Lärarhandledning del 3 - Fakta - Tips

Lärarhandledning del 3 - Fakta - Tips Uppdrag och tävling för skolklasser i åk 7-9 1

Fakta Strålning typer och uppkomst Strålning kan komma från många olika källor. Den fråga som oftast dyker upp är Hur farlig är strålningen?. Intensiteten, det vill säga hur mycket strålning man exponeras för är givetvis avgörande, men förutom det kan man säga att svaret beror på tre saker: vilken typ av partikel strålningen består av, vilken energi partiklarna har, och var i kroppen de absorberas. En väldigt enkel tumregel är att en tyngre partikel är potentiellt farligare liksom en partikel med hög energi. Vidare är även vissa av kroppens organ som lungor, benmärg och inre organ känsligare för strålning än huden och skelettet. De skador som strålning kan ge på levande organismer är antingen jonisation av atomer i cellen eller strängbrott på cellens DNA. Jonisation innebär att till exempel vatten i cellen splittras upp i laddade joner: H+ och OH-, vilket gör att cellens kemi förändras. OH- hör man ofta talas om i hälsosammanhang; den är en så kallad fri radikal och anses bidra till cellskador och cellers åldrande. Strängbrott på DNA är den allvarligaste formen av strålskada och kan uppkomma om en strålpartikel klipper av DNA. I de flesta fall lagar cellen DNA genom kopiering, men sådana skador kan även orsaka cancer. Här följer en sammanställning/ordlista som kan vara till användning om man vill fördjupa arbetet med strålning: Joniserande strålning. I stycket ovan talas om jonisation av atomer i cellen och det kan vara bra att veta att man ofta delar upp strålning i joniserande och icke-joniserande strålning. Skapandet av fria radikaler förutsätter jonisation. Till icke-joniserande strålning hör exempelvis vanligt synligt ljus, medan ultraviolett och röntgen (som också är vanliga ljuspartiklar, men med högre energi) är joniserande och alltså kan ge cellskador. Elektromagnetisk strålning är ljuspartiklar, det vill säga består av fotoner vilka är masslösa partiklar och samtidigt vågor. Det elektromagnetiska spektrumet delas upp med avseende på energi där radiovågor har lägst energi följd av mikrovågor, infraröda vågor, synligt ljus, ultraviolett ljus, röntgen och slutligen gamma. Ultraviolett, röntgen och gamma är joniserande, vilket alltså inte elektromagnetisk strålning av lägre energi är. Strålning från radioaktiva ämnen. Radioaktiva ämnen är ämnen med instabil atomkärna. Alla grundämnen har flera isotoper, som kan sägas vara olika varianter av ämnet. STRÅLANDE JORD - DEL 3 2

Isotoper av samma grundämne skiljer sig genom att de har olika antal neutroner i kärnan, men samma antal protoner. Att de har samma protonantal gör att de reagerar likadant kemiskt, men det är vanligt att olika isotoper av samma grundämne har olika radioaktiva egenskaper. Ett exempel är kol, med kemisk symbol C. Den vanligaste isotopen är C-12 som är stabil, det vill säga inte radioaktiv. En annan isotop är C-14 som är instabil och utstrålar partiklar, det vill säga den isotopen är radioaktiv. Det är C-14 man mäter för att datera arkeologiska prover. Om det finns mycket C-14 i ett prov är det modernt, det vill säga det organiska materialet har varit levande nyligen. Finns det däremot väldigt låga halter C-14 i provet är det mycket äldre; C-14-kärnorna har sönderfallit och därmed omvandlats till andra; icke-radioaktiva ämnen. När en radioaktiv atomkärna sänder ut partiklar är det partiklarna som utgör själva strålningen, och man säger att atomkärnan genomgår ett radioaktivt sönderfall. De olika partiklarna som kan sändas ut är alfapartiklar (ovanligt), betapartiklar (vanligast) och gammapartiklar (som enbart sänds ut tillsammans med en alfa- eller betapartikel). Dessa partiklar fick sina namn när de upptäcktes i början av 1900-talet och man ännu inte hade identifierat vilka partiklar det var. (På samma sätt kallades röntgenstrålning för partikel X eftersom man inte visste vad det var. På engelska heter röntgenstrålning fortfarande X-rays, medan det på svenska fått namn efter sin upptäckare; Wilhelm Röntgen). Nu vet vi att alfapartikeln (som upptäcktes först och därför fick namnet alfa) är en He-atomkärna, betapartikeln är en elektron och gammapartikeln är en foton. Av dessa är alfapartikeln allra tyngst och har därför större risk att orsaka strängbrott på DNA. Dock har en alfapartikel kort räckvidd och bromsas när det passerar material, även luft och hud. Generellt tränger inte alfapartiklar från radioaktiva ämnen igenom huden. Det finns dock ett ämne i vår omgivning som är i gasform och alfa-strålande och som vi lätt kan andas in; radon. Radonet som inandas hamnar i lungorna och alfapartiklarna kan då skada celler i lungorna utan att någon skyddande hud stoppar dem. Höga halter av radon inomhus har ofta med dålig ventilation att göra. Radon förekommer naturligt i berggrunden i stora delar av världen, även i Sverige. Betapartiklar är mindre och lättare vilket gör att de tränger genom huden, men inte har samma potential att orsak skada som alfapartiklar. Ännu mindre och även masslösa är gammapartiklen, som ju är en foton. Att gammapartikeln saknar massa gör att den har lång räckvidd och inte stoppas så lätt. Å andra sidan går den även rakt igenom det mesta av kroppen utan att interagera med cellernas beståndsdelar. Både alfa- betaoch gammastrålning är joniserande partiklar och man ska alltid vara försiktig när man handskas med radioaktiva ämnen. 3 STRÅLANDE JORD - DEL 3

