自1895 年倫琴發現 X 射線以來，電離輻射研究不斷深入，應用領域不斷拓展。近年來電離輻射事故頻發，對人類健康和環境產生了危害，引起了公眾的輻射恐懼，但也促進了電離輻射的生物效應及健康影響的研究。最初的研究主要集中於電離輻射對人體產生的有害效應，隨著技術的進步和防護水平的提高，大劑量輻射損傷越來越少，人們在工作過程中和環境中受到的輻射主要為低劑量輻射。低劑量電離輻射與中、高劑量電離輻射產生的效應有本質區別。近年研究發現低劑量電離輻射能夠誘導機體產生有益的健康效應。通過介紹電離輻射的來源、生物效應和健康影響，分析低劑量電離輻射誘導的興奮效應和適應性反應，以引導人們正視電離輻射，消除輻射恐懼。
輻射的歷史背景
輻射的定義
輻射是能量以粒子或者電磁波的形式在空間傳播的過程，例如太陽將光能輻射到地球，火焰將熱能輻射到周圍等都是輻射。所謂粒子輻射，包括放射性核素發射的α粒子、β粒子、正電子等。而γ核素發射的γ射線和 X線管發出的 X射線則屬於高頻電磁波，具有波粒二象性，又稱為光子。當粒子或者光子的能量大於 12eV時，能夠引起原子的電離，稱為電離輻射，能量低於12 eV 的輻射不能夠引起原子的電離，稱為非電離輻射，也就是狹義的電磁輻射，例如移動通訊相關的微波輻射。以下主要介紹電離輻射的生物效應和對健康的影響。
電離輻射的應用及損傷簡史
1895年倫琴發現 X射線，不久人們就意識到了電離輻射會危害健康。1896年 1月末，美國的格魯柏在製造 X射線管並進行 X射線實驗時，手上發生了皮炎，以至晚年做了手和手指的部分切除手術。1896年 3月，美國的埃迪森在改進 X射線管和製造 X射線熒光透視裝置時，數小時後感到眼痛，繼而發生了結膜炎。1896年4 月，美國的丹尼爾在用 X 射線確定頭顱中異物位置時，發現了 X射線對頭髮有脫毛作用。1896年 7月，德國的馬修斯記述了 X射線透視後引起脫毛和皮炎。20世紀初，由於沒有認識到X射線的輻射危害，人們曾經通過照射大劑量X射線為女性去除身體上的毛髮，後來這些女性皮膚出現了皺紋、色斑、感染、潰瘍，甚至皮膚癌。
1898年，居里夫婦發現了鐳，1899年 4月，法國物理學家貝可勒爾從居里夫婦那裡借來少量鐳鹽，將放有鐳鹽的小瓶裝在襯衣口袋裡走了幾個小時回到自己的實驗室，幾天後在口袋後面的皮膚上出現了燒傷，事後他說：“我愛鐳，但也恨它”。居里夫人由於長期從事鐳及其他放射性物質的研究工作，身體受到過量的照射，造血組織受到嚴重的輻射損傷，1934年 7月死於白血病。她的女兒伊倫娜·居里，人工放射性同位素的發現者，也死於白血病。20世紀早期夜光錶盤塗鐳女工用舌頭舔沾有鐳粉的筆尖，攝入鐳粉發射的α粒子和 γ射線，照射使很多工人患上了嚴重的貧血。
1930—1960 年，醫學界把輻射看作是時髦的診斷和治療手段，卻缺乏對輻射遠期效應的認識，病人由於接受高累積劑量而誘發過多的白血病、骨腫瘤、肝癌等惡性腫瘤。20世紀 60年代以後，人們對輻射危害健康的認識逐漸深入，加強防護，輻射危害越來越少。
科學家研究發現，輻射對人體的危害是與照射劑量相關的，事故情況下大劑量照射會引起死亡、癌症和急性放射病等健康危害，而多數人群受到的天然輻射和人工照射劑量一般不超過 100 mGy，屬於低劑量照射，危害很小甚至還會出現有益的健康效應。
電離輻射的來源
根據輻射的來源可將電離輻射分為天然輻射和人工輻射。天然輻射包括宇宙射線、宇生放射性核素和原生放射性核素。宇宙射線的強度隨海拔高度的增加而增大，因此高原地區的人群受到的宇宙射線照射劑量比平原地區的人群高。在海平面上，宇宙射線對人體的年平均照射當量劑量約為0.3 mSv，然而居住在高海拔地方（例如中國拉薩）居民接受的年劑量是居住在近海平面高度的人的數倍。在飛機飛行的高度，宇宙射線的強度比地面高得多，在洲際航線的巡航高度上，劑量率可以達到地面值的 100 倍。陸地上的土壤、岩石、水和自然界中的鈾-238、鈾-235、釷-232、鐳-226、氡-228、鉀-40等可放出射線，這些天然射線的照射就是天然本底輻射。世界上有些地區，由於地表層含有高濃度的鈾、釷，使地表γ射線劑量高於一般地區，稱為高本底地區，例如，印度的克拉拉邦、巴西的大西洋沿岸以及中國廣東省陽江市的部分地區。天然輻射源對成年人造成的平均年有效劑量約為2.4 mSv。
