방사선만으로 유발되고 방사선 이외의 것으로는 유발되지 않는, 방사선 고유의 장해는 존재하지 않는다. 방사선이 일으키는 장해와 같은 것이 물리적 또는 화학적인 여러 원인에 의해서도 발생한다.
(1) 방사선이 생물에 미치는 영향
그림 4에 방사선 영향의 발현과정을 개략적으로 제시하였는데, 생물에 대한 방사선의 최초의 작용은 물리적이라고 할 수 있다. 방사선은 생물을 구성하는 원자나 분자를 물리적으로 전리시켜 에너지를 부여한다. 전리는 원자나 분자가 생물의 조직중에 어떤 모양으로 배열되어 있는지 그 구조는 문제되지 않는다.
이에 대해 보통의 빛이나 자외선은 물질을 통과할 때 물질을 구성하는 화합물의 원자배열에 의해 특정의 빛만 흡수되는데, 그 반응은 화합물에 따라 다르다.
방사선과 원자나 분자와의 상호작용의 결과, 분자가 분열하여 단편이 되어 유리기(반응하기 쉬운 상태의 원자나 분자)와 이온이 된다.
이 단편(ion)에는 화학적 안정성은 없고 서로 반응하거나 변화가 일어난 다른 분자와 반응하여 새로운 화합물을 만들어 세포의 화학적인 평형을 깨뜨린다. 특히 물은 세포의 70%를 구성하고 있기 때문에 물이 방사선에 의해서 물리적 및 화학적 변화를 일으키는 것으로 생각된다.
물 분자는 방사선에 의해 전리되고(H2O→H2O＋＋e－), 반응성이 큰 유리기(H-기와 OH-기)가 생성되거나 이들의 기가 결합해서 각각 H2O2와 H2가 된다.
이와같은 기나 분자는 모두 세포의 중요한 구성분자(핵산과 단백질)에 작용하여 영향을 끼친다. 이러한 작용을 간접작용이라고 부른다. 그러나 세포의 중요한 구성분자가 물에서 생성된 유리기의 관여없이 방사선에 의해 직접전리되어 상해를 받는 일도 있다. 이것을 직접작용이라 부른다. 세포의 상해에 대해 직접작용과 간접작용이 각각 어떤 역할을 하고 있는지는 잘 알 수 없지만, 대개의 경우 2가지 모두가 작용할 것이다.
방사선의 양과도 관계있지만, 방사선에 의해 중요한 세포 구성분자의 생화학적인 합성작용이 억제되거나 때로는 완전히 정지된다. 이와같은 억제작용은 핵산의 합성에서 증명되고 있다.
합성작용이 제대로 일어나지 않으면 세포내의 물질 보급이 일어나지 않게되어 성장이나 세포분열이 진행되지 않는다. 사실, 세포분열의 정지는 가장 먼저 뚜렷이 나타나는 방사선 효과이다.
한편, 어쩌면 세포의 기능도 다소간 방사선에 의해서 손상되는 것으로 생각된다. 이와같은 방사선의 효과가 전부 종합되어 세포가 죽게된다.
세포의 죽음은 여러가지 구조에 의해 일어난다. 어떤 경우에는 염색체가 절단되는 형태로 세포핵이 손상을 받기 때문에 세포가 죽게되는 경우도 있다. 염색체의 절단은 때로 복구되기도 한다. 이것은 절단면이 재결합하기 때문이다. 그러나 일부는 그렇지 않다. 세포분열시 염색체의 단편이 없어지는 경우가 있다. 이 경우 손상은 영원히 고쳐지지 않는다. 염색체의 절단면이 결합할 때 그 결합방법에 따라서는 새로운 조합(염색체의 부족)이 일어나고 그 때문에 세포분열 때 세포가 죽는 경우도 있다.
세포질에 조사한 경우와 세포핵에 조사한 경우를 비교하면 세포핵에 조사한 쪽에 더 심각한 결과가 생긴다. 그 이유는 세포핵에는 염색체가 있는데, 각각의 염색체에는 세포핵 당 1개～2개밖에 없기 때문이다. 이에 대해 세포질에 있는 구조물은 보통 그 수가 많고 그중 1개나 몇개가 없어져도 심각한 결과는 생기지 않는다. 그러나 세포질의 손상을 가볍게 여겨서는 안된다. 대사과정의 대부분은 세포질내에서 일어나기 때문에 단백질 합성과 같은 대사과정이 방사선에 의해서 지속적으로 영향을 받게 되면 세포질의 손상은 생각보다 중요해진다.
이미 살펴본 것처럼 방사선의 인체에 대한 효과의 하나로 유전적 상해가 있다. 이것은 두개의 다른 과정, 결국 염색체 이상과 유전자의 돌연변이에 의해 야기된다. 방사선에 의한 염색체 이상은 염색체 절단의 결과이다. 두개 이상의 절단이 같은 또는 다른 염색체에서 일어나면, 재결합(융합)하는 경우, 유전자 원래의 배열 순서가 변하게 되는 경우가 있다. 유전자의 배열순서가 변하거나 염색체의 일부 또는 1개의 염색체가 그대로 없어지게 되면 대부분의 경우 세포는 사멸하지만, 때에 따라서 염색체의 손상이 딸세포에 전해지기도 한다.
유전자 돌연변이는 세균이나 바이러스 연구에 의해서 매우 명확해졌다. 핵산(DNA)의 염기 순서, 조합이 변하면 돌연변이가 일어난다.
그러나 돌연변이의 발생 구조는 아직 잘 알려져 있지 않다. 하등생물에 대한 연구에 따르면 돌연변이는 복잡한 과정을 거쳐서 일어나고, 그 과정의 제1단계에서 손상은 어느 정도 회복이 가능하나 일정 기간후에는 회복이 불가능하다.
다른 방사선 효과와 같이 돌연변이 유발도 선량에 달려 있는데, 고선량에서 저선량까지 선량에 비례한다. 그러나 이 비례정수는 선량률과 함께 변한다.
(2) 방사선의 조사상황과 생물학적 효과와의 관계
① 방사선의 양과 효과와의 관계
방사선의 생물에 대한 효과는 방사선의 선량에 따라 다르다. 세포의 사멸 빈도와 선량과의 관계에 대해서 많은 정량적인 연구가 이루어지고 있다. 세포의 어떤 집단에 방사선을 쪼이면 일부분의 세포만이 사망한다. 이 사망하는 세포의 수(또는 전체에서 차지하는 비율)는 선량에 달려있다. 선량과 세포의 사망 비율이 비례하는 경우가 있다. 그러나 대부분의 경우 단순한 비례관계는 아니고 보다 복잡한 관계이다. 어느 경우든지 사망하는 세포의 비율은 선량의 증가와 함께 증가한다.
선량과 생물학적 효과의 관계(선량―효과곡선)는 일반적으로 그림 5에 표시한 것과 같이 2종류이다. 어떤 효과에서는 그림 A와 같이 효과가 어떤 선량의 범위내에서 선량에 비례한다. 이때는 아무리 적은 선량일지라도 그 선량에 대한 영향(효과)이 나타난다고 생각할 수 있다. 대표적인 것으로 유전자의 돌연변이 발생이 있다. 또한 방사선에 의한 백혈병 발생에 관해서도 이와같은 비례관계를 가정하고 있다.
한편 어떤 효과에서는 그림 B에 표시한 것과 같이 어떤 선량 이하에서는 효과가 나타나지 않는다. 이 효과가 나타나지 않는 경계 선량을 한계선량(Threshold 선량)이라고 부른다. 포유동물에 대한 치사효과가 이 예에 해당된다.
선량－효과의 관계는, 여러가지 효과를 대상으로 저선량에 대한 연구가 이루어지고 있다. 효과의 빈도 또는 정도는 선량과 직접 관계가 있지만, 극저선량에서는 효과가 아주 적어서 세포의 수나 동물의 수를 많이 해야 비로소 그 효과를 증명할 수 있다.
저선량에서는 영향을 검출하고자 해도 실제로는 제한이 있다. 영향을 찾아내기 위해 필요한 실험의 규모가 너무 크기 때문이다. 특히, 극저선량에서는 영향의 규모가 매우 작아 처리하기 어렵기 때문에 많은 수의 생물 및 세포가 필요하다.