För radioaktiva ämnen brukar man prata om halveringstid, vilket är den tid det tar för hälften av kärnorna i ett prov att sönderfalla. Utseendet hos sönderfallskurvan blir exponentiellt avtagande; efter en halveringstid finns 50 % kvar, efter två halveringstider 25 % (se bild 9). Bild 9. Sönderfallskurva för ett radioaktivt ämne; procent kvar av ämnet som funktion av halveringstid. Uttrycket radioaktiv strålning förekommer ofta i dagligt tal, men det är egentligen felaktigt och ska därför undvikas. Radioaktiva atomkärnor sänder ut strålning, men strålningen är inte radioaktiv. Strålning från radioaktiva kärnor kan man korrekt benämna joniserande strålning. Elektromagnetisk strålning och strålning från radioaktiva atomkärnor förekommer naturligt överallt i universum och på Jorden. De flesta grundämnen har radioaktiva isotoper, och dessa bildades samtidigt som de stabila isotoperna i processer i stjärnors inre eller i supernovor. Radioaktivitet är alltså något naturligt och något som finns överallt. Men förutom den naturliga bakgrundsstrålningen finns det också strålkällor som vi människor har skapat. Vi skapar hela tiden strålning inom sjukvården, både för diagnostik (till exempel röntgenstrålning) och för behandling (olika typer av partikelstrålning för att behandla cancer). Men det finns förstås risker även med medicinsk användning av strålning och man måste alltid väga nyttan mot risken. I Sverige har det lett till att man gör screening med röntgen av alla kvinnor över 40 år för att upptäcka bröstcancer eftersom fördelarna med allmän screening överväger nackdelarna av de extra exponeringarna. STRÅLANDE JORD - DEL 3 4

Ett annat område där strålning används är för att skapa mutanter med nya egenskaper inom traditionell växtförädling. Vi människor framställer även radioaktiva ämnen i civil kärnkraft. Idén med kärnkraftverk är att omvandla tunga atomkärnor till lättare genom klyvning. Kärnklyvningsprocessen, eller fission, frigör stor energi, vilken kan tas till vara för elproduktion. Den kärna man klyver är i allmänhet en uranisotop som heter U-235, och när den delas bildas många klyvningsprodukter och alla dessa är kraftigt radioaktiva. Vid normal drift är detta kärnavfall alltid inneslutet och väl kylt, och i Sverige har vi en plan för hur vi under lång tid ska ta hand om kärnavfallet och så väl som möjligt skydda människor och miljö från att exponeras för strålningen. I Sverige utgörs nästan hälften av vår elproduktion av kärnkraft och Sverige har aldrig haft någon allvarlig incident, något utsläpp av radioaktivitet eller något dödsfall kopplat till kärnkraft. Vi har en Strålsäkerhetsmyndighet som noga övervakar kärnkraftsdriften (och även strålskydd kopplat till medicinsk och annan radiologisk verksamhet). Det finns också ett FN-organ; IAEA som verkar för fredlig användning av kärnkraft och genomför inspektioner och kontroller runt om i världen. Civil kärnkraft har funnits i över 70 år och levererat el till miljarder människor. Globalt kommer ca 15 % av elproduktionen från kärnkraft (ca 80% kommer från fossila bränslen; kol, olja och naturgas). Det finns idag ca 450 kärnkraftverk i drift runt om i världen; det land med flest kärnkraftverk är USA. Sverige har 8 kärnreaktorer; 3 i Forsmark, 1 i Oskarshamn och 4 i Ringhals. Under de 70 år kärnkraften funnits har 3 stora olyckor skett; Harrisburg 1979, Tjernobyl 1986 och Fukushima 2011. Den allvarligaste var Tjernobylolyckan då en ångexplosion ledde till att stora mängder radioaktivt kärnavfall spreds i omgivningen och även långt bort med vindar. Ett av de ämnen som bildas i kärnklyvning och som spreds bland annat till Sverige är Cesium-137 som vi vill mäta i det här projektet. Cs-137 är en beta-strålare som även sänder ut gammastrålning. När ni mäter själva med er detektor kommer ni att mäta betapartiklarna från ert prov. När vi mäter med utrustningen i Uppsala mäter vi gammastrålningen. I naturen kan man idag även se spår av kärnvapenprovsprängningar. Sverige har aldrig genomfört egna sprängningar och aldrig haft utvecklade kärnvapen. Under 50- och 60-talen genomförde främst USA men även Sovjetunionen omfattande provsprängningar i atmosfären, havet och under mark. Spår av dessa, i form av radioaktiva isotoper kan fortfarande uppmätas, men utgör en väldigt liten del jämfört med bakgrundsstrålningen. Här är en film (Is radiation dangerous? - Matt Anticole) på engelska som förklarar strålning på ett bra sätt: https://www.youtube.com/watch?v=zi2vrwfknhq&feature=youtu.be 5 STRÅLANDE JORD - DEL 3