人工輻射的主要來源有核設施、核技術應用以及核爆炸產生的輻射，其中醫學檢查和診斷的輻射是最大的人工輻射來源。醫療照射來源於X射線診斷檢查、體內引入放射性核素的核醫學診斷以及放射治療過程。美國接受醫療照射劑量約為 3.0 mSv/y，已經超過了天然輻射照射的 2.4 mSv/y。目前中國的人均醫療照射劑量約為 0.6 mSv/y，儘管這一數字並不算高，但是近年增高的趨勢明顯。
電離輻射的生物效應和健康影響
電離輻射在機體內的作用機制
電離輻射對生物大分子的作用分為直接作用和間接作用。直接作用是指射線的能量直接作用於生物分子，引起生物分子的電離和激發，破壞蛋白質、核酸、酶等生物大分子的結構和功能。在照射大劑量時，處於分裂間期的細胞可因細胞遭到破壞而立即死亡。間接作用是指射線首先作用於水，引起水分子的活化和自由基的生成，自由基再作用於生物分子，造成損傷。電離輻射對人體產生的作用主要是通過誘導生物體發生電離反應生成自由基，生成的自由基會引起人體內分子、代謝、基因等多方面發生變化。這一過程會根據電離輻射受照時間長短的不同，而導致機體出現微損傷、細胞死亡、輻射誘發疾病等現象。
電離輻射在機體內的生物效應
電離輻射可以誘發基因突變,如果突變發生在體細胞，就可能誘發白血病、皮膚癌、肺癌等各種癌症；如果性腺受到照射，突變發生在生殖細胞，就會引起後代智力低下和先天性畸形等遺傳效應。電離輻射誘發的癌症和遺傳效應不存在閾值，發生的概率和照射劑量成正比，稱為隨機效應。事故情況下，大劑量照射引起較多的細胞死亡或受傷，細胞數目減少或功能受損，影響了受照射組織器官的功能，表現為確定性效應，如急性放射病，造血功能障礙。輻射在分子、細胞、組織器官和機體水平的生物效應如圖1所示。
圖 1 輻射生物效應示意
電離輻射對機體產生的健康影響
生物效應是對環境中的刺激物或者改變做出的可以檢測到的反應。這些改變並不一定對你的身體健康有害。比如聽音樂，讀一本書，吃一個蘋果都會產生一系列的生物效應。但是這些活動中沒有一個會被懷疑具有健康風險。那麼，人們日常接觸到的電離輻射是否對人體產生健康影響呢？電離輻射因其在歷史上曾發生的慘痛事故和本身的不易感知性使人們懼怕。其實，電離輻射對人體產生的危害，通常是在中高劑量的情況下發生的。中高劑量的電離輻射主要包括核輻射、γ射線、強紫外線等。當人體接觸到這些高劑量電離輻射時，如防護措施不當，受照射劑量超過一定的限度時，輻射就會對人體發生有害作用，主要表現為引起一系列的放射病，嚴重時可使機體的器官、系統發生病理性改變，其中神經系統、消化系統以及造血器官的改變最為明顯。電離輻射對機體的損傷可分為急性放射損傷和慢性放射性損傷。急性放射性損傷由一次或短時間內接受大劑量照射所致，常發生於事故性照射；慢性放射性損傷是由長期接觸小劑量照射所引起的，常見於長期接觸醫療放射的工作人員。
電離輻射雖然不像電磁輻射那樣與人們息息相關，卻也算得上無處不在。人們曬太陽會接觸到紫外線帶來的輻射，飛行機組人員、宇航員會接觸到宇宙輻射，就醫的病人和放射科醫師會接觸到醫學輻射等。而這些輻射因其輻射量有限，只要防護得當，都不會對人體健康造成嚴重的危害。
在 2010年美國一份對人體吸收輻射量的來源統計中，人體通過醫療、自然環境、宇宙射線及電子產品吸收的輻射量還不足輻射總吸收量的 1/2。當下最令人們避之不及的醫療輻射和日常生活中常接觸的安檢掃描、陰極射線顯像管等均屬於低劑量的電離輻射，那麼，究竟如何界定低劑量與高劑量電離輻射呢？
低劑量電離輻射的生物效應和健康影響
低劑量電離輻射致癌風險和線性無閾模型