② 선량률과 효과와의 관계
방사선의 양이 동일하더라도 방사선을 받는 시간이 긴지 짧은지 또는 1회 조사인지 분할조사인지 연속조사인지 등 조사시간의 경과에 따라 영향의 정도가 크게 달라진다. 같은 양의 선량을 1회 받은 경우가 몇회로 나누어 받은 경우의 영향보다 일반적으로 크다. 방사선을 조금씩 받게되면 대부분의 경우 회복되어 영향이 적어진다. 예를 들어 인간은 3Gy를 1회에 단시간에 받게 되면 50%가 사망하지만, 0.3Gy를 매년 10년 동안 받으면 한명도 죽지 않는다. 이는 시간이 경과하면서 방사선의 효과가 소실되기 때문이다. 다만, 정자에 대한 유전자 돌연변이 유발 효과의 경우 회복되지 않는다. 또 암의 유발에 대해서는 회복되는지 안되는지 확실치 않다.
③ 방사선의 종류, 에너지와 효과와의 관계
방사선의 양과 선량률이 같은 데도 방사선에 의해 일어나는 개개의 전리가 생체내에서 상호 공간적으로 접근해서 일어나는지, 떨어져서 일어나는지에 따라 방사선의 영향은 크게 달라진다. 예를 들어 중성자선은 통과하는 통로에 연해서 일어나는 2차전자의 전리 밀도(수중 1μm 당 전리의 수로 표시함)가 큰데, 백혈병의 유발의 경우 전리 밀도가 작은 γ선에 비해 효과가 몇배나 크다. 방사선(종류나 에너지가 다른 방사선)의 종류에 따라 나타나는 생물학적 효과의 정도를 표시하기 위해서 생물학적 효과비(Relative Biological Effectiveness, 약칭 RBE)라는 비율이 사용되고 있다. 어떤 방사선의 RBE는 통상 진료 X선(최고에너지 250kV)을 기준으로 다음과 같이 정의한다.
RBE=
이것을 수량적으로 표시하기 위해서 동일 생물효과에 대하여
RBE=
=
예를 들어 1회 조사의 조건에서 생쥐(mouse)를 50%를 사망시키는 데 필요한 선량이 어떤 에너지의 중성자선으로 0.8Gy, X선으로 8Gy이면 그 중성자선의 RBE=10이 된다.
일반적으로 방사선의 생물학적인 효과는 방사선의 조사 상황(선량, 선량률, 전신조사, 국부조사), 생물의 상태, 주목하는 효과에 따라 다르기 때문에 어떤 경우에든 적용할 수 있는 RBE는 존재하지 않는다.
최근 비교적 에너지가 높은 60Co 감마선(평균 1,250keV)과 비교적 에너지가 낮은 진단 X선(최고 인가전압 250kV)의 RBE의 차이가 주목을 받아 60Co의 감마선 효과를 기준으로 하는 표시방법도 사용되고 있다.
앞에서 말한 바와 같이 방사선의 생물학적 효과에 관여하는 인자로서 조사하는 방사선 측의 인자가 있지만, 한편으로 방사선을 받는 생체에도 방사선의 효과 발생에 관여하는 인자가 있다.
① 세포의 종류
세포의 종류를 바꿔가면서 그들 세포에 방사선을 조사하여 일정한 영향을 미치는 데 필요한 선량의 크기를 조사해 보면, 세포의 종류에 따라 필요한 선량의 크기는 상당히 다르다.
이것은 방사선에 대한 세포의 감수성 또는 저항성이 따르기 때문이다. 문제가 되고 있는 효과가 세포의 죽음이라면 세포의 성질(예를 들면, 세균은 포유동물의 세포보다 저항성이 큼), 세포핵의 크기(식물세포에서는 대개 세포핵의 크기와 세포의 감수성이 비례함) 및 倍數性(半數體세포는 倍數體세포보다 민감함)이 특히 감수성과 관계가 깊다.
② 세포분열의 시기
분열기의 세포는 휴지기의 세포에 비해 민감하다. 암세포는 분열중인 것이 많아 정상 세포보다 방사선에 민감하기 때문에 방사선 치료가 가능하다.
③ 세포가 처해있는 생리적 조건
세포의 감수성은 온도나 세포의 수분 함유량에 따라 변한다. 또한 주목할 만한 것으로 산소 농도가 있다(酸素效果라고 함). 세포에 산소의 보급이 적으면 세포의 감수성이 낮아지는데, 같은 영향을 주기 위해서는 높은 선량이 필요하게 된다. 그 이유는 잘 알려져 있지 않다.
또한 어떤 종류의 약제(화학 방호제, 예를 들어 히스타민 등)를 방사선을 조사하기 전 또는 조사중에 투여하면 어느 정도까지 세포를 보호하여 방사선 장해가 줄어든다.
이러한 화학약품은 세포가 이용하는 산소의 양을 감소시키거나 또는 조사에 의해서 생긴 유리기(遊離基)와 반응하기 때문에 영향을 적게 미치는 것 으로 생각되지만, 그 과정은 잘 알려져 있지 않다. 방사선을 받은 후, 투여해서 효과가 있는 약제는 현재 알려져 있지 않다.
④ 연 령
일반적으로 어린(발육기) 생체는 감수성이 높다. 태아와 유아의 백혈병 발생률은 성인보다 높다.
⑤ 종의 차이
동물의 종류(종)가 다르면 방사선에 대한 감수성이 달라진다. 100마리의 동물에게 조사한 후 그중에 50마리(50%)가 사망하는 선량을 반치사선량(LD50)이라 부르는데, 표 2에서와 같이 포유동물중에서도 방사선 감수성이 상당히 다른 것으로 알려져 있다. 일반적으로 반치사선량으로 본 방사선 감수성의 순서는 포유동물>새, 어류, 개구리>파충류>세균>아메바 순이다.
이상으로 방사선과 생물에 관한 기초지식에 대한 설명을 마치고, 다음으로 방사선이 우리 인체에 어떤 영향을 주는지에 대한 살펴보고자 한다.
•방사선의 인체에 대한 영향
(1) 방사선의 인체에 대한 영향의 분류 머리털이 빠지는 등 방사선의 영향이 방사선을 쪼인 본인에 한할 경우와 영향(병의 발생)이 자식이나 손자 등 자손에 나타나는 경우가 있다. 방사선을 받은 본인에 한정된 영향을 신체적 영향, 자손에 나타나는 영향을 유전적 영향이라고 부른다. 신체적 영향으로는 백혈구 감소 등과 같이 방사선을 받은 후 비교적 빠른, 대개 1주 이내에 나타나는 조기적 영향과 백혈병처럼 때에 따라서는 10년, 20년의 긴 잠복기를 거친 후에 나타나는 영향(만성적 영향이라고 함)이 있다. 유전적 영향으로는 유전자가 변형되어 본래의 성질과 달라짐으로써 유전자 돌연변이에 의해 일어나는 영향과 염색체 자체가 절단되거나 유착되거나 또는 수가 적어지기도 하고 많아지기도 하는 염색체 이상에 의한 영향이 있다. 염색체 이상에 의한 영향쪽이 대체로 더 크다. (2) 방사선의 신체적 영향 ① 전신에 방사선을 받은 경우 전신에 방사선을 받으면 선량 정도에 따라 영향이 나타나는 형태 및 증상이 다르다. 예를 들면 그림 7에 제시한 것 같이 50～250mSv에서 혈액속의 백혈구의 일종인 임파구에 염색체 이상이 나타나지만, 임상에서 문제가 되는 영향은 나타나지 않는다. 그러나 1,000mSv 전후에서 구역질이나 분명한 혈액의 변화가 나타난다. 전신(또는 신체의 대부분)에 비교적 단기간에 1～10Sv 정도의 방사선을 받으면 표 3에서 보는 바와 같은 일군의 증상이 나타난다. 이것을 급성 방사선증이라 부른다. 그 임상적 경과는 피폭선량의 정도에 따라 다르지만 ⅰ)초기, ⅱ)잠복기, ⅲ)증오기 ⅳ)회복기로 크게 나눌 수 있다. 또 선량의 범위에 따라 증상의 특징이 다르다.
1～10Sv에서는 조혈기관의 장해가 주된 증상이다. 10～15Sv에서는 위장관에 증상이 발생된다. 수십Sv 이상에는 중추신경이 손상된다. 많은 선량을 받으면 사망하지만 선량의 범위에 따라 사망의 주된 원인이 다르다. 10Sv 이하에서는 조혈기관에 있는 골수의 손상때문에 혈액(백혈구, 적혈구, 혈소판)이 생산되지 않고, 백혈구의 감소에 따른 세균감염, 혈소판의 감소에 따른 출혈 등에 의해 30일 전후에 생명을 잃는다. 이를 골수사(骨髓死)라 부른다.
표 3. X선 또는 γ선 1회 조사에 따른 급성증상(인간)
＊이 표의 선량은 신체 중추부분의 선량이 아니고, 표면에 가까운 선량이다. 즉 공기중의 선량과 똑같다.
