История открытия. Природа ультрафиолетового излучения

История открытия. Природа ультрафиолетового излучения.

Спектр лучей, видимых  глазом человека, не имеет резкой, четко  определенной границы. Верхней границей видимого спектра одни исследователи  называют 400 нм, другие 380, третьи сдвигают ее до 350...320 нм. Это объясняется различной  световой чувствительностью зрения и указывает на наличие лучей, не видимых глазом.

В 1801 г. И. Риттер (Германия) и У. Уола-Стон (Англия) используя фотопластинку доказали наличие ультрафиолетовых лучей. За фиолетовой границей спектра она чернеет быстрее, чем под влиянием видимых лучей. Поскольку почернение пластинки происходит в результате фотохимической реакции, ученые пришли к выводу, что ультрафиолетовые лучи весьма активны.

Ультрафиолетовые лучи охватывают широкий диапазон излучений: 400...20 нм. Область излучения 180... 127 нм называется вакуумной. Посредством искусственных  источников (ртутно-кварцевых, водородных и дуговых ламп), дающих как линейчатый, так и непрерывный спектр, получают ультрафиолетовые лучи с длиной волны  до 180 нм. В 1914 г. Лайман исследовал диапазон до 50 нм.

Исследователи обнаружили тот  факт, что спектр ультрафиолетовых лучей Солнца, достигающих земной поверхности, очень узок - 400...290 нм. Неужели  солнце не излучает свет с длиной волны  короче 290 нм?

Ответ на этот вопрос нашел  А. Корню (Франция). Он установил, что  озон поглощает ультрафиолетовые лучи короче 295 нм, после чего выдвинул предположение: Солнце излучает коротковолновые ультрафиолетовое излучение, под его действием  молекулы кислорода распадаются  на отдельные атомы, образуя молекулы озона, поэтому в верхних слоях  атмосферы озон должен покрывать  землю защитным экраном. Гипотеза Корню  получила подтверждение тогда, когда  люди поднялись в верхние слои атмосферы. Таким образом, в земных условиях спектр солнца ограничен пропусканием озонового слоя.

Количество ультрафиолетовых лучей, достигающих земной поверхности, зависит от высоты Солнца над горизонтом. В течение периода нормального  освещения освещенность изменяется на 20%, тогда как количество ультрафиолетовых лучей достигающих земной поверхности  уменьшается в 20 раз.

Специальными экспериментами установлено, что при подъеме  вверх на каждые 100 м интенсивность  ультрафиолетового излучения возрастает на 3...4%. На долю рассеянного ультрафиолета  в летний полдень приходится 45...70% излучения, а достигающего земной поверхности - 30...55%. В пасмурные дни, когда  диск Солнца закрыт тучами, поверхности  Земли достигает главным образом  рассеянная радиация. Поэтому можно  хорошо загореть не только под прямыми  лучами солнца, но и в тени, и в  пасмурные дни.

Когда Солнце стоит в зените, в экваториальной области поверхности  земли достигают лучи длиной 290...289 нм. В средних широтах коротковолновая  граница, в летние месяцы, составляет примерно 297 нм. В период эффективного освещения верхняя граница спектра  составляет порядка 300 нм. За полярным кругом земной поверхности достигают  лучи с длиной волны 350...380 нм.

Действие ультрафиолетового  излучения на клетку.

В действии коротковолнового излучения на живой организм наибольший интерес представляет влияние ультрафиолетовых лучей на биополимеры - белки и  нуклеиновые кислоты. Молекулы биополимеров содержат кольцевые группы молекул, содержащие углерод и азот, которые  интенсивно поглощают излучение  с длиной волны 260...280 нм. Поглощенная  энергия может мигрировать по цепи атомов в пределах молекулы без  существенной потери, пока не достигнет  слабых связей между атомами и  не разрушит связь. В течение такого процесса, называемого фотолизом, образуются осколки молекул, оказывающие сильное  действие на организм. Так, например, из аминокислоты гистидина образуется гистамин - вещество, расширяющее кровеносные капилляры и увеличивающее их проницаемость. Кроме фотолиза под действием ультрафиолетовых лучей в биополимерах происходит денатурация. При облучении светом определенной длины волны электрический заряд молекул уменьшается, они слипаются и теряют свою активность - ферментную, гормональную, антигенную и пр.

Процессы фотолиза и денатурации  белков идут параллельно и независимо друг от друга. Они вызываются разными  диапазонами излучения: лучи 280...302 нм вызывают главным образом фотолиз, а 250...265 нм - преимущественно денатурацию. Сочетание этих процессов определяет картину действия на клетку ультрафиолетовых лучей.