低劑量電離輻射在學術界沒有嚴格的定義。國際輻射防護委員會 1991 年 60 號出版物建議，劑量低於0.2 Gy，或劑量高於 0.2 Gy但劑量率低於 0.1 Gy/h的輻射為低劑量電離輻射。在低劑量輻射風險評估中，2006年美國等國家將當量劑量低於 100 mSv，劑量率低於0.1 mSv/min的輻射定為低劑量輻射。
多數人群受到的天然輻射和人工照射劑量一般不超過 100 mGy，屬於低劑量電離輻射，例如，中國陽江高本底輻射地區居民人均輻射劑量僅為每年 1.96 mSv，切爾諾貝利事故後的清理工人的人均輻射劑量為年均50 mGy等。低劑量電離輻射是一種微弱的環境刺激因子，一般不會引起明顯的組織損傷和嚴重的器官殘疾，人們主要關注的是低劑量輻射的遺傳效應和輻射致癌風險。有關低劑量（率）輻射的遺傳效應，只是在離體細胞和動物實驗中發現遺傳效應的顯著增加，但在人群流行病學調查研究中，並沒有發現遺傳效應的顯著增加，因此公眾和科學界主要關心的是低劑量輻射的致癌風險。
目前低劑量輻射致癌風險分析採用線性無閾模型（linear non-threshold，LNT），即輻射致癌不存在劑量閾值，輻射誘發癌症的概率與照射劑量成正比。但是，近年研究發現的低劑量輻射誘導的興奮效應和適應性反應使人們對 LNT模型提出了質疑。2005年法國科學院和醫學科學院聯合報告指出：線性無閾模型不適用於<100mGy的低 LET輻射致癌風險評估，制定輻射防護政策時要考慮低劑量輻射誘導的適應性反應和興奮效應等有益的健康影響。澳大利亞輻射防護協會也持有與法國相同的觀點。
低劑量輻射的興奮效應
興奮效應（hormesis）是指細胞或者機體對環境因子刺激的一種雙相反應，即低劑量環境因子刺激細胞或機體，會產生一種與大劑量刺激相反的效應。興奮效應最早是指低劑量化學毒物的刺激作用。19世紀，微生物學家Schulz觀察到重金屬和有機溶劑對酵母生長的促進作用後，認為這種現象可能普遍存在於各種化學物和生命體，進而提出了Arndt-Schulz 定律，即弱刺激加速生命力，中等強度刺激促進生命力，強刺激抑制生命活力，但過強刺激卻能致死。
低劑量輻射能激活細胞廣譜防禦性表觀遺傳信號，上調適應性相關基因表達，誘導應激蛋白產生，清除自由基，增強DNA損傷修復能力，誘導細胞通過凋亡或者自噬清除癌前細胞和突變細胞，這些作用都有利於細胞抵抗輻射損傷，降低輻射誘導的癌症和非癌疾病的發病率和死亡率，延緩神經退行性疾病的發生，延長個體壽命。
許多輻射流行病學調查研究也支持低劑量誘導興奮性效應有益於健康的觀點。中國高本底輻射研究發現，高本底地區居民平均照射劑量為2.31 mSv/y，顯著高於對照地區居民平均 0.96 mSv/y 的受照劑量，然而40~70歲的高本底地區居民的癌症死亡率和發病率顯著低於對照地區。巴西、埃及、伊朗和印度高本底地區居民天然照射劑量是美國居民平均天然照射劑量的 20倍，但研究發現，這些地區居民的癌症發病率和死亡率與對照地區相比沒有顯著增加，甚至還有所降低。
法國科學院 2005年發表的報告，系統總結了低劑量照射有益的健康效應：1）蘇聯Mayak核設施 21500名放射性鈈作業工人實體癌發病率降低；2）切爾諾貝利核事故發生後，8600名清理現場的工人受到的平均照射劑量高達500 mGy，但這個人群的全癌死亡率比前蘇聯一般人群低 12%；3）3個國家 96000名核設施作業工人受到的總的照射劑量超過 400 mSv，然而白血病死亡率只有預期值的一半；4）20年內受到的照射劑量超過 200 mGy的放射科醫師和技師的癌症發病率沒有明顯增加；5）46740 名飛行機組人員（大部分來自歐洲）受到照射劑量超過 1.5 mGy/y，然而癌症發病率沒有增加；6）重複接受低於 100 mGy放射診斷的病人白血病發病率沒有增加；7）切爾諾貝利事故後 200萬受照兒童中沒有出現超額甲狀腺癌風險。
英國某機構對 1897—1997年在醫院接受放射治療的肺結核和乳腺癌患者的癌症死亡風險進行分析，結果表明醫學照射劑量為 0.75~2.00 Gy的患者癌症死亡風險明顯下降，呈現出了明顯的興奮效應曲線。
