Взаимодействие ультрафиолетового излучения с биообъектами.

Лекция 3. Особенности взаимодействия излучения оптического диапазона с биообъектами.

Взаимодействие ультрафиолетового излучения с биообъектами.

3.1.1. Действие УФИ на молекулярном уровне

Развитие всего живого происходило под влиянием солнечного излучения, к которому оно должно было приспособиться. Поэтому устойчивость живых клеток к излучению оптического диапазона оказалась гораздо выше, чем, например, устойчивость к ИИ. Отчётливые биологические эффекты при действии УФ излучения на живые клетки наблюдается при дозах от 10^-3 до 10^-1 эрг/ядро, а летальная доза ИИ для многих видов клеток составляет 10^-5 эрг/ядро. Это, вероятно, целиком связано с наличием хорошо отлаженной системы репарации фотодефектов, включая системы фоторепарации. Способность восстанав-ливаться от повреждений, вызываемых УФИ, возникла, вероятно, на ранних этапах эволюции и играла важную роль в выживании первичных организмов, подвергавшихся интенсивному солнечному ультрафиолетовому облучению.

На микроорганизмы и культивируемые клетки высших животных и растений УФИ оказывает губительное и мутагенное действие (наиболее эффективен в этом смысле УФ-С в области 240…280 нм). В основе биологического действия УФИ лежит повреждение биологически важных молекул: ДНК, белков, липидов; это следует из прямой связи между спектром действия и спектром поглощения этих веществ (рис. 3.1). Обычно спектр летального и мутагенного действия УФИ примерно совпадает со спектром поглощения нуклеиновых кислот — ДНК и РНК (рис.3.1а), в некоторых случаях спектр биологического действия близок к спектру поглощения белков (рис. 3.1б).

Воздействие на ДНК. Спектр биодействия, по имеющимся сведениям, полностью совпадает со спектром поглощения ДНК. Излучение поглощается пуриновыми и пиримидиновыми основаниями. Механизм поглощения можно представить в виде цепочки: S ® T^* ® межклеточный перенос электронной энергии ® межнуклеотидные миграции энергии. При облучении коротковолновым светом имеют место реакции фотоионизации, фотодиссоциации и фотоприсоединения. Основной тип фотохимической реакции ДНК – образование димеров, в основном пиримидиновых, чаще димеров тимина. Так, пиримидиновые основания избирательно чувствительны к УФ с l = 254 нм и Е = 4,9 эВ. Это приводит к нарушению репликации и транскрипции при подготовке клетки к делению, возникает генетический дефект, что может вызвать гибель клеток или изменение их наследственных свойств (мутации). Стоит, однако, заметить, что реакция димеризации фотообратима: димеры мономеризируются фотолиазой в процессе фотореактивации. Квантовый выход одно- и двунитевых разрывов под действием УФ- А на 2-3 порядка ниже, чем при рентгеновском воздействии, и поэтому его можно не учитывать. Сечение поглощения для ДНК примерно в 10 раз больше, чем для белков. Характерные полосы поглощения ДНК располагаются в пределах 240…260 нм.

Рис. 3.1. Спектры действия ультрафиолетового излучения на нуклеиновые кислоты (а) и белки (б) (пояснения в тексте).

Воздействие на белки ( УФ -В). Это воздействие связано с фотохимическими превращениями аминокислот и их остатков (максимум поглощения триптофана и тирозина находится на длине волны 280 нм) с конечным формированием радикалов. Возникающие при этом электроны, отличающиеся высокой реакционной способностью, инициируют ряд вторичных химических реакций и приводят к разрыву дисульфидных связей. Возникают также межмолекулярные ковалентные сшивки. Воздействие на эти основные поглощающие компоненты белков целесообразно изучать по спектрам люминесценции (см. выше).

Воздейстие на липиды. Максимум поглощения для липидов находится на длине волны 200 нм и определяется ненасыщенными жирными кислотами. Основная фотохимическая реакция — окисление липидов. Первичные продукты реакций — гидроперикиси жирных кислот и далее — альдегиды; в частности, по выходу маалонового альдегида судят об эффективности действия лучей на биообъект. Поэтому определённое значение в летальном действии УФИ на клетки имеют также повреждение биологических мембран и нарушение синтеза различных компонентов мембран и клеточной оболочки.

 

3.1.2. Действие УФИ на тканевом уровне

Ультрафиолетовое излучение проникает в ткани на глубину до 1 мм (до кровенаполненных слоев). Его поглощение связано с фотохимическими реакциями и может привести к эритеме, представляющей собой резкое усиление микроциркуляции крови и повышение содержания гемоглобина в коже (покраснение). Максимальным эритемным действием обладает УФИ с l= 296,7 нми l = 253,7 нм. При эритеме уменьшается отражательная способность кожи (отношение интенсивности отражённого света к падающему) в области поглощения гемоглобина (540 и 578 нм) (см. Л2). Это служит количественным критерием эритемы. При эритеме гибнет около 10% клеток рогового слоя. Полезной считается суточная доза эритемной радиации 10…40 мэр·час (используется внесистемная единица облучения 1 эритема = 1 Вт/м² на длине волны l=297 нм).

Эритема обычно переходит в защитную пигментацию — загар, представляющий собой потемнение кожи человека под воздействием ультра-фиолетового облучения, вследствие которого в поверхностных слоях избы-точно отлагается пигмент меланин. Именно, под влиянием УФ- В усиливается рост клеток базального слоя эпидермиса, в котором имеются специальные клетки — меланофоры, богатые меланином. Загар играет роль оптического фильтра. Способность меланина поглощать тепловое излучение и происхо-дящее одновременно с этим утолщение рогового слоя кожи защищают орга-низм как от длинноволнового УФИ (УФ- А), которое при длительном воздейст-вии может вызывать гибель клеток нижележащих слоев кожи и солнечный ожог, так и от ИК излучения — одной из основных причин перегрева организма и «солнечного удара». Кроме того, под действием УФ- В появляется эдема – увеличение количества межклеточной жидкости в тканях человека (отёк).

