Воздействие оптического излучения на биологические объекты

Лекция 2 ВОЗДЕЙСТВИЕ ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА БИОЛОГИЧЕСКИЕ ОБЪЕКТЫ 2.1. Фотобиологическое действие оптических излучений Солнце посылает к Земле огромное количество энергии мощностью более 1,4·1014 кВт. В летнее время облученность на поверхности, перпендикулярной лучам Солнца, превосходит 1000 Вт/м2. Поглощенная (около 60 %) часть этой энергии вызывает круговорот воды в природе (30 %), аккумулируется в нагретых телах поверхности земли и практически в течение суток вновь возвращается в мировое пространство. На длительный срок оседает на Земле в основном энергия, захваченная растительным миром, составляющая в общем балансе поступления энергии примерно 0,003 %. Этим относительно малым количеством энергии растения на Земле восстанавливают в год 175 млрд. т углерода из углекислоты воздуха, создавая необходимые условия жизнеобитания по кислороду и продуктам питания. Вся жизнь на Земле тесно связана с лучистой энергией Солнца. Можно сказать, что биологическая жизнь на Земле — это прежде всего преобразованная энергия оптических излучений во всех ее видах и качествах в богатые энергией биохимические связи. Огромные кладовые энергии природы фактически еще не открыты. Если по всему земному шару коэффициент использования солнечной энергии флорой поднять до 0,1 %, то прокормить, одеть и обуть можно 1 триллион 200 млрд. человек. А пока из более чем 5 млрд. жителей Земли ежедневно, по данным ЮНЕСКО, умирают от голода более 7 тыс. человек. Человек научился воспроизводить отдельные участки спектра солнечного излучения с помощью искусственных источников. Это открыло новые пути в использовании энергии на благо человечества. КПД фотосинтеза в лабораторных установках достигает 2 %. Искусственный ультрафиолет стимулирует жизнь человека и животных, помогает избавиться от многих заболеваний, дезинфицирует воздух и воду. Кванты инфракрасного излучения — непременное условие всех биохимических реакций. Спектр солнечного излучения содержит весь оптический диапазон электромагнитных колебаний (рис. 1.1). В природе оптические излучения (ОИ) действуют на живые организмы комплексно и служат не только энергетической базой строительства клетки, но и регулируют жизненно важные процессы роста и развития. Раскрытие и использование всех законов взаимосвязи живых организмов и оптических излучений — насущная задача человечества. К. А. Тимирязев в работе «Об усвоении света растением» писал: «...зерно хлорофилла — исходная точка всякого органического движения, всего того, что мы разумеем под словом жизнь». Рис. 1.1. Спектр солнечного излучения: 1—вне атмосферы; 2— после поглощения слоем озона на высоте 20...30км; 3— после молекулярного рассеяния, 4— после поглощения и рассеяния аэрозолем; 5— после поглощения водяным паром и кислородом (нижняя кривая соответствует 12 спектральному распределению прямой солнечной радиации на поверхности земли) 2.2 Общие закономерности воздействия оптических излучений на биологические объекты Энергия излучения, генерируемая в сельскохозяйственных осветительных и облучательных установках, в большинстве случаев непосредственно воздействует на живые организмы. Воздействия излучения на человека, животных, растения и микроорганизмы называют фотобиологическими. В настоящее время известны следующие виды фотобиологического воздействия излучения. Световое действие. Оно заключается в том, что видимое излучение, воздействуя на глаз человека или животного, вызывает зрительное ощущение. Благодаря световому действию оптического излучения человек и животные обладают способностью видеть. Фотосинтетическое действие. Растения, поглощая видимое и длинноволновое ультрафиолетовое излучения, способны за счет их энергии синтезировать органические вещества из минеральных. Фотопериодическое действие (фотопериодизм). Облучение (освещение) при различном чередовании периодов света и темноты и при различном спектральном составе может оказывать большое и разнообразное влияние на рост и развитие растений, а также на физиологическое состояние, поведение и развитие животных. Терапевтическое действие (витальное, антирахитное, тонизирующее). Облучение людей и животных ультрафиолетовым, видимым и инфракрасным излучениями улучшает обмен веществ в организме, повышает жизненный тонус, а также повышает сопротивляемость организма заболеваниям. Бактерицидное действие, или летальное (разрушающее). Облучение ультрафиолетовым, а при больших дозах видимым и инфракрасным излучениями вызывает гибель бактерий, растений и мелких животных. Мутагенное действие. Длительное воздействие на животных и растения ультрафиолетовым излучением (а при больших облученностях и видимым) может приводить к наследственным изменениям. Мутагенное действие может использоваться для выведения высокопродуктивных растений и других организмов. Фотохимические реакции. Общее для всех процессов фотобиологического действия излучения — это фотохимические реакции, которые протекают в веществах живых клеток в результате поглощения ими излучения. Молекулы активно поглощающего вещества при поглощении фотона переходят в возбужденное состояние и после этого способны вступать в те или иные химические реакции, что приводит к определенным биологическим изменениям. Протекание реакции в обратном направлении исключается большим энергетическим барьером обратной реакции. Согласно закону квантовой эквивалентности Эйнштейна значение квантового выхода фотохимического процесса не может быть больше единицы. Но в практике это правило часто не соблюдается. Кажущееся нарушение закона квантовой эквивалентности происходит из-за возникновения вторичных реакций. Количественная зависимость фотохимического действия излучения от условий облучения реагирующего вещества, называемого законом взаимозаменяемости, определяет связь между выходом фотохимической реакции и количеством облучения реагирующего вещества: (2.1) 13 где Mp — число молекул исходного вещества, вступившего в реакцию за время облучения т; α —постоянная скорости фотохимической реакции; Qα — поглощенная энергия оптического излучения; Фα и Фе — потоки излучения, поглощенного веществом и упавшего на него; е — основание натуральных логарифмов, равное ≈ 2,7; k — показатель поглощения излучения веществом; l — длина пути излучения в веществе. Для единицы объема облучаемого вещества это выражение будет иметь следующий вид: (2.2) где mр — то же, что и Мр, но для единицы объема облучаемого вещества; Е— плотность облучения реагирующего вещества (облученность). Из этого выражения видно, что фотохимическое действие излучения определяется не его интенсивностью, а полной эффективной дозой, то есть произведением облученности на время действия. Обычно при большинстве фотобиологических реакций за первым фотохимическим этапом следует целый ряд промежуточных, вторичных. Некоторые из них могут зависеть от времени и других факторов, что приводит к значительным отступлениям от закона взаимозаменяемости. Скорость фотохимических реакций зависит от количества поглощаемой энергии излучения, концентрации реагирующих веществ, температуры и некоторых других факторов. Для простейших фотохимических реакций она пропорциональна поглощенному потоку излучения Фα: (2.3) где Фα — поток однородного излучения, упавшего на реагирующее вещество. Принимая во внимание равенство между поглощенным потоком и скоростью поглощения веществом излучения, уравнение (2.3) можно записать так (2.4) Скорость фотохимической реакции зависит от плотности облучения, концентрации исходных продуктов и постоянных, характеризующих протекание первичной и вторичной реакций. Известны обратимые фотохимические реакции, в которых конечные продукты вновь преобразуются в исходные вещества. Характерный пример такой реакции — фотораспад светочувствительного вещества в сетчатке глаза. Для фотохимических реакций, протекающих в живых биологических объектах, характерно то, что они могут протекать при организованном, направленном перемещении исходных продуктов. Различные этапы фотобиологической реакции могут осуществляться в разных специализированных центрах. Завершающий этап таких реакций может происходить далеко от места поглощения энергии излучения. В связи с этим скорость фотобиологических реакций зависит от условий передвижения исходных