各種醫學診斷致患者和受檢者的吸收劑量如表 1所示。從表 1中可以看出，絕大多數輻射放射診斷導致的吸收量都在 100 mGy以下，屬於低劑量電離輻射，會引起興奮效應，因此人們沒有必要過度擔心放射診斷的輻射致癌風險。
表1 醫療輻射劑量及其興奮效應
比較美國山區和美國東南部每105人中每年因癌症死亡的人數表明，居住在高海拔山區的美國人接受的氡輻射量比生活在東南部州的人高5倍，但其癌症的死亡人數和肺癌的死亡人數都相對較低（表 2），其原因可能是山區居民受到的高於正常水平的氡暴露誘導了興奮效應，增強的 DNA損傷修復能力降低了細胞的自發突變率，通過凋亡清除了自發轉化的癌前細胞，降低了癌症發生率和死亡率。
表2 美國山區和東南部癌症死亡人數比較
低劑量輻射誘導的適應性反應
適應性反應（adaptive response，AR）是指預先給予生物體以低劑量遺傳毒性的刺激因子後，生物體對之後受到的相同或類似刺激因子的高劑量暴露產生一定的保護作用，明顯降低高劑量暴露所帶來的損傷。低劑量電離輻射引起的適應性反應是指預先給予生物體低劑量輻射，可以使生物體對隨後的大劑量輻射產生抗性，減輕大劑量照射產生的損害作用。
1984年 Olivieri等報道了低劑量輻射誘導的適應性反應。他們在實驗中發現，人外周血淋巴細胞在含有 3.7 kBq/ml 3H-TdR 的放射性培養基培養後，再用150 cGy X 射線照射，結果 150 cGy X 射線誘導的染色體畸變率比預期值減少 70%。隨後，科學家用不同的實驗模式對低劑量輻射誘導的適應性及其機制進行了研究。
低劑量輻射誘導的適應性反應和興奮效應機制相似。從輻射生物效應產生的過程來看，低劑量輻射和大劑量輻射對生物體作用的本質是一樣的，即輻射粒子（光子）通過引起生物大分子的電離，引起生物大分子結構和功能的改變，這種單位輻射劑量對細胞的“微損傷”或內穩態的“微擾動”，激發了細胞的防禦機能，即活性氧清除能力的增加，DNA損傷修復能力的增強，細胞週期和凋亡的改變等。這種防禦機制可以持續幾個小時到數週，在此期間生物體暴露於大劑量輻射或受到其他有害因素時，持續存在的防禦機制就會減輕大劑量有害因素產生的損傷，比如通過 DNA損傷修復降低突變的發生，通過增強機體免疫，增強凋亡清除其他因素誘導的癌前細胞或者轉化細胞，降低癌症發生率。可以說低劑量輻射誘發的興奮性效應和適應性反應是低劑量電離輻射損傷的“過度修復”和“延長修復”。
人們都知道吸菸可以引起肺癌，低劑量放射引起機體的“微損傷”激發人體的保護機能和損傷修復機能，可以降低吸菸引起的肺癌危險。調查發現，暴露於<100 mSv 低LET 照射的核設施工人、放射醫師和接受放射診斷的病人肺癌發病危險度降低 40%。氡及其子體發射的 α輻射也可以降低吸菸引起的肺癌發病率和死亡率。在美國洛基山區各州生活的人比在美國東南部生活的人年均接受的氡輻射量高 5倍以上，但是在洛基山區各州的居民癌症死亡率卻要低很多，這一結果主要是由於氡輻射誘導的適應性反應對吸菸致癌作用的拮抗。
結 論
人們生活在輻射環境中，天然照射和醫學照射不可避免。在某些事故發生的情況下，大劑量照射確實能夠損傷人體。但是，只要採用適當的防護措施，就可以在利用輻射的同時把輻射的危害降低到人體可接受的水平。大多數普通人受到的環境天然照射和醫療照射均屬於低劑量照射，對人體健康危害極小，甚至沒有危害。研究表明，低劑量輻射誘導的興奮效應和適應性反應對人體還存在著有益的健康效應。因此，人們要正確認識輻射，消除恐懼心理，讓輻射在醫學、工業和科研等領域造福人類。（責任編輯 田恬）
基金項目：國家自然科學基金項目（K113931113）
參考文獻（略）
作者簡介：曹毅，蘇州大學醫學部公共衛生學院，教授，研究方向為輻射毒理學；謝文（共同第一作者），蘇州大學醫學部公共衛生學院，碩士研究生，研究方向為輻射毒理學。
注：本文發表於《科技導報》2018 年第15 期。敬請關注。
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