10～15Sv에서는 위장관의 안쪽 표면 점막이 손상되어 탈수, 영양의 보급곤란, 세균의 침입 등에 의해 8일 전후에 사망한다. 이것은 장사(腸死)라고 한다. 수십Sv 이상은 중추신경의 손상에 의해 경련 등을 일으키며, 수분에서 수시간 후 사망한다. 이것을 뇌사(腦死)라고 한다. 선량과 생존일수와의 관계는 그림 8과 같다.
표 4. 혈액의 성분
( )내 백혈구 백분률(평균치) ② 조혈기관에 대한 영향 인체의 혈관속을 흐르는 혈액은 표 4에 제시한 것과 같은 성분으로 이루어져 있다. 혈액의 유형성분은 대개 골수에서 만들어지지만 임파구는 임파기관(임파절, 비장)에서 만들어진다. 조혈기관이 방사선을 받아 혈액을 생산할 수 없게 되면 혈관속의 혈액 변화로 관찰된다. 그림 9에 그 사례를 제시하였다.
(i) 백혈구 표 4에 제시한 것과 같이 백혈구의 종류에 따라 감수성과 회복 속도가 다르다. 임파구는 그 자체가 감수성이 높아서 빨리 감소되기 시작하지만, 회복(임파구의 생성, 보급)도 다른 백혈구보다 빠르다. 임파구의 감소가 나타나는 최소 선량은 0.25Gy이다. 다만 0.25Gy가 검출되는 것은 평상시의 임파구 수를 일상 검사에 의해 미리 알고 있는 경우에 한한다. 과립구(顆粒球)는 임파구보다 저항성이 강하고 또 감소 및 회복의 시작이 늦다. 피폭 직후에 백혈구가 일시적으로 증가할 때가 있다. 이것을 초기 백혈구 증가라고 부른다. 주로 호중구(好中球)의 증가때문이다. 호중구는 임파구보다 저항성이 강해 0.5～1Gy 이상에서 변화한다.
(ii) 적혈구 성숙한 적혈구는 방사선에 대해 저항성이 있어 적혈구 자체를 변화시키려면 수십Gy가 필요하다. 2Gy 이상에서 골수중의 적혈구의 전신인 세포(적아구)가 성장할 수 없게 되기 때문에 혈류속의 적혈구 보급이 일어나지 않게 된다. 이미 적혈구속에 존재하는 적혈구는 평균수명이 120일 정도 생존하기 때문에 혈관속의 혈액의 적혈구 수의 감소는 늦다(또 임파구의 수명은 1일 이내～수일, 일부는 수개월 이상인 것도 있다. 과립구는 3일 정도). 장기간 피폭에 의해서 만성장해가 일어나면 빈혈이 나타난다. (iii) 혈소판(또는 전구) 시기적으로는 과립구에 이어 혈소판 감소가 일어난다. 임상적으로는 출혈이 쉽게 일어난다. 이상으로부터 일반적으로 다음과 같이 말할 수 있다. ∙혈류소에 있는 적혈구는 골수속의 유약한 단계에 있는 것과는 달리 성숙한 단계에 있기 때문에 방사선 저항성이 강하여 대량의 방사선이 아니면 임파구를 제외하고 직접 장해를 받지는 않는다. ∙골수가 방사선 장해를 받으면 혈류속으로의 혈구 보급이 적어지지만, 이미 혈액속에 있던 각 혈구의 수명에 따라서 각각의 수명에 따라 생존하여 그 변화가 관찰될 때까지의 시간이 다르다. 1회 전신 조사의 방사선량과 혈액과의 관계는 표 5에 제시한 바와 같다. 다시 표 6에 일반인 정상혈액의 범위와 평균치를 제시하였다. 조혈기관의 장해 가운데 가장 주목해야 할 것은 피폭후 몇년 후에 나타나는 혈액암인 백혈병의 발생이다. 이에 대해서는 만성적 영향 부분에서 자세히 다루었다. ③ 생식선에 대한 영향 생식선이란 생식세포(정자, 난자)를 만드는 기관을 말하고 남자는 고환, 여자는 난소를 지칭한다. 생식선은 호르몬을 만드는 역할도 한다. 방사선 피폭에 의해 생식선에 신체적 영향과 유전적 영향이 나타난다.
(i) 고환 고환은 정자를 만드는 기능을 가지고 있다. 정원세포 → 1차 정모세포 → 2차 정모세포 → 정자세포 → 정자의 순으로 인체의 경우 약 120일에 걸쳐서 정원세포로부터 정자가 형성된다. 방사선 감수성은 이 발생순서에 따라 미분화한 정원세포가 가장 높고 완성된 정자가 가장 낮다. 방사선 피폭에 의해 정원세포가 죽으면 불임이 된다. 불임이 되는 생식선의 선량은 남녀가 조금 다른데, 선량과 불임 정도와의 관계는 표 7과 같다. 호르몬을 만드는 고환의 세포는 방사선 감수성이 낮아, 호르몬의 생산은 방사선의 영향을 쉽게 받지 않는다.
표 5. 1회 전신피폭 선량과 혈액 변화와의 관계
표 6. 혈액 정상범위 및 평균치 (1mm2 중)
표 7 a) 남성에 일시적 불임 또는 영구불임을 일으키는 고환의 문턱선량
b) 여성에 일시적 불임 또는 영구불임을 일으키는 난소의 문턱선량
(ii) 난소 난소는 난자를 만드는 곳이다. 난원세포 → 1차 난모세포 → 2차 난모세포 → 난자의 순으로 난자가 형성된다. 특히 인간과 같은 포유동물에서는 난원세포는 암컷의 체내에서 증식을 완료하여 난모세포가 되고, 출생후는 수컷의 정원세포에 상당하는 난원세포는 존재하지 않는다. 난모세포는 방사선 감수성이 높아 난자보다 죽기 쉽다. 조사에 의해 호르몬 기능이 교란되어 월경불순이 일어나는 경우도 있다. 유전적 영향에 대해서는 뒤에서 자세히 살펴보겠다. ④ 피부에 대한 영향 피부는 표피와 진피로 나누어지는데, 진피 아래에 피하조직이 있다. 조직학상 다음과 같이 이루어져 있다. 각질층(자연적으로 박리되는 부분), 과립층 표피(40～100μm) 피부 기저층(세포분열이 나타나고, 박리된 세포를 보충함) 진피 피부의 방사선 피폭은 표면부터 40～100μm 이내인데, 세포분열을 하는 기저층이 받는 선량이 문제된다. 방사선 방호상에서는 기저층의 깊이는 표면에서 70μm이다. 피부에는 손톱, 털, 피지선이 부속되어 있다. 털은 수명이 있어서 탈모되고, 다시 만들어져 보충된다. 방사선에 의한 피부의 변화로는 탈모와 홍반(피부가 붉어지는 증상)이 흔하다. 1회 조사의 경우 선량과 피부 장해와의 관계는 표 8과 같다.
표 8. X선, β선의 1회 선량과 피부의 급성변화와의 관계
⑤ 위장관에 대한 영향 위장관 가운데 방사선의 영향을 받기 쉬운 것은 소장이다. 소장이 10～15Gy 이상의 방사선을 받으면 소장의 상피세포가 장해를 받는다. 그리고 장의 운동, 소화액의 분비 등 장의 기능이 상실된다. 상피세포의 세포분열이 저지되기 때문에 점차 상피세포의 수가 부족하게 되어 장의 표면이 노출된 결과, 수분, 전해질이 신체로부터 손실되고 또 세균이 혈액속에 침입하여 사망하게 된다. 선량이 10～15Gy 이하이면 항생물질의 사용, 수분․염류의 보급, 영양의 보급을 통해 치료가 가능할 때도 있다. 상피세포는 0.5Gy 이상의 선량에서 변화를 일으키지만, 5～6Gy 이하의 선량이면 회복한다. 그러나 상피세포가 회복되어도 조혈기관의 감수성이 높은 사람중에는 조혈기관의 장해로 사망하는 사람도 있다. ⑥ 만성영향 만성영향이란 방사선 피폭 후 상당 기간을 거쳐 나타나는 영향을 말한다. 방사선의 피폭과 증상의 발견 사이에는 장기간이 경과한 후에 방사선 이외의 다른 원인에 의해서도 방사선에 의한 것과 같은 증상이 나타나기 때문에 인과관계를 규명하기가 어렵다. 피폭의 상황 등을 충분히 고려하여 합리적인 판단을 내려야 한다. 주요 만성영향으로는 악성종양(백혈병 포함)의 발생, 조직에 대한 부분적 영향(백내장, 불임 등), 수명의 단축, 성장과 발생에 대한 영향(배, 태아에 대한 영향) 등을 들 수 있다. (i) 악성종양의 발생 방사선에 의해 조혈기관, 피부, 뼈, 폐, 갑상선, 유선 등 많은 기관, 조직에 악성종양이 발생한다는 사실이 알려져 있다. 방사선의 피폭으로부터 악성종양 출현까지의 잠복기는 기관, 조직에 따라 다르지만 백혈병의 경우는 25년, 기타 기관에서 10년～평생 동안이다. 악성종양은 피폭된 사람 모두에게 발생하는 것은 아니고 그중 몇 사람에게서만 발생한다. 예를 들어 백혈병의 경우를 생각해 보자. 일본의 히로시마, 나가사키에서 많은 사람이 고선량의 원폭방사선을 받았기 때문에 백혈병이 증가했다. 그 결과는 그림 10에서 보는 바와 같다.