продуктов к центрам и оттока конечных от мест реакций. Эффективность фотобиологического действия излучения. Эффективность может значительно уменьшаться в результате поглощения излучения поверхностными реактивными слоями организма или за счет отражения ими излучения. Одноклеточные организмы (бактерии, простейшие и др.) особенно чувствительны к излучению, так как они имеют малую толщину и фотоны могут достигать жизненно важных центров. У человека и крупных животных излучение может проникать только в поверхностные участки тела. 14 Для каждого фотобиологического процесса можно построить зависимость интенсивности процесса от длины волны излучения. Такую графическую зависимость называют спектром действия процесса. Знание спектра действия имеет очень важное значение при создании наиболее экономичных источников излучения и установок. В ряде случаев на результирующую эффективность фотобиологических процессов может оказывать большое влияние явление фотореактивации, которое заключается в следующем. Если облучать объект активным в отношении данного процесса излучением и одновременно воздействовать на него излучением неактивным в отношении этого процесса, то последнее может повышать или понижать эффективность облучения. Например, при сопровождении ультрафиолетового облучения животных интенсивным освещением эффективность ультрафиолетового облучения будет значительно меньше, чем одного облучения без сопровождающего интенсивного освещения. 2.3 Воздействие излучения на человека Воздействие на человека наиболее биологически активного ультрафиолетового излучения зависит от энергии квантов излучения, облученности и времени действия. Известно благотворное действие на человека ультрафиолетового солнечного излучения. Кванты ультрафиолетового излучения, поглощенные белковыми коллоидами протоплазмы клеток кожи, расщепляют молекулы белка. Это сопровождается образованием новых биологически активных веществ (витамина D, гистамина и др.). Распространяясь по организму диффузией или по путям циркуляции жидкостей, эти вещества обусловливают общефизиологические сдвиги терапевтического и тонизирующего характера. В результате фотохимических процессов в коже возникает ультрафиолетовая эритема и пигментация. В отличие от тепловой эритемы, возникающей сразу после нагревания, ультрафиолетовая эритема (покраснение кожи) появляется спустя несколько часов после облучения (от 2 до 6 ч). Минимальное количество облучения, при котором впервые возникает эритема, называют пороговой дозой (биодоза). При недостатке естественного ультрафиолетового излучения зимой в средней полосе и особенно в северных районах используют искусственные источники УФ-излучения для облучения людей. Инфракрасное излучение, имея небольшую энергию квантов, оказывает в основном тепловое действие на человека. Благодаря хорошей проникающей способности инфракрасное излучение способно нагревать глубинные слои тканей. Энергия квантов видимого излучения меньше, чем энергия квантов ультрафиолетового, поэтому многие полезные фотохимические реакции не могут происходить под действием видимого излучения. Это ограничивает применение видимого излучения для терапевтических целей. Видимое излучение, воспринимаемое глазом человека, вызывает зрительное ощущение. Световое действие излучения изучено только применительно к органам зрения человека. Глаз и зрение. Если рассматривать глаз как оптическую систему (рис. 1.2), то нетрудно заметить сходство его с устройством фотоаппарата. Поток излучения, отраженный от наблюдаемого объекта и падающий на поверхность глаза, проходит через прозрачную роговую оболочку 1, которая расположена перед зрачком. Она имеет высокий показатель преломления и малый радиус кривизны. После преломления в роговой оболочке излучение проходит через 15 зрачок 2 и попадает в хрусталик 3. Хрусталик состоит из прозрачного эластичного вещества и имеет средний показатель преломления 1,4. Оптическая сила его может изменяться. После преломления излучения на внутренней сетчатой оболочке 4 глаза создается изображение предмета, от которого отражено излучение. Возможность изменения оптической силы хрусталика позволяет получать четкое