Самая чувствительная к действию ультрафиолетовых лучей функция  клетки - деление. Облучение в дозе 10(-19) дж/м2 вызывает остановку деления около 90% бактериальных клеток. Но рост и жизнедеятельность клеток при этом не прекращается. Со временем восстанавливается их деление. Чтобы вызвать гибель 90% клеток, подавление синтеза нуклеиновых кислот и белков, образование мутаций, необходимо довести дозу облучения до 10(-18) дж/м2. Ультрафиолетовые лучи вызывают в нуклеиновых кислотах изменения, которые влияют на рост, деление, наследственность клеток, т.е. на основные проявления жизнедеятельности.

Значение механизма действия на нуклеиновую кислоту объясняется  тем, что каждая молекула ДНК (дезоксирибонуклеиновой кислоты) уникальна. ДНК - это наследственная память клетки. В ее структуре зашифрована  информация о строении и свойствах  всех клеточных белков. Если любой  белок присутствует в живой клетке в виде десятков и сотен одинаковых молекул, то ДНК хранит информацию об устройстве клетки в целом, о характере  и направлении процессов обмена веществ в ней. Поэтому нарушения  в структуре ДНК могут оказаться  непоправимыми или привести к  серьезному нарушению жизнедеятельности.

Действие ультрафиолетового  излучения на кожу.

Воздействие ультрафиолета  на кожу заметно влияет на метаболизм нашего организма. Общеизвестно, что  именно УФ-лучи инициируют процесс образования эргокальциферола (витамина Д), необходимого для всасывания кальция в кишечнике и обеспечения нормального развития костного скелета. Кроме того, ультрафиолет активно влияет на синтез мелатонина и серотонина - гормонов, отвечающих за циркадный (суточный) биологический ритм. Исследования немецких ученых показали, что при облучении УФ-лучами сыворотки крови в ней на 7 % увеличивалось содержание серотонина - "гормона бодрости", участвующего в регуляции эмоционального состояния. Его дефицит может приводить к депрессии, колебаниям настроения, сезонным функциональным расстройствам. При этом количество мелатонина, обладающего тормозящим действием на эндокринную и центральную нервную системы, снижалось на 28%. Именно таким двойным эффектом объясняется бодрящее действие весеннего солнца, поднимающего настроение и жизненный тонус.

Действие излучения на эпидермис - наружный поверхностный  слой кожи позвоночных животных и  человека, состоящий из многослойного  плоского эпителия человека, представляет собой воспалительную реакцию называемую эритемой. Первое научное описание эритемы дал в 1889 г. А.Н. Макла-нов (Россия), который изучил также действие ультрафиолетовых лучей на глаз (фотоофтальмию) и установил, что в основе их лежат общие причины.

Различают калорическую и  ультрафиолетовую эритему. Калорическая эритема обусловлена воздействием видимых и инфракрасных лучей  на кожу и прилива к ней крови. Она исчезает почти сразу после  прекращения действия облучения.

После прекращения воздействия  УФ-облучения, через 2..8 часов появляется покраснение кожи (ультрафиолетовая эритема) одновременно с ощущением жжения. Эритема появляется после скрытого периода, в пределах облученного участка кожи, и сменяется загаром и шелушением. Длительность эритемы имеет продолжительность от 10... 12 часов до 3...4 дней. Покрасневшая кожа горяча на ощупь, чуть болезненна и кажется набухшей, слегка отечной.

По существу эритема представляет собой воспалительную реакцию, ожог кожи. Это особое, асептическое (Асептический - безгнилостный) воспаление. Если доза облучения слишком велика или кожа особенно чувствительна к ним, отечная жидкость, накапливаясь, отслаивает местами наружный покров кожи, образует пузыри. В тяжелых случаях появляются участки некроза (омертвения) эпидермиса. Через несколько дней после исчезновения эритемы кожа темнеет и начинает шелушиться. По мере шелушения слущивается часть клеток, содержащих меланин (Меланин - основной пигмент тела человека; придает цвет коже, волосам, радужной оболочке глаза. Он содержится и в пигментном слое сетчатки глаза, участвует в восприятии света), загар бледнеет. Толщина кожного покрова человека варьирует в зависимости от пола, возраста (у детей и стариков - тоньше) и локализации - в среднем 1..2 мм. Его назначение - защитить организм от повреждений, колебаний температуры, давления.

Основной слой эпидермиса прилегает к собственно коже (дерме), в которой проходят кровеносные  сосуды и нервы. В основном слое идет непрерывный процесс деления  клеток; более старые вытесняются  наружу молодыми клетками и отмирают. Пласты мертвых и отмирающих клеток образуют наружный роговой слой эпидермиса толщиной 0,07...2,5 мм (На ладонях и подошвах, главным образом за счет рогового слоя, эпидермис толще, чем на других участках тела), который непрерывно слущивается снаружи и восстанавливается изнутри.