Strålning varifrån får vi dos? Hur mycket ett radioaktivt ämne strålar anges i enheten Becquerel (Bq) = sönderfall per sekund. Men denna enhet säger ingenting som hur farlig strålningen är; som nämndes ovan måste hänsyn tas till vilken typ av strålning det handlar om och var den träffar kroppen. När sönderfallen räknas om på det sättet, med olika faktorer beroende på stråltyp och utsatt kroppsdel, pratar vi om stråldos, som har enheten Sievert (Sv). Stråldosen är direkt kopplad till hur farlig strålningen är och dos från radioaktiva ämnen går att jämföra med andra typer av strålning (som till exempel den från medicinska undersökningar eller från kosmisk strålning). Uppskattningsvis är 5 Sv som engångsdos, det vill säga vid ett tillfälle, en dödlig dos för en människa. I Sverige får varje svensk i medeltal 3 msv (alltså 0,003 Sv) utspritt över ett år, och det sammanlagda bidraget från kärnvapen, kärnkraft, och kärnkraftsolyckor uppskattas till i genomsnitt ca 0,02 msv (alltså 0,00002 Sv) per år. Bild 14 visar hur de 3 msv en svensk får i medel per år fördelas på olika strålkällor. Beroende på var man bor kan radonhalten variera en del och naturligtvis får vi också olika mycket dos från medicinska undersökningar eller från flygresor (som ger extra mycket kosmisk strålning) beroende på hur många sådana vi behöver göra. b Bild 14. En översikt av varifrån privatpersoner i Sverige i medeltal får dos ifrån. Totalt får varje svenska ca 3 msv per år. Siffrorna kommer från Strålsäkerhetsmyndigheten. STRÅLANDE JORD - DEL 3 6