저선량 영역(0.2Sv 이하)에서는 발생률이 1/2이 된다고 가정하여 직업상 피폭한도인 0.05Sv를 1회 받으면 10만명 중 40년간 매년 0.7명이 백혈병에 걸린다는 결과가 된다. 일본에서의 백혈병 자연발생률은 10만명중 매년 약 4명이기 때문에 10만명이 전원 0.05Sv를 받으면 백혈병의 발생은 자연발생률에 0.05Sv의 방사선에 의한 증가분을 더해서 매년 4.7명이 된다. 발생률의 증가는 약 20%에 불과하다. 자연발생률은 매년 약간의 변동이 있기 때문에 20% 증가를 검출하기는 그렇게 쉽지 않다. 이 때문에 0.05Sv/회 정도의 피폭에도 실제로는 백혈병의 발생이 증가하는지 어떤지 알기 어렵다. 또한 원폭방사선은 암에 의한 암 사망자의 증가 데이터는 각 연령층 별로 자연발생률에 비례하여 증가한다는 상승 리스크 모델과 일치한다. (ii) 내부피폭에 의한 간암과 골수암의 발생 미국 등에서 우라늄 광산에서 일하던 광부의 간암 발생 보고가 있었다. 우라늄의 붕괴에 의해서 생긴 광석중 라듐의 딸핵종인 기체 라돈과 라돈의 붕괴에 의해 생기는 공기중의 라돈 A, B, C가 폐에 흡수되기 때문에, 기관지 및 허파꽈리가 이들 핵종이 내는 조사를 받아 간암이 발생한 것이다. 또 야광도료로 사용되는 라듐-226을 시계의 문자판에 붓 끝으로 칠을 하던 미국의 공원이 잠복기가 평균 10년으로 골수암에 걸려 사망하였다. 단, 골수암을 발생시키기 위해서는 골수암 발생 부분에 수Gy 이상의 선량조사가 필요하다. 라듐은 신체 가운데 99%가 뼈에 집중하는데, 방사능으로 표현하면, 3.7×103Bq(0.1μCi) 이상의 라듐-226에 신체가 노출된 사람만이 골수암에 걸리고, 3.7×103Bq 이하의 사람은 골수암에 걸리지 않았다. 라듐 이외에 뼈에 잘 모이는 핵종(好骨性 核種)으로는 플루토늄-239, 스트론튬-90 등이 있다. 모두 뼈속에 체류시간이 길고 골수암을 발생시킬 위험이 있으므로 신체로 침투하지 않도록 특히 엄격한 방호수단을 강구할 필요가 있다.
(ⅲ) 백내장의 발생 눈이 수백Gy 이상의 선량을 받게 되면 결막이나 각막에 각각 결막염이나 각막염이 생기지만, 수정체에는 방사선에 의한 만성영향으로 수정체의 혼탁, 즉 백내장이 생긴다. 눈의 수정체 혼탁은 현미경으로만 검출되는 것에서부터 육안으로도 판별할 수 있는 것까지 여러 단계가 있고, 시력장해를 일으키는 것도 있다. 시력장해를 일으킬 수 있는 백내장은 X선의 경우 단기간에서는 2～10Gy, 장기간에서는 0.15Gy/년 이상의 선량에 의해 생긴다고 알려져 있다. 선량-효과 관계는 직선형이 아니고, S자형(Sig moid형)으로 한계치(문턱선량)가 있는 것처럼 보인다. 방사선에 의한 백내장의 잠복기는 긴데, 원폭피폭 후 5년 후에 발생된 예가 보고되어 있다. 중성자선은 γ선, X선에 비해 백내장을 일으키기 쉽기 때문에 5～10배 효과가 있다(RBE=2～10) 생리적인 노화현상의 하나로 노인성 백내장(老人性 白內障)이 나타나기도 한다. 그 발생부위로부터 판단하여 방사선 백내장과 구별하기 쉽다는 주장도, 구별하기 어렵다는 주장도 있다. (ⅳ) 수명의 단축 생쥐(mouse)나 쥐(rat)와 같은 동물에 전신조사하면 선량에 의해 어떤 것은 사망하고 어떤 것은 살아 남는다고 앞에서 이야기한 바 있으나 사망하지 않은 것은 회복하여 정상적으로 보이기도 한다. 그러나 그후 조사되지 않은 것보다 빨리 사망한다. 결국 수명이 단축된다. 암 등 악성종양에 의한 사망을 제외하더라도, 결국 비조사된 정상동물보다 빨리 사망한다. 조사동물의 생존시간과 선량과의 관계는 그림 12와 같이 동물에서는 어느 정도 이상의 방사선에 의해 비조사된 동물보다 평균수명이 단축된다.
그러나 방사선을 동물에게 매일 조금씩 조사하면, 조사하지 않은 것에 비해 표 9에서 제시한 것처럼 수명이 어느 정도 늘어난다고 보고되고 있다. 이 현상은 방사선 호르미시스라 부른다. 그 원인은 소량의 방사선에 대해 과잉방어하여 감염에 대한 저항력이 강해지기 때문이라고 해석된다. 그런데 인간에 대해서, 통계로 나타난 각 연령에서의 사망률의 대수를 취하여 이것과 연령과의 관계를 조사하면 어떤 연령 이상에는 직선적으로 사망률이 상승한다는 사실이 오래전부터 알려져 있다.
이것을 수학적으로 표시하면 다음과 같이 된다. Rm＝R0eαt 여기서 Rm은 어떤 연령 t의 사망률, R0는 상수로서 연령 0에서의 가상적인 사망률, α도 상수이다. Rm의 대수는 t와 직선적으로 상승한다. 이 함수의 형을 Gompertz 함수라 부른다.
연령 A에서 방사선을 받으면, 사람의 사망률은 C에서 D로 급격히 상승하고, 그후에는 사망률이 연령에 따라 비조사인 경우의 직선 1과 평행한 직선 2와 같이 상승한다. 방사선이 수명을 (B-A)만큼 단축시킨 것이다. 또는 (B-A)만큼 노화가 진행되었다고 해도 좋다. 인간의 경우 수명 단축을 확인하기는 곤란하지만 다음과 같은 조사결과가 있다. 즉, 미국에서의 조사에 의하면 방사선을 무방비로 취급할 기회가 많았던 과거의 방사선과 의사는 다른 과의 의사보다 수명이 약 5년 단축되었다. 그러나 영국에서는 동일한 조사에 따르면, 방사선과 의사의 수명단축에 대해서는 확실한 영향을 확인할 수 없었다.
(ⅴ) 태아에 대한 영향 태아는 신체 장기가 아직 충분히 성장하지 않은 상태이기 때문에 태아의 조직은 발육, 신진대사가 왕성하다. 이와 같은 조직은 방사선에 대한 감수성이 높다. 방사선량이 높으면 방사선에 의한 기형이 생기는 것으로 알려져 있다(그러나 일본의 현재의 기형 발생원인의 8할은 부모가 복용한 호르몬제, 감기약 등 약제에 있다고 함). 히로시마, 나가사키 원폭 피폭자의 임신부 중에는 지능이 낮은 소두아(小頭兒)를 출산하였다. 임신 8～15주에 피폭된 경우가 가장 발생률이 높고, 유발 문턱선량은 0.12～0.2Sv로 알려졌다. 또 모친의 태내에 X선 진단때문에 방사선을 받게된 아이들 중에 출생후 백혈병의 발생률이 높다는 조사가 있다.
방사선이 생물에 미치는 영향
방사선만으로 유발되고 방사선 이외의 것으로는 유발되지 않는, 방사선 고유의 장해는 존재하지 않는다. 방사선이 일으키는 장해와 같은 것이 물리적 또는 화학적인 여러 원인에 의해서도 발생한다.
