作者：徐磊 | 评论(0) | 标签:日本核辐射

不幸遇到东邻日本曝核辐射危机，弄得国内人心惶惶，之前还闹出民众抢碘盐的恐慌，科普宣传看来是非常必要。当然新闻媒体和大家一样关心核辐射可能带来的一些健康问题，因此也有请教相关的专家并在电视，网络上提供了一些必要的资料。 应该说这些媒体在关于核辐射的科学知识普及上的工作也是做得算是可圈可点。只是由于自己也从事科学研究（当然不是核辐射方面的，我本人是生物物理专业，专攻荧光光谱和荧光显微技术在生命科学中的应用）的关系，媒体提供的信息太少，不能满足我的好奇心，所以我就自己又搜索了一些资料，整理一下拿出来给大家分享。

比如说，现在大家应该都知道碘-131（一下称为I-131）因为衰变会辐射，但是新闻媒体很少有提及I-131参与的什么衰变，为什么会对人体健康带来危害等。简单得来说是I-131在衰变时会产生所谓的beta-衰变，beta-衰变指的是衰变时产生电子或者正电子的过程（两者统称beta 粒子）。插一句历史，辐射最早由方法国物理学家Henri Becquerel于1896年在铀中发现的，他与居里夫妇因为辐射方面的研究工作于1903年共同获得诺贝尔物理学奖。beta-衰变是离子辐射中的一种，另外常见的是alpha-衰变（衰变时辐射出二价氦离子）还有gamma-衰变（衰变时辐射出gamma射线）。总得来说，这三种离子辐射对生物体都可以造成损伤。其原因，简单地说，离子辐射过程中，原子或者分子受到能量激发会发生离子化（原子或者分子不再保持电中性），离子化会导致自由基的产生。自由基指的是没有缺失配对电子的原子，分子等，这种结构非常不稳定，具有很强的化学反应活性而很容易破坏DNA的结构（同时DNA也可以直接被辐射离子化从而导致结构被破坏），而可能导致基因变异，引发癌症等(http://en.wikipedia.org/wiki/Ionizing_radiation)。

但是有必要指出，变异从定义上而言虽然是从带有遗传密码编码信息的基因的改变并遗传给下一代的角度上来说，但是基因的复制和表达以及产物的编译后修饰的过程中都需要很多已经存在多种蛋白的参与（当然这些蛋白本身也是基因表达的产物），如果参与调控的蛋白本身的化学结构因为各种原因，比如辐射，发生改变从而失去其正常的生理功能的话，基因的复制和表达过程以及表达产物的编译后修饰过程都会有影响，这会导致更多的生成的蛋白产生非正常生理情况下的各种化学结构，从而导致它们行使与正常生理情况下非常不同的功能，并且不再受到原本机体的严格调控。大家谈癌色变，事实上癌症从本质上来说，就是由于某个群体的细胞在各种原因刺激下丧失了机体本来对它们所具有的严格控制，结果疯狂地增值，入侵周边组织或转移到其他领地，强占养料以继续维系癌变组织的疯狂生长(http://en.wikipedia.org/wiki/Cancer)。当然不难想象，这种对生存资源的疯狂掠夺，会致使其他正常组织缺失足够的养料以维持其正常生理功能导致这些组织中的细胞大量死亡，最终会导致机体本身的死亡。

转回去说辐射，我们已经知道辐射可能会对生物体产生各种损伤，甚至癌症和机体的死亡，但是辐射也可以为人所用，比如癌症治疗当中的辐射治疗法就是利用某些粒子的离子辐射来杀伤癌变组织和细胞。于是大家可能会疑惑，辐射可以导致癌症，也可以用于治疗癌症，很奇怪不是吗？不奇怪，这实际上和辐射的剂量是有关的。可能会让很多人觉得奇怪的是，高剂量的辐射不仅不会导致癌症，反而可以用于癌症的治疗。反而是中低剂量的辐射可能诱发癌症。另外，当剂量低到一定程度的时候，辐射对生命体又会毫无没有影响(http://en.wikipedia.org/wiki/Ionizing_radiation)。第三个情况对于大家应该都比较好容易理解。比较让普通人难以理解的是第一个和第二个情况。而事实上，高剂量的辐射可以直接杀死靶细胞，被杀死了也就不会变异了(当然治疗情况下的接受高辐射和在环境中接受高辐射是非常不同的，前者是高度集中在癌变组织部位，后者是全方位的)。比较糟糕的是第二种情况，中低剂量的辐射。这种情况下，细胞不足以直接辐射出来的射线被杀死，但是却可能因为上述机制导致机体失去了对体内各个部分的严格调控，从而可能引发灾难。这也是为什么在辐射治疗当中，中低剂量的辐射越来越少用于治疗了(http://en.wikipedia.org/wiki/Iodine-131)。

由此可见，辐射导致的安全问题，关键是剂量的问题。这就是为什么定量分析非常重要的原因，这里我给出一个链接，其中有给出各种剂量的辐射对不同脏器造成的损伤的列表(http://en.wikipedia.org/wiki/Radiation_poisoning)。