изображение предметов, расположенных на различном расстоянии от глаза. Приспособляемость глаза к четкому различию разноудаленных предметов (фокусировка оптической системы глаза) называют аккомодацией. Сложное строение сетчатой оболочки глаза, несмотря на сильное уменьшение изображения, позволяет получить его достаточно четким. В сетчатой оболочке глаза содержится два вида светочувствительных элементов — колбочки и палочки. Первые активны при дневном зрении и обеспечивают различие деталей изображения и восприятие цвета, вторые активны при ночном зрении и обеспечивают только ощущение света и темноты. Светочувствительное вещество, содержащееся в палочках, называют зрительным пурпуром или родопсином. При поглощении света молекулы родопсина диссоциируют на протеин и ретинен. Эта фотохимическая реакция обратима. В колбочках также содержится светочувствительное вещество, которое называют иодопсином. Это вещество, так же как и родопсин, способно вступать в обратимую фотохимическую реакцию. Концентрация молекул родопсина и иодопсина в сетчатой оболочке глаза зависит от плотности ее облучения. Глаз человека способен воспринимать минимальную освещенность 0,1 лк (лунный свет). Максимальная освещенность, к которой может приспособиться глаз, достигает 100 000 лк. При низкой освещенности глаз работает в режиме ночного зрения за счет функционирования палочковых элементов. При высокой освещенности глаз работает в режиме дневного зрения за счет колбочковых элементов. При переходе от освещенности, соответствующей ночному зрению, к освещенности, соответствующей дневному зрению, глаз может работать в режиме так называемого сумеречного зрения. В этом случае одновременно работают и колбочковый и палочковый аппараты сетчатой оболочки глаза. Сумеречный режим — самый неблагоприятный для зрения. Освещенность предметов, которые приходится рассматривать одновременно или последовательно при небольших интервалах времени, часто бывает различной. Когда переводят глаза с одного предмета на другой, они приспосабливаются к новому уровню освещенности. Приспосабливание глаза к различным уровням освещенности называют адаптацией. Глаз человека — избирательный приемник излучения. Одна и та же мощность излучений различных длин волн вызывает разные уровни светового ощущения. На рисунке 1.3 кривая 1 — относительная спектральная чувствительность глаза человека (Кλc), которую часто называют кривой относительной видимости излучения; кривая 2—относительная спектральная чувствительность глаза при ночном зрении. Она 16 близка по форме к кривой видимости для дневного зрения, но смещена в сторону коротких длин волн примерно на 45 нм. Международной комиссией по освещению в 1924 г. за основную функцию спектральной чувствительности глаза принята относительная видимость в условиях дневного зрения. Максимум спектральной чувствительности глаза приходится на 555 нм. Функция спектральной чувствительности глаза человека положена в основу построения системы световых величин и единиц. Вопросы для самоконтроля 1. Назовите основные виды фотобиологического воздействия. 2. Поясните, как оптические излучения воздействуют на человека. 3. Охарактеризуйте фотопериодическое и мутагенное воздействия оптических излучений. 4. Охарактеризуйте воздействие излучения УФ – спектра на биологические объекты. 5. Охарактеризуйте воздействие видимых излучений на биологические объекты. 6. Охарактеризуйте воздействие ИК- излучений на биологические объекты. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ Основная 1. Баранов, Л.А. Светотехника и электротехнология [Текст]: учебник для вузов / Л.А. Баранов, В.А. Захаров, – М.: КолосС, 2008. – 344 с.: ил. – 50000 экз.– ISBN 978-5-9532-0710-2 2. Баев, В.И. Практикум по электрическому освещению и облучению [Текст]: учебное пособие для вузов / В.И. Баев – М.: КолосС, 2008. – 192 с.: – 8000 экз.– ISBN 978-5-9532-0593-1 Дополнительная 1. Любайкин, С.Н. Электрическое освещение и облучение в сельскохозяйственном производстве [Текст]: учебное пособие для вузов / С.Н. Любайкин, А.В. Львицын, А.Я. Змеев, А.В. Волгин; ФГОУ ВПО «Саратовский ГАУ».-Саратов, 2007.-96 с.: – 200 экз.– ISBN 5-7011-0508-3 17