(1) 방사선이 생물에 미치는 영향
그림 4에 방사선 영향의 발현과정을 개략적으로 제시하였는데, 생물에 대한 방사선의 최초의 작용은 물리적이라고 할 수 있다. 방사선은 생물을 구성하는 원자나 분자를 물리적으로 전리시켜 에너지를 부여한다. 전리는 원자나 분자가 생물의 조직중에 어떤 모양으로 배열되어 있는지 그 구조는 문제되지 않는다.
이에 대해 보통의 빛이나 자외선은 물질을 통과할 때 물질을 구성하는 화합물의 원자배열에 의해 특정의 빛만 흡수되는데, 그 반응은 화합물에 따라 다르다.
방사선과 원자나 분자와의 상호작용의 결과, 분자가 분열하여 단편이 되어 유리기(반응하기 쉬운 상태의 원자나 분자)와 이온이 된다.
이 단편(ion)에는 화학적 안정성은 없고 서로 반응하거나 변화가 일어난 다른 분자와 반응하여 새로운 화합물을 만들어 세포의 화학적인 평형을 깨뜨린다. 특히 물은 세포의 70%를 구성하고 있기 때문에 물이 방사선에 의해서 물리적 및 화학적 변화를 일으키는 것으로 생각된다.
물 분자는 방사선에 의해 전리되고(H2O→H2O＋＋e－), 반응성이 큰 유리기(H-기와 OH-기)가 생성되거나 이들의 기가 결합해서 각각 H2O2와 H2가 된다.
이와같은 기나 분자는 모두 세포의 중요한 구성분자(핵산과 단백질)에 작용하여 영향을 끼친다. 이러한 작용을 간접작용이라고 부른다. 그러나 세포의 중요한 구성분자가 물에서 생성된 유리기의 관여없이 방사선에 의해 직접전리되어 상해를 받는 일도 있다. 이것을 직접작용이라 부른다. 세포의 상해에 대해 직접작용과 간접작용이 각각 어떤 역할을 하고 있는지는 잘 알 수 없지만, 대개의 경우 2가지 모두가 작용할 것이다.
방사선의 양과도 관계있지만, 방사선에 의해 중요한 세포 구성분자의 생화학적인 합성작용이 억제되거나 때로는 완전히 정지된다. 이와같은 억제작용은 핵산의 합성에서 증명되고 있다.
합성작용이 제대로 일어나지 않으면 세포내의 물질 보급이 일어나지 않게되어 성장이나 세포분열이 진행되지 않는다. 사실, 세포분열의 정지는 가장 먼저 뚜렷이 나타나는 방사선 효과이다.
한편, 어쩌면 세포의 기능도 다소간 방사선에 의해서 손상되는 것으로 생각된다. 이와같은 방사선의 효과가 전부 종합되어 세포가 죽게된다.
세포의 죽음은 여러가지 구조에 의해 일어난다. 어떤 경우에는 염색체가 절단되는 형태로 세포핵이 손상을 받기 때문에 세포가 죽게되는 경우도 있다. 염색체의 절단은 때로 복구되기도 한다. 이것은 절단면이 재결합하기 때문이다. 그러나 일부는 그렇지 않다. 세포분열시 염색체의 단편이 없어지는 경우가 있다. 이 경우 손상은 영원히 고쳐지지 않는다. 염색체의 절단면이 결합할 때 그 결합방법에 따라서는 새로운 조합(염색체의 부족)이 일어나고 그 때문에 세포분열 때 세포가 죽는 경우도 있다.
세포질에 조사한 경우와 세포핵에 조사한 경우를 비교하면 세포핵에 조사한 쪽에 더 심각한 결과가 생긴다. 그 이유는 세포핵에는 염색체가 있는데, 각각의 염색체에는 세포핵 당 1개～2개밖에 없기 때문이다. 이에 대해 세포질에 있는 구조물은 보통 그 수가 많고 그중 1개나 몇개가 없어져도 심각한 결과는 생기지 않는다. 그러나 세포질의 손상을 가볍게 여겨서는 안된다. 대사과정의 대부분은 세포질내에서 일어나기 때문에 단백질 합성과 같은 대사과정이 방사선에 의해서 지속적으로 영향을 받게 되면 세포질의 손상은 생각보다 중요해진다.
이미 살펴본 것처럼 방사선의 인체에 대한 효과의 하나로 유전적 상해가 있다. 이것은 두개의 다른 과정, 결국 염색체 이상과 유전자의 돌연변이에 의해 야기된다. 방사선에 의한 염색체 이상은 염색체 절단의 결과이다. 두개 이상의 절단이 같은 또는 다른 염색체에서 일어나면, 재결합(융합)하는 경우, 유전자 원래의 배열 순서가 변하게 되는 경우가 있다. 유전자의 배열순서가 변하거나 염색체의 일부 또는 1개의 염색체가 그대로 없어지게 되면 대부분의 경우 세포는 사멸하지만, 때에 따라서 염색체의 손상이 딸세포에 전해지기도 한다.
유전자 돌연변이는 세균이나 바이러스 연구에 의해서 매우 명확해졌다. 핵산(DNA)의 염기 순서, 조합이 변하면 돌연변이가 일어난다.
그러나 돌연변이의 발생 구조는 아직 잘 알려져 있지 않다. 하등생물에 대한 연구에 따르면 돌연변이는 복잡한 과정을 거쳐서 일어나고, 그 과정의 제1단계에서 손상은 어느 정도 회복이 가능하나 일정 기간후에는 회복이 불가능하다.
다른 방사선 효과와 같이 돌연변이 유발도 선량에 달려 있는데, 고선량에서 저선량까지 선량에 비례한다. 그러나 이 비례정수는 선량률과 함께 변한다.
(2) 방사선의 조사상황과 생물학적 효과와의 관계
① 방사선의 양과 효과와의 관계
방사선의 생물에 대한 효과는 방사선의 선량에 따라 다르다. 세포의 사멸 빈도와 선량과의 관계에 대해서 많은 정량적인 연구가 이루어지고 있다. 세포의 어떤 집단에 방사선을 쪼이면 일부분의 세포만이 사망한다. 이 사망하는 세포의 수(또는 전체에서 차지하는 비율)는 선량에 달려있다. 선량과 세포의 사망 비율이 비례하는 경우가 있다. 그러나 대부분의 경우 단순한 비례관계는 아니고 보다 복잡한 관계이다. 어느 경우든지 사망하는 세포의 비율은 선량의 증가와 함께 증가한다.
선량과 생물학적 효과의 관계(선량―효과곡선)는 일반적으로 그림 5에 표시한 것과 같이 2종류이다. 어떤 효과에서는 그림 A와 같이 효과가 어떤 선량의 범위내에서 선량에 비례한다. 이때는 아무리 적은 선량일지라도 그 선량에 대한 영향(효과)이 나타난다고 생각할 수 있다. 대표적인 것으로 유전자의 돌연변이 발생이 있다. 또한 방사선에 의한 백혈병 발생에 관해서도 이와같은 비례관계를 가정하고 있다.
한편 어떤 효과에서는 그림 B에 표시한 것과 같이 어떤 선량 이하에서는 효과가 나타나지 않는다. 이 효과가 나타나지 않는 경계 선량을 한계선량(Threshold 선량)이라고 부른다. 포유동물에 대한 치사효과가 이 예에 해당된다.
선량－효과의 관계는, 여러가지 효과를 대상으로 저선량에 대한 연구가 이루어지고 있다. 효과의 빈도 또는 정도는 선량과 직접 관계가 있지만, 극저선량에서는 효과가 아주 적어서 세포의 수나 동물의 수를 많이 해야 비로소 그 효과를 증명할 수 있다.
저선량에서는 영향을 검출하고자 해도 실제로는 제한이 있다. 영향을 찾아내기 위해 필요한 실험의 규모가 너무 크기 때문이다. 특히, 극저선량에서는 영향의 규모가 매우 작아 처리하기 어렵기 때문에 많은 수의 생물 및 세포가 필요하다.
② 선량률과 효과와의 관계
방사선의 양이 동일하더라도 방사선을 받는 시간이 긴지 짧은지 또는 1회 조사인지 분할조사인지 연속조사인지 등 조사시간의 경과에 따라 영향의 정도가 크게 달라진다. 같은 양의 선량을 1회 받은 경우가 몇회로 나누어 받은 경우의 영향보다 일반적으로 크다. 방사선을 조금씩 받게되면 대부분의 경우 회복되어 영향이 적어진다. 예를 들어 인간은 3Gy를 1회에 단시간에 받게 되면 50%가 사망하지만, 0.3Gy를 매년 10년 동안 받으면 한명도 죽지 않는다. 이는 시간이 경과하면서 방사선의 효과가 소실되기 때문이다. 다만, 정자에 대한 유전자 돌연변이 유발 효과의 경우 회복되지 않는다. 또 암의 유발에 대해서는 회복되는지 안되는지 확실치 않다.