由于好奇，我想通过简单的数学模型计算一下日本福岛的核辐射飘到中国的剂量于当地的剂量的比值。我们知道辐射随时间延长（因为发生辐射的粒子具有半衰期）和距离的传播都会降低。假设辐射源的辐射量为N0，伴随着粒子比如I-131的衰变t时间后，其辐射的量会减弱到N0*2^(-t/t0) (http://en.wikipedia.org/wiki/Radioactive_decay), 其中t0为I-131的半衰期，即8天(http://en.wikipedia.org/wiki/Iodine-131),公式中的^表示上标。而辐射量随距离传播的变化规律，在均相性 (isotropic) 比如没有风向影响(实际情况是会存在风向的，即物质在各方向传播距离r的浓度分布并非像假设中的均一) 的情况下遵循所谓的inverse-square law (http://en.wikipedia.org/wiki/Inverse-square_law), 因此原地N0的辐射量经传播距离r之后，其量度会降低为N0*r^(-2) (公式1)。如果我们假设I-131的衰变过程与传播路径完全无关(independent,当然这个假设未必准确，我这里只使用最简单的数学模型)，那么经过时间t和传播距离r之后，N(t, r) = N0*2^(-t/t0)*r^(-2)， 或者N(t, r) / N0 = 2^(-t/t0)*r^(-2) (公式2)。如果我们考虑辐射物质传播形式，假设没有风，完全靠I-131在空气中的热运动(布朗运动)来传播，传播距离r=sqrt(6*D*t) (公式3,http://en.wikipedia.org/wiki/Random_walk)，其中D为I-131的扩散系数，t为在三维空间上扩散到直线距离r的时间，sqrt表示对括号内的数求平方根。由于我没有找到I-131在空气中的扩散系数的实验测量数据，但是我们可以(这个误差会很小，见下文注解1)依据I-127(自然中最主要存在的碘的同位素) 的测量数据0.072 cm^2/s (http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/19891456, 来计算单纯通过布朗运动扩散距离r需要的时间。根据google 地图，可知日本福岛核泄露的核电站距离中国直线距离最近的大概是延边朝鲜自治州，在根据http://www.daftlogic.com/projects-google-maps-distance-calculator.htm 计算得知两地的直线距离为1090.465 公里，为简化计算(这样计算只会使得最终计算的辐射量的结果比依照该数学模型应得的结果更大)我们使用1000公里即10^6 m，那么单纯靠自由扩散到这么远的距离依据公式3需要大约2.3*10^(16) s 约2.66*10^11 天(或者大约7千2百九十万年)，显然单纯靠自由扩散也许人类早搬离地球了福岛的核辐射也飘不到中国。当然，这个计算只是说明I-131扩散单纯靠热运动的假设是完全错误的，我们自然是不可以忽略风，或者洋流的作用。由于我对大气运动和洋流运动是彻彻底底的门外汉，而且可以想象这其中所涉及的数学模型是非常非常复杂的，大概也需要天河一号(http://baike.baidu.com/view/2932264.htm) 那样变态的巨型计算机才可以在合理的时间内完成那样极其复杂的计算(说个题外话，我觉得中国人为天河一号的成功研制感到自豪是应该的)，所以我就不无谓地花时间琢磨一个数学模型来计算从福岛的核辐射飘到中国所需的时间了。通过媒体报答得知，日本3月11日首次发现核泄露之后(http://en.wikipedia.org/wiki/Fukushima_I_nuclear_accidents)，中国黑龙江省3月26日已经检测到微量的I-131(网上的转贴新闻很多，我就不花力气找新闻源了),按照这个来看扩散到中国花了15天，大约为I-131半衰期的两倍(由于这种算法本身不具有统计学意义，所以不必那么精确)，那么根据公式2传播1000公里后在中国的辐射量会是福岛核反应堆辐射源的辐射量的2.5*10^(-13)。我这样粗略的计算结果自然是不足以信，不过即便实际比这个大好几个数量级，中国居民似乎也确实不必太担心日本核辐射对我们的影响了。抵制从日本进口农副产品应该还是有必要的——我们毕竟没有必要花钱把辐射源运到身边来，希望国家抵制之后，不会有不法商贩做这种伤天害理的事情。

关于I-131,我之前还很好奇为啥它喜欢袭击人的甲状腺，现在知道是因为甲状腺要生产人体必需的两种用于调节人体生长和新陈代谢的激素triiodothyronine (T3) 和 thyroxine (T4) 都需要用到碘，看来是人体存在某种针对碘的主动运输(http://en.wikipedia.org/wiki/Thyroid_gland)。这个我就不去深究了是什么蛋白参与了。另外加一句，服用碘化钾有助于减弱I-131对甲状腺的攻击是因为如果正常的I-127已经满足了人体甲状腺的需要，甲状腺就不再会专门富集I-131,因而可以降低I-131引发的健康风险。当然这个大众媒体好像已经专门有提到，我点到为止。当然，尽管我上面的计算也许很不准确，不过中国的民众大概不用太担心通过空气传播过来的I-131带来的辐射的影响。就现在这个阶段，在我看来，防人祸更重要。另外，如果有研究核辐射安全的人士看到我这篇文章，认为有什么不妥的地方，欢迎指出以便我学习。同时，我也希望专业人士能够发布一些更专业一些的数据和文章并且用相对通俗的方式来解释给大众关于核辐射安全的知识，比如辐射检测仪器的原理，计算方式之类的。现在在大众媒体上公布的内容，在我看来信息量还是不够(当然我不知道有多少人的和我想法一致)，否则我也不用花这个力气自己搜集和整理上述的一些资料了。

注解1：使用I-127的扩散系数来代替I-131带来误差会很小。因为I-131和I-127的原子质量m的差别很小，假定两者的原子密度是相同的(当然这个会带来一定的误差，但是应该会很小)，那么两者的半径的差别r ~m^(-3)只会有大概1％的误差)，依据爱因斯坦－斯托克方程(Einstein-Stokes equation), D=Kb*T/(6*pi*eta*r), 其中Kb是波兹曼常数 (Boltzmann's constant),T是绝对温度，pi是圆周率，eta是介质即空气的粘滞系数，r则为粒子的半径，在相同的实验条件下测量的话只受粒子半径的影响，因此使用I-127代表I-131的扩散速率带来的误差也大概在1％左右。