Если падающие на кожу лучи поглощаются мертвыми клетками рогового слоя, они не оказывают на организм никакого влияния. Эффект облучения  зависит от проникающей способности  лучей и от толщины рогового слоя. Чем короче длина волны излучения, тем меньше их проникающая способность. Лучи короче 310 нм не проникают глубже эпидермиса. Лучи с большей длиной волны достигают сосочкового слоя дермы, в котором проходят кровеносные сосуды. Таким образом, взаимодействие ультрафиолетовых лучей с веществом происходит исключительно в коже, главным образом в эпидермисе.

Основное количество ультрафиолетовых лучей поглощается в ростковом (основном) слое эпидермиса. Процессы фотолиза и денатурации приводят к гибели шиловидных клеток зародышевого слоя. Активные продукты фотолиза белков вызывают расширение сосудов, отек кожи, выход  лейкоцитов и другие типичные признаки эритемы.

Продукты фотолиза, распространяясь  по кровеносному руслу, раздражают также  нервные окончания кожи и через  центральную нервную систему  рефлекторно воздействуют на все  органы. Установлено, что в нерве, отходящем от облученного участка  кожи, частота электрических импульсов  повышается.

Эритема рассматривается  как сложный рефлекс, в возникновении  которого участвуют активные продукты фотолиза. Степень выраженности эритемы  и возможность ее образования  зависит от состояния нервной  системы. На пораженных участках кожи, при обморожении, воспалении нервов эритема либо вовсе не появляется, либо выражена очень слабо, несмотря на действие ультрафиолетовых лучей. Угнетает образование эритемы сон, алкоголь, физическое и умственное утомление.

Н. Финзен (Дания) впервые применил ультрафиолетовое излучение для лечения ряда болезней в 1899 г. В настоящее время подробно изучены проявления действия разных участков ультрафиолетового излучения на организм. Из ультрафиолетовых лучей, содержащихся в солнечном свете, эритему вызывают лучи с длиной волны 297 нм. К лучам с большей или меньшей длиной волны эритемная чувствительность кожи снижается.

С помощью искусственных  источников излучения эритему удалось  вызвать лучами диапазона 250...255 нм. Лучи с длиной волны 255 нм дает резонансная линия излучения паров ртути, используемых в ртутно-кварцевых лампах.

Таким образом, кривая эритемной чувствительности кожи имеет два максимума. Впадина между двумя максимумами обеспечивается экранирующим действием ороговевшего слоя кожи.

Защитные функции организма

В естественных условиях вслед  за эритемой развивается пигментация  кожи - загар. Спектральный максимум пигментации (340 нм) не совпадает ни с одним  из пиков эритемной чувствительности. Поэтому, подбирая источник излучения можно вызвать пигментацию без эритемы и наоборот.

Эритема и пигментация  не являются стадиями одного процесса, хотя они и следуют одна за другой. Это проявление разных, связанных  друг с другом процессов. В клетках  самого нижнего слоя эпидермиса - меланобластах - образуется кожный пигмент меланин. Исходным материалом для образования меланина служат аминокислоты и продукты распада адреналина.

Меланин - не просто пигмент  или пассивный защитный экран  отгораживающий живые ткани. Молекулы меланина представляют собой огромные молекулы с сетчатой структурой. В  звеньях этих молекул связываются  и нейтрализуются осколки разрушенных  ультрафиолетом молекул, не пропуская  их в кровь и внутреннюю среду  организма.

Функция загара заключается  в защите клеток дермы, расположенных  в ней сосудах и нервах от длинноволновых ультрафиолетовых, видимых и инфракрасных лучей, вызывающих перегрев и тепловой удар. Ближние инфракрасные лучи и  видимый свет, особенно его длинноволновая, "красная" часть, могут проникать  в ткани гораздо глубже, чем  ультрафиолетовые лучи, - на глубину 3...4 мм. Гранулы меланина - темно-коричневого, почти черного пигмента - поглощают  излучение в широкой области  спектра, защищая от перегрева нежные, привыкшие к постоянной температуре  внутренние органы.

Оперативный механизм защиты организма от перегрева - прилив крови  к коже и расширение кровеносных  сосудов. Это приводит к увеличению теплоотдачи посредством излучения  и конвекции (Общая поверхность  кожного покрова взрослого человека составляет 1,6 м2). Если воздух и окружающие предметы имеют высокую температуру, вступает в действие еще один механизм охлаждения - испарение за счет потоотделения. Эти механизмы терморегуляции предназначены для защиты от воздействия видимых и инфракрасных лучей Солнца.

Потоотделение, наряду с  функцией терморегуляции, препятствует воздействию ультрафиолетового  излучения на человека. Пот содержит урокановую кислоту, которая поглощает коротковолновое излучение благодаря наличию в ее молекулах бензольного кольца.

Световое голодание (дефицит  естественного УФ-облучения)