③ 방사선의 종류, 에너지와 효과와의 관계
방사선의 양과 선량률이 같은 데도 방사선에 의해 일어나는 개개의 전리가 생체내에서 상호 공간적으로 접근해서 일어나는지, 떨어져서 일어나는지에 따라 방사선의 영향은 크게 달라진다. 예를 들어 중성자선은 통과하는 통로에 연해서 일어나는 2차전자의 전리 밀도(수중 1μm 당 전리의 수로 표시함)가 큰데, 백혈병의 유발의 경우 전리 밀도가 작은 γ선에 비해 효과가 몇배나 크다. 방사선(종류나 에너지가 다른 방사선)의 종류에 따라 나타나는 생물학적 효과의 정도를 표시하기 위해서 생물학적 효과비(Relative Biological Effectiveness, 약칭 RBE)라는 비율이 사용되고 있다. 어떤 방사선의 RBE는 통상 진료 X선(최고에너지 250kV)을 기준으로 다음과 같이 정의한다.
RBE=
이것을 수량적으로 표시하기 위해서 동일 생물효과에 대하여
RBE=
=
예를 들어 1회 조사의 조건에서 생쥐(mouse)를 50%를 사망시키는 데 필요한 선량이 어떤 에너지의 중성자선으로 0.8Gy, X선으로 8Gy이면 그 중성자선의 RBE=10이 된다.
일반적으로 방사선의 생물학적인 효과는 방사선의 조사 상황(선량, 선량률, 전신조사, 국부조사), 생물의 상태, 주목하는 효과에 따라 다르기 때문에 어떤 경우에든 적용할 수 있는 RBE는 존재하지 않는다.
최근 비교적 에너지가 높은 60Co 감마선(평균 1,250keV)과 비교적 에너지가 낮은 진단 X선(최고 인가전압 250kV)의 RBE의 차이가 주목을 받아 60Co의 감마선 효과를 기준으로 하는 표시방법도 사용되고 있다.
표 1은 그와같은 예인데, 사람 혈액속의 임파구 염색체 이상에 주목한 RBE 수치이다.
표 1. 사람의 임파구 염색체 이상에 주목한 RBE
[세포당 염색체 이상＝αD＋βD2, α, β는 선질에 따라 결정되는 정수, D는 흡수선량]
저선량수치(α의 비), Edwards(1982)
(3) 생체측의 인자와 방사선 효과
앞에서 말한 바와 같이 방사선의 생물학적 효과에 관여하는 인자로서 조사하는 방사선 측의 인자가 있지만, 한편으로 방사선을 받는 생체에도 방사선의 효과 발생에 관여하는 인자가 있다.
① 세포의 종류
세포의 종류를 바꿔가면서 그들 세포에 방사선을 조사하여 일정한 영향을 미치는 데 필요한 선량의 크기를 조사해 보면, 세포의 종류에 따라 필요한 선량의 크기는 상당히 다르다.
이것은 방사선에 대한 세포의 감수성 또는 저항성이 따르기 때문이다. 문제가 되고 있는 효과가 세포의 죽음이라면 세포의 성질(예를 들면, 세균은 포유동물의 세포보다 저항성이 큼), 세포핵의 크기(식물세포에서는 대개 세포핵의 크기와 세포의 감수성이 비례함) 및 倍數性(半數體세포는 倍數體세포보다 민감함)이 특히 감수성과 관계가 깊다.
② 세포분열의 시기
분열기의 세포는 휴지기의 세포에 비해 민감하다. 암세포는 분열중인 것이 많아 정상 세포보다 방사선에 민감하기 때문에 방사선 치료가 가능하다.
③ 세포가 처해있는 생리적 조건
세포의 감수성은 온도나 세포의 수분 함유량에 따라 변한다. 또한 주목할 만한 것으로 산소 농도가 있다(酸素效果라고 함). 세포에 산소의 보급이 적으면 세포의 감수성이 낮아지는데, 같은 영향을 주기 위해서는 높은 선량이 필요하게 된다. 그 이유는 잘 알려져 있지 않다.
또한 어떤 종류의 약제(화학 방호제, 예를 들어 히스타민 등)를 방사선을 조사하기 전 또는 조사중에 투여하면 어느 정도까지 세포를 보호하여 방사선 장해가 줄어든다.
이러한 화학약품은 세포가 이용하는 산소의 양을 감소시키거나 또는 조사에 의해서 생긴 유리기(遊離基)와 반응하기 때문에 영향을 적게 미치는 것 으로 생각되지만, 그 과정은 잘 알려져 있지 않다. 방사선을 받은 후, 투여해서 효과가 있는 약제는 현재 알려져 있지 않다.
④ 연 령
일반적으로 어린(발육기) 생체는 감수성이 높다. 태아와 유아의 백혈병 발생률은 성인보다 높다.
⑤ 종의 차이
동물의 종류(종)가 다르면 방사선에 대한 감수성이 달라진다. 100마리의 동물에게 조사한 후 그중에 50마리(50%)가 사망하는 선량을 반치사선량(LD50)이라 부르는데, 표 2에서와 같이 포유동물중에서도 방사선 감수성이 상당히 다른 것으로 알려져 있다. 일반적으로 반치사선량으로 본 방사선 감수성의 순서는 포유동물>새, 어류, 개구리>파충류>세균>아메바 순이다.
이상으로 방사선과 생물에 관한 기초지식에 대한 설명을 마치고, 다음으로 방사선이 우리 인체에 어떤 영향을 주는지에 대한 살펴보고자 한다.
•방사선의 인체에 대한 영향
(1) 방사선의 인체에 대한 영향의 분류
머리털이 빠지는 등 방사선의 영향이 방사선을 쪼인 본인에 한할 경우와 영향(병의 발생)이 자식이나 손자 등 자손에 나타나는 경우가 있다. 방사선을 받은 본인에 한정된 영향을 신체적 영향, 자손에 나타나는 영향을 유전적 영향이라고 부른다.
신체적 영향으로는 백혈구 감소 등과 같이 방사선을 받은 후 비교적 빠른, 대개 1주 이내에 나타나는 조기적 영향과 백혈병처럼 때에 따라서는 10년, 20년의 긴 잠복기를 거친 후에 나타나는 영향(만성적 영향이라고 함)이 있다.
유전적 영향으로는 유전자가 변형되어 본래의 성질과 달라짐으로써 유전자 돌연변이에 의해 일어나는 영향과 염색체 자체가 절단되거나 유착되거나 또는 수가 적어지기도 하고 많아지기도 하는 염색체 이상에 의한 영향이 있다. 염색체 이상에 의한 영향쪽이 대체로 더 크다.
(2) 방사선의 신체적 영향
① 전신에 방사선을 받은 경우
전신에 방사선을 받으면 선량 정도에 따라 영향이 나타나는 형태 및 증상이 다르다. 예를 들면 그림 7에 제시한 것 같이 50～250mSv에서 혈액속의 백혈구의 일종인 임파구에 염색체 이상이 나타나지만, 임상에서 문제가 되는 영향은 나타나지 않는다. 그러나 1,000mSv 전후에서 구역질이나 분명한 혈액의 변화가 나타난다.
전신(또는 신체의 대부분)에 비교적 단기간에 1～10Sv 정도의 방사선을 받으면 표 3에서 보는 바와 같은 일군의 증상이 나타난다. 이것을 급성 방사선증이라 부른다. 그 임상적 경과는 피폭선량의 정도에 따라 다르지만 ⅰ)초기, ⅱ)잠복기, ⅲ)증오기 ⅳ)회복기로 크게 나눌 수 있다. 또 선량의 범위에 따라 증상의 특징이 다르다.
1～10Sv에서는 조혈기관의 장해가 주된 증상이다.
10～15Sv에서는 위장관에 증상이 발생된다.
수십Sv 이상에는 중추신경이 손상된다.
많은 선량을 받으면 사망하지만 선량의 범위에 따라 사망의 주된 원인이 다르다.
10Sv 이하에서는 조혈기관에 있는 골수의 손상때문에 혈액(백혈구, 적혈구, 혈소판)이 생산되지 않고, 백혈구의 감소에 따른 세균감염, 혈소판의 감소에 따른 출혈 등에 의해 30일 전후에 생명을 잃는다. 이를 골수사(骨髓死)라 부른다.
