutation. Von einer Punktmutation spricht man, wenn nur eine einzige Base der DNA betroffen ist. Als Folge davon wird ein einzelnes Codon bei der Translation in eine falsche Aminosäure übersetzt.
Wird jedoch eine Base neu eingefügt, spricht man von einer Rastermutation. Der DNA- Doppelstrang (Desoxiribonukleinsäure- Doppelstrang) wird insgesamt falsch übersetzt, d.h. die m-RNA (messenger Ribonukleinsäure) hat eine falsche Aminosäuresequenz (Bsp.: Die Basenfolge ist nicht mehr G, C, T, sondern G, C, T, T und so kommt es nach der Replikation zu der Basenabfolge anstatt . Man spricht von einer Rastermutation, da die genetische Information falsch weitergegeben wird).[16]
Die Systeme in den Zellen, die fähig sind die Fehler in der DNA zu "reparieren", bestehen meist aus Enzymkomplexen, die an der DNA entlangwandern, diese kontrollieren und Unregelmäßigkeiten feststellen. Auffällige Stellen werden dann repariert oder fallen aus dem Strang heraus und werden nach dem "Muster des komplementären DNA- Einzelstrangs aufgebaut."[17] [18]
Jedoch können nicht alle "Fehler" in der Erbsubstanz behoben werden und so bleibt immer ein Rest natürlicher Mutationen übrig.
Der natürliche Reparaturmechanismus kann durch mutagene Stoffe blockiert werden. Dadurch wird die Mutationsrate erhöht.[19]
Als sich herausstellte, dass auch andere Strahlen als Röntgenstrahlen und sogar Chemikalien mutagen sind, setzte ein wahrer "Mutationsboom" [20] ein. Wissenschaftliche Institutionen bestrahlten Kulturpflanzen, stellten Felder zur chronischen Bestrahlung her und machten verschiedenste Experimente zu Bestrahlungsart und "Ernährung" [21] der Pflanzen.
Die eingesetzten Strahlungen lösten Veränderungen am Erbmaterial aus; es ergaben sich dadurch neue Merkmalsausprägungen oder es trat der Verlust von Eigenschaften der einzelnen Pflanzen auf.
Jedoch erfüllten sich die anfänglichen Hoffnungen auf großartige Züchtungen und dadurch beeinflusste positive Auswirkungen auf Hungersnöte nicht und so nimmt die Mutationszüchtung eher eine zweitrangige Stellung an. Zwar erhöhte die Mutationszüchtung die Zahl an Mutationen und Veränderungen, doch war es nicht möglich, "gezielte Mutationen in einem Gen auszulösen".[22] [23]
1.3 Hypothese
Zu Beginn der Facharbeit stellte sich die Frage, wie konkret sich radioaktive Strahlung auf das Wachstum der Gerstensamen auswirken würde. Bekannt war, dass durch Strahlungen die Gene der Pflanzen verändert werden können. Welche genauen Abhängigkeiten zwischen Strahlungsdosis und Veränderungen der Gestensamen bestehen, war der vorliegenden Literatur jedoch nicht zu entnehmen. Da die Strahlendosen der vorliegenden Gerstensamen zudem nicht bekannt waren, war zu überlegen, wie das Wachstum der Pflanzen ablaufen würde (z. B. gleichmäßig oder sprunghaft oder verzögert), ob man Unterschiede (z. B. Blattgröße oder Blattfarbe oder Anzahl der Blätter) bereits in einer frühen Wachstumsphase feststellen würde oder ob dies erst nach einem längeren Zeitraum zu sehen wäre.
Führt eine erhöhte Strahlendosis zu einem verstärkten Wachstum oder wachsen die Pflanzen ab einer vermehrten Strahlendosis geringer?
Der Feldversuch eines Leistungskurses der Jahrgangsstufen 11/12 eines Oerlinghausener Gymnasiums zeigte Tendenzen bezüglich des Wirkungsgrades der jeweiligen Bestrahlungsdosen. Es ist zu vermuten, dass die dort erkannten Abhängigkeiten zwischen Bestrahlung und Wachstum Antworten auf diese Fragen zulassen.
Als Hypothese lässt sich somit festhalten, dass lediglich Gerstensamen mit einer mäßigen Bestrahlung ein besseres Wachstum als nicht bestrahlte Gerstensamen zeigen. Gerstensamen, die mit einer hohen Strahlungsdosis bestrahlt worden sind, weisen eher ein geringeres oder deutlich niedrigeres Wachstum auf.
|