Svampar och deras roll i naturen Svampar klassas efter hur de förökar sig och vilket släktskap de har med varandra. De artrikaste grupperna är sporsäckssvampar, som skålsvampar och murklor, följt av basidiesvampar med tex hattsvampar och soppar. Svampar kan också delas in i olika livsformer beroende av hur de får sin energi eftersom de är heterotrofa och inte likt fotosyntetiserande växter kan tillverka sin egen energi. De tre huvudgrupperna är: 1. Nedbrytarsvampar utan behov av en levande värd 2. Parasitiska svampar 3. Mutualistiskt symbiotiska svampar som mykorrhizasvampar och lavar Mykorrhizasvampar. Parasitiska svampar och mykorrhizasvampar har i regel behov av levande värdar som de är i symbios med. Av alla jordens växtarter har 80 % mykorrhiza-associationer med sina rötter, vilket innebär att svampen ger bland annat näring och mineraler till växten i utbyte mot kolhydrater. I skogsjord har det beräknats att det finns ca 300 kg svampmycel av mykorrhizasvampar per hektar i de översta 10 cm av marken. Enskilda individer av svampar kan sträcka sig över både små och stora områden, från svampar som till exempel barrbroskingar som växer i enskilda barr till de som likt honungsskivling kan täcka enorma arealer och under marken breda ut sig på flera tusen hektar. I Sverige finns det ca 10 000 arter svamp. Av dessa är ca 6 000 storsvampar. Sammantaget innebär det här att det som faller ned på marken inte bara sjunker ned i grundvattnet utan silas genom ett tätt filter av svampmycel som i hög grad fångar upp radionuklider. Som en följd av anrikning har växter och särskilt svampar visat sig ha mycket högre nivåer av radionuklider än omgivande jord. Experiment i laboratorium där man jämfört hur mycket radioaktivitet som kan sköljas bort med och utan en svamp i jordprovet visade att 70 % av radioaktiviteten var kvar med bara en svamp i provet mot 10 % utan. Tidigare studier har visat att det är stora skillnader mellan arter av svamp i halter av radionuklider, men även mellan olika fruktkroppar av samma svamp. Vad skillnaderna beror på är inte känt. Cs-137 har kemiska egenskaper nära kalium och det har visat sig att tillsätts extra kalium i naturen tar svampar upp mindre Cs137. Kalium används i cellen bland annat för att skapa en membranpotential som upprätthåller en skillnad mellan cellens insida och utsida. Olika svampar är olika anpassade till sina miljöer och tål störningar olika bra. När till exempel skog fälls dör de mykorrhizasvampar som lever i symbios med träden och nedbrytarsvampar tar över. Om låga doser av radioaktivitet är en störning som märks i artsammansättningen hos svampar i marken är inte känt. Här finns mer information om skog och svamp: www.skogeniskolan.se 7 STRÅLANDE JORD - DEL 3

https://www.slu.se/institutioner/skoglig-mykologi-vaxtpatologi/ www.artdatabanken.se https://www.dyntaxa.se/taxon/info/5000044?changeroot=true https://www.svampar.se/2018/04/29/dur-har-val-inte-missat-svamparnas-planet/ Viltspillning Efter Tjernobylolyckan övervakades halten av radioaktivitet i både svamp och vilt i flera år i de områden där det radioaktiva nedfallet var som störst. Efter olyckan överskred halterna tillåtna gränsvärden. Värdena och provtagningen har sedan dess succesivt avtagit. Sedan 1970-talet finns det återigen vildsvin i Sverige efter att de varit utrotade i flera hundra år medan rådjuren klarade sig med nöd och näppe undan utrotning i mitten av 1800-talet. Nu har vildsvinstammen spritt sig norrut i Sverige och finns nu även i de områden där nedfallet efter Tjernobyl var stort. Höga halter av strålning har uppmätts i vildsvinskött. Vildsvinens bök efter ätbart påverkar antagligen artsammansättningen av svampar och möjligen påverkar det tillgängligheten av Cs-137 som varit bundet i svampmycel. Genom att undersöka spillning från vildsvin och rådjur hoppas vi få reda på vad viltet har ätit samt hur mycket radioaktivitet det är kvar i spillningen. Genom att använda moderna sekvenseringsmetoder kan vi förhoppningsvis se vad viltet har ätit genom att sekvensera DNA från spillning. Hur ser vildsvinsavföring ut? Vildsvinets spillning är normalt korvformad om den levt på säd, mörk nästan svart och ca 7 cm tjock. Den består av sammanklumpade, tillplattade, mer eller mindre hopsmälta spillningsbollar. Rådjurets spillning är ofta i små högar och ser ut som små bönor, cylindriskt avlånga med avrundade spetsar och upp till 15 mm långa. Här finns mer information om vildsvin: http://naturvardsverket.se/var-natur/jakt/jakt-pa-klovvilt/jakt-pa-vildsvin/ https://jagareforbundet.se/vilt/vilt-vetande/artpresentation/daggdjur/vildsvin/ http://www.vildsvin.net/spar.htm Moderna sekvenseringsmetoder Den molekylära biologin tog ett rejält skutt framåt på nittiotalet när PCR-maskinen som hjälpmedel gjorde att insamlat DNA-material kan förstoras och undersökas. Nu när dessutom sekvenseringsteknologin för att kartlägga arvsmassa genom att bestämma vilka kvävebaser som DNA består av har utvecklats så att kostnaden för att genomföra sekvensering faller för varje år kan mer detaljerade studier göras även på miljöprover med många organismer samtidigt. Här hittar du mer information om sekvenseringsmetoder: https://www.ebi.ac.uk/training/online/course/ebi-next-generation-sequencing-practical-course STRÅLANDE JORD - DEL 3 8

Tack för din medverkan! SVERIGES FÖRSTA UNIVERSITET www.teknat.uu.se/stralandejord