표 3. X선 또는 γ선 1회 조사에 따른 급성증상(인간)
＊이 표의 선량은 신체 중추부분의 선량이 아니고, 표면에 가까운 선량이다. 즉 공기중의 선량과 똑같다.
10～15Sv에서는 위장관의 안쪽 표면 점막이 손상되어 탈수, 영양의 보급곤란, 세균의 침입 등에 의해 8일 전후에 사망한다. 이것은 장사(腸死)라고 한다.
수십Sv 이상은 중추신경의 손상에 의해 경련 등을 일으키며, 수분에서 수시간 후 사망한다. 이것을 뇌사(腦死)라고 한다. 선량과 생존일수와의 관계는 그림 8과 같다.
표 4. 혈액의 성분
( )내 백혈구 백분률(평균치)
② 조혈기관에 대한 영향
인체의 혈관속을 흐르는 혈액은 표 4에 제시한 것과 같은 성분으로 이루어져 있다. 혈액의 유형성분은 대개 골수에서 만들어지지만 임파구는 임파기관(임파절, 비장)에서 만들어진다.
조혈기관이 방사선을 받아 혈액을 생산할 수 없게 되면 혈관속의 혈액 변화로 관찰된다. 그림 9에 그 사례를 제시하였다.
(i) 백혈구
표 4에 제시한 것과 같이 백혈구의 종류에 따라 감수성과 회복 속도가 다르다. 임파구는 그 자체가 감수성이 높아서 빨리 감소되기 시작하지만, 회복(임파구의 생성, 보급)도 다른 백혈구보다 빠르다. 임파구의 감소가 나타나는 최소 선량은 0.25Gy이다. 다만 0.25Gy가 검출되는 것은 평상시의 임파구 수를 일상 검사에 의해 미리 알고 있는 경우에 한한다.
과립구(顆粒球)는 임파구보다 저항성이 강하고 또 감소 및 회복의 시작이 늦다. 피폭 직후에 백혈구가 일시적으로 증가할 때가 있다. 이것을 초기 백혈구 증가라고 부른다. 주로 호중구(好中球)의 증가때문이다. 호중구는 임파구보다 저항성이 강해 0.5～1Gy 이상에서 변화한다.
(ii) 적혈구
성숙한 적혈구는 방사선에 대해 저항성이 있어 적혈구 자체를 변화시키려면 수십Gy가 필요하다. 2Gy 이상에서 골수중의 적혈구의 전신인 세포(적아구)가 성장할 수 없게 되기 때문에 혈류속의 적혈구 보급이 일어나지 않게 된다. 이미 적혈구속에 존재하는 적혈구는 평균수명이 120일 정도 생존하기 때문에 혈관속의 혈액의 적혈구 수의 감소는 늦다(또 임파구의 수명은 1일 이내～수일, 일부는 수개월 이상인 것도 있다. 과립구는 3일 정도). 장기간 피폭에 의해서 만성장해가 일어나면 빈혈이 나타난다.
(iii) 혈소판(또는 전구)
시기적으로는 과립구에 이어 혈소판 감소가 일어난다. 임상적으로는 출혈이 쉽게 일어난다. 이상으로부터 일반적으로 다음과 같이 말할 수 있다.
∙혈류소에 있는 적혈구는 골수속의 유약한 단계에 있는 것과는 달리 성숙한 단계에 있기 때문에 방사선 저항성이 강하여 대량의 방사선이 아니면 임파구를 제외하고 직접 장해를 받지는 않는다.
∙골수가 방사선 장해를 받으면 혈류속으로의 혈구 보급이 적어지지만, 이미 혈액속에 있던 각 혈구의 수명에 따라서 각각의 수명에 따라 생존하여 그 변화가 관찰될 때까지의 시간이 다르다.
1회 전신 조사의 방사선량과 혈액과의 관계는 표 5에 제시한 바와 같다. 다시 표 6에 일반인 정상혈액의 범위와 평균치를 제시하였다. 조혈기관의 장해 가운데 가장 주목해야 할 것은 피폭후 몇년 후에 나타나는 혈액암인 백혈병의 발생이다. 이에 대해서는 만성적 영향 부분에서 자세히 다루었다.
③ 생식선에 대한 영향
생식선이란 생식세포(정자, 난자)를 만드는 기관을 말하고 남자는 고환, 여자는 난소를 지칭한다. 생식선은 호르몬을 만드는 역할도 한다. 방사선 피폭에 의해 생식선에 신체적 영향과 유전적 영향이 나타난다.
(i) 고환
고환은 정자를 만드는 기능을 가지고 있다. 정원세포 → 1차 정모세포 → 2차 정모세포 → 정자세포 → 정자의 순으로 인체의 경우 약 120일에 걸쳐서 정원세포로부터 정자가 형성된다. 방사선 감수성은 이 발생순서에 따라 미분화한 정원세포가 가장 높고 완성된 정자가 가장 낮다.
방사선 피폭에 의해 정원세포가 죽으면 불임이 된다. 불임이 되는 생식선의 선량은 남녀가 조금 다른데, 선량과 불임 정도와의 관계는 표 7과 같다.
호르몬을 만드는 고환의 세포는 방사선 감수성이 낮아, 호르몬의 생산은 방사선의 영향을 쉽게 받지 않는다.
표 5. 1회 전신피폭 선량과 혈액 변화와의 관계
표 6. 혈액 정상범위 및 평균치
(1mm2 중)
표 7 a) 남성에 일시적 불임 또는 영구불임을 일으키는 고환의 문턱선량
b) 여성에 일시적 불임 또는 영구불임을 일으키는 난소의 문턱선량
(ii) 난소
난소는 난자를 만드는 곳이다. 난원세포 → 1차 난모세포 → 2차 난모세포 → 난자의 순으로 난자가 형성된다. 특히 인간과 같은 포유동물에서는 난원세포는 암컷의 체내에서 증식을 완료하여 난모세포가 되고, 출생후는 수컷의 정원세포에 상당하는 난원세포는 존재하지 않는다. 난모세포는 방사선 감수성이 높아 난자보다 죽기 쉽다. 조사에 의해 호르몬 기능이 교란되어 월경불순이 일어나는 경우도 있다. 유전적 영향에 대해서는 뒤에서 자세히 살펴보겠다.
④ 피부에 대한 영향
피부는 표피와 진피로 나누어지는데, 진피 아래에 피하조직이 있다. 조직학상 다음과 같이 이루어져 있다.
각질층(자연적으로 박리되는 부분), 과립층
표피(40～100μm)
피부 기저층(세포분열이 나타나고, 박리된 세포를 보충함)
진피
피부의 방사선 피폭은 표면부터 40～100μm 이내인데, 세포분열을 하는 기저층이 받는 선량이 문제된다. 방사선 방호상에서는 기저층의 깊이는 표면에서 70μm이다. 피부에는 손톱, 털, 피지선이 부속되어 있다. 털은 수명이 있어서 탈모되고, 다시 만들어져 보충된다.
방사선에 의한 피부의 변화로는 탈모와 홍반(피부가 붉어지는 증상)이 흔하다. 1회 조사의 경우 선량과 피부 장해와의 관계는 표 8과 같다.
표 8. X선, β선의 1회 선량과 피부의 급성변화와의 관계
⑤ 위장관에 대한 영향
위장관 가운데 방사선의 영향을 받기 쉬운 것은 소장이다. 소장이 10～15Gy 이상의 방사선을 받으면 소장의 상피세포가 장해를 받는다. 그리고 장의 운동, 소화액의 분비 등 장의 기능이 상실된다. 상피세포의 세포분열이 저지되기 때문에 점차 상피세포의 수가 부족하게 되어 장의 표면이 노출된 결과, 수분, 전해질이 신체로부터 손실되고 또 세균이 혈액속에 침입하여 사망하게 된다. 선량이 10～15Gy 이하이면 항생물질의 사용, 수분․염류의 보급, 영양의 보급을 통해 치료가 가능할 때도 있다.
상피세포는 0.5Gy 이상의 선량에서 변화를 일으키지만, 5～6Gy 이하의 선량이면 회복한다. 그러나 상피세포가 회복되어도 조혈기관의 감수성이 높은 사람중에는 조혈기관의 장해로 사망하는 사람도 있다.
⑥ 만성영향
만성영향이란 방사선 피폭 후 상당 기간을 거쳐 나타나는 영향을 말한다. 방사선의 피폭과 증상의 발견 사이에는 장기간이 경과한 후에 방사선 이외의 다른 원인에 의해서도 방사선에 의한 것과 같은 증상이 나타나기 때문에 인과관계를 규명하기가 어렵다. 피폭의 상황 등을 충분히 고려하여 합리적인 판단을 내려야 한다.
주요 만성영향으로는 악성종양(백혈병 포함)의 발생, 조직에 대한 부분적 영향(백내장, 불임 등), 수명의 단축, 성장과 발생에 대한 영향(배, 태아에 대한 영향) 등을 들 수 있다.
(i) 악성종양의 발생
방사선에 의해 조혈기관, 피부, 뼈, 폐, 갑상선, 유선 등 많은 기관, 조직에 악성종양이 발생한다는 사실이 알려져 있다. 방사선의 피폭으로부터 악성종양 출현까지의 잠복기는 기관, 조직에 따라 다르지만 백혈병의 경우는 25년, 기타 기관에서 10년～평생 동안이다.
악성종양은 피폭된 사람 모두에게 발생하는 것은 아니고 그중 몇 사람에게서만 발생한다. 예를 들어 백혈병의 경우를 생각해 보자. 일본의 히로시마, 나가사키에서 많은 사람이 고선량의 원폭방사선을 받았기 때문에 백혈병이 증가했다. 그 결과는 그림 10에서 보는 바와 같다.
저선량 영역(0.2Sv 이하)에서는 발생률이 1/2이 된다고 가정하여 직업상 피폭한도인 0.05Sv를 1회 받으면 10만명 중 40년간 매년 0.7명이 백혈병에 걸린다는 결과가 된다. 일본에서의 백혈병 자연발생률은 10만명중 매년 약 4명이기 때문에 10만명이 전원 0.05Sv를 받으면 백혈병의 발생은 자연발생률에 0.05Sv의 방사선에 의한 증가분을 더해서 매년 4.7명이 된다. 발생률의 증가는 약 20%에 불과하다. 자연발생률은 매년 약간의 변동이 있기 때문에 20% 증가를 검출하기는 그렇게 쉽지 않다. 이 때문에 0.05Sv/회 정도의 피폭에도 실제로는 백혈병의 발생이 증가하는지 어떤지 알기 어렵다.
또한 원폭방사선은 암에 의한 암 사망자의 증가 데이터는 각 연령층 별로 자연발생률에 비례하여 증가한다는 상승 리스크 모델과 일치한다.
(ii) 내부피폭에 의한 간암과 골수암의 발생
미국 등에서 우라늄 광산에서 일하던 광부의 간암 발생 보고가 있었다. 우라늄의 붕괴에 의해서 생긴 광석중 라듐의 딸핵종인 기체 라돈과 라돈의 붕괴에 의해 생기는 공기중의 라돈 A, B, C가 폐에 흡수되기 때문에, 기관지 및 허파꽈리가 이들 핵종이 내는 조사를 받아 간암이 발생한 것이다.
또 야광도료로 사용되는 라듐-226을 시계의 문자판에 붓 끝으로 칠을 하던 미국의 공원이 잠복기가 평균 10년으로 골수암에 걸려 사망하였다. 단, 골수암을 발생시키기 위해서는 골수암 발생 부분에 수Gy 이상의 선량조사가 필요하다. 라듐은 신체 가운데 99%가 뼈에 집중하는데, 방사능으로 표현하면, 3.7×103Bq(0.1μCi) 이상의 라듐-226에 신체가 노출된 사람만이 골수암에 걸리고, 3.7×103Bq 이하의 사람은 골수암에 걸리지 않았다.
라듐 이외에 뼈에 잘 모이는 핵종(好骨性 核種)으로는 플루토늄-239, 스트론튬-90 등이 있다. 모두 뼈속에 체류시간이 길고 골수암을 발생시킬 위험이 있으므로 신체로 침투하지 않도록 특히 엄격한 방호수단을 강구할 필요가 있다.
(ⅲ) 백내장의 발생
눈이 수백Gy 이상의 선량을 받게 되면 결막이나 각막에 각각 결막염이나 각막염이 생기지만, 수정체에는 방사선에 의한 만성영향으로 수정체의 혼탁, 즉 백내장이 생긴다.
눈의 수정체 혼탁은 현미경으로만 검출되는 것에서부터 육안으로도 판별할 수 있는 것까지 여러 단계가 있고, 시력장해를 일으키는 것도 있다. 시력장해를 일으킬 수 있는 백내장은 X선의 경우 단기간에서는 2～10Gy, 장기간에서는 0.15Gy/년 이상의 선량에 의해 생긴다고 알려져 있다.
선량-효과 관계는 직선형이 아니고, S자형(Sig moid형)으로 한계치(문턱선량)가 있는 것처럼 보인다. 방사선에 의한 백내장의 잠복기는 긴데, 원폭피폭 후 5년 후에 발생된 예가 보고되어 있다.
중성자선은 γ선, X선에 비해 백내장을 일으키기 쉽기 때문에 5～10배 효과가 있다(RBE=2～10) 생리적인 노화현상의 하나로 노인성 백내장(老人性 白內障)이 나타나기도 한다. 그 발생부위로부터 판단하여 방사선 백내장과 구별하기 쉽다는 주장도, 구별하기 어렵다는 주장도 있다.
(ⅳ) 수명의 단축
생쥐(mouse)나 쥐(rat)와 같은 동물에 전신조사하면 선량에 의해 어떤 것은 사망하고 어떤 것은 살아 남는다고 앞에서 이야기한 바 있으나 사망하지 않은 것은 회복하여 정상적으로 보이기도 한다.
그러나 그후 조사되지 않은 것보다 빨리 사망한다. 결국 수명이 단축된다. 암 등 악성종양에 의한 사망을 제외하더라도, 결국 비조사된 정상동물보다 빨리 사망한다. 조사동물의 생존시간과 선량과의 관계는 그림 12와 같이 동물에서는 어느 정도 이상의 방사선에 의해 비조사된 동물보다 평균수명이 단축된다.
표 9. 정상(비 조사) 마우스와 미량 조사한 마우스의 생존 일수 비교
그러나 방사선을 동물에게 매일 조금씩 조사하면, 조사하지 않은 것에 비해 표 9에서 제시한 것처럼 수명이 어느 정도 늘어난다고 보고되고 있다. 이 현상은 방사선 호르미시스라 부른다. 그 원인은 소량의 방사선에 대해 과잉방어하여 감염에 대한 저항력이 강해지기 때문이라고 해석된다.
그런데 인간에 대해서, 통계로 나타난 각 연령에서의 사망률의 대수를 취하여 이것과 연령과의 관계를 조사하면 어떤 연령 이상에는 직선적으로 사망률이 상승한다는 사실이 오래전부터 알려져 있다.
이것을 수학적으로 표시하면 다음과 같이 된다.
Rm＝R0eαt
여기서 Rm은 어떤 연령 t의 사망률, R0는 상수로서 연령 0에서의 가상적인 사망률, α도 상수이다. Rm의 대수는 t와 직선적으로 상승한다. 이 함수의 형을 Gompertz 함수라 부른다.
연령 A에서 방사선을 받으면, 사람의 사망률은 C에서 D로 급격히 상승하고, 그후에는 사망률이 연령에 따라 비조사인 경우의 직선 1과 평행한 직선 2와 같이 상승한다. 방사선이 수명을 (B-A)만큼 단축시킨 것이다. 또는 (B-A)만큼 노화가 진행되었다고 해도 좋다.
인간의 경우 수명 단축을 확인하기는 곤란하지만 다음과 같은 조사결과가 있다. 즉, 미국에서의 조사에 의하면 방사선을 무방비로 취급할 기회가 많았던 과거의 방사선과 의사는 다른 과의 의사보다 수명이 약 5년 단축되었다. 그러나 영국에서는 동일한 조사에 따르면, 방사선과 의사의 수명단축에 대해서는 확실한 영향을 확인할 수 없었다.
(ⅴ) 태아에 대한 영향
태아는 신체 장기가 아직 충분히 성장하지 않은 상태이기 때문에 태아의 조직은 발육, 신진대사가 왕성하다. 이와 같은 조직은 방사선에 대한 감수성이 높다. 방사선량이 높으면 방사선에 의한 기형이 생기는 것으로 알려져 있다(그러나 일본의 현재의 기형 발생원인의 8할은 부모가 복용한 호르몬제, 감기약 등 약제에 있다고 함).
히로시마, 나가사키 원폭 피폭자의 임신부 중에는 지능이 낮은 소두아(小頭兒)를 출산하였다. 임신 8～15주에 피폭된 경우가 가장 발생률이 높고, 유발 문턱선량은 0.12～0.2Sv로 알려졌다. 또 모친의 태내에 X선 진단때문에 방사선을 받게된 아이들 중에 출생후 백혈병의 발생률이 높다는 조사가 있다.