УФИ обуславливает превращение вещества эргостерина, входящего в состав секрета сальных желез, в витамин D. Главным же истояником витамина D служит пища. Витамин D регулирует всасывание кальция в пищеварительном тракте и связанные с кальцием обменные процессы. Витамин D необходим для образования костей и зубов, способствует всасыванию фосфора и активации иммунитета (до 80 %). Тем самым без воздействия УФИ в соответствующих дозах нормальное функционирование организма невозможно.

Бактерицидный эффект УФИ широко используется в операционных и перевязочных отделениях клиник для дезинфекции помещений. Было установлено, что кривая гибели бактерий под действием УФИ (спектр фотобиологического действия) подобна спектру поглощения нуклеиновых кислот. Следовательно, можно предполагать, что гибель бактерий обусловлена повреждением именно нуклеиновых кислот.

Следует иметь в виду, что превышение оптимальных доз облучения УФИ, как и всякого энергетического воздействия на организм, чревато неблагоприятными последствиями. Так, при эритемном действии превышение средней эмпирической дозы 60 мэр·час повышает риск формирования онкоклеток (канцерогенез), а при дозах порядка 5…6 эр·час канцерогенез возникает с вероятностью, близкой к достоверности. Наряду с канцерогенезом превышение доз УФИ вызывает мутагенез — возникновение мутаций в клетках эпидермиса. Мутагенез и канцерогенез — два связанных механизма, которые возникают от воздействия УФИ на ДНК. Риск канцерогенеза возрастает при увеличении общей дозы УФ облучения, которую организм как бы «запоминает» на протяжении всей жизни. С этим связаны рекомендации врачей пожилым людям не находиться длительное время в местах с повышенной солнечной активностью. Под действием УФ излучения на кожу происходит ускорение старения коллагена, который отвечает за эластичность кожи.

В офтальмологии отмеченные граничные дозы могут вызвать временную потерю зрения, хорошо знакомую альпинистам («снежная слепота»); в качестве последствия возможен конъюнктивит (воспаление внешней оболочки глаза) и, как наиболее грозное осложнение, ведущее к полной слепоте — катаракта (помутнение хрусталика). Впрочем, данное воздействие не является однозначно предсказуемым и оспаривается некоторыми офтальмологическими школами.

Для УФ диапазона справедливо правило Бунзена-Роска: эффект облучения зависит от дозы и, следовательно, может достигаться при разной интенсивности излучения:

Х = I · t,

где Х — плотность экспозиционной дозы (Дж/м²). Данное соотношение доказано для диапазона изменения интенсивностей в пределах 10⁵ раз. Таким образом, большие дозы можно получить даже при низкой интенсивности УФ-излучения. Отклонения от правила Бунзена-Роска возможны как при малых, так и при и больших уровнях облученности (здесь весьма значителен индивидуальный разброс значений).

Воздействие УФИ на человека зависит от дозы: при малых и умеренных дозах УФ-В оказывает тонизирующее действие, укрепляет защитные силы организма.

 

3.1.3. Озоновые дыры

Озон представляет собой аллотропную форму кислорода (О₃) и присутствует всегда в атмосферном воздухе, возникая в результате фотохимических реакций, обусловленных солнечной радиацией. Озон был впервые обнаружен в 1785 году при искровом разряде в воздухе голландским физиком Ван Марумом и получил свое название в опытах Шёнбейна в 1840 году от греческого слова «пахнущий». В настоящее время существует много методов получения озона, но главным образом в смеси с воздухом или кислородом. Чистый газообразный озон можно получить с помощью фракционного очищения и дистилляции смеси его с кислородом. Молярная масса озона 4,8·10^-2 кг·моль^-1, плотность при нормальных условиях 2,14 кг·м^-3, температура плавления -193^оС, температура кипения -112^оС. В нормальных условиях озон представляет собой газ бледно-фиолетового цвета.

Мартинус Ван Марум (1750-1837) Голландский физик и врач, заведовал отделением естественных наук и физики в музее Тейлера (Гарлем). Автор экспериментальных исследований в области электростатики, электромеханических и термоэлектрических явлений. Предвосхитил классические опыты Фарадея в части взаимосвязи электричества и магнетизма, положил начало исследованиям в области электрофизиологии.

Христиан Фридрих Шёнбейн (1799-1868) Немецкий химик, профессор Базельского университета. Впервые предложил способ получения озона в процессе гидролиза воды с помощью электрической дуги. Он же присвоил полученному газу со специфическим запахом название «озон», происходящее от греческого слова «озиен», что значит «пахнуть».

Еще в середине XIX столетия представителями русской гигиенической школы озон был предложен в качестве средства для обеззараживания питьевой воды и воздуха от патогенной микрофлоры, так как является высокоэффективным дезинфицирующим средством и активным дезодорантом.

В настоящее время отмечается широкое внедрение озона в различные отрасли промышленности, сельского хозяйства, медицины, что объясняется его высокими окислительно-восстановительными свойствами (озон уступает по окислительным характеристикам только фтору), доступностью получения его в необходимом месте из кислорода воздуха с помощью простых установок, не требующих дополнительных химических реагентов и топливных ресурсов, за исключением сети электрического тока. Немаловажным фактором, определяю-щим интерес производственников к озону, являются экономическая выгода в использовании озона (его стоимость в 2...3 раза ниже стоимости других окислителей) и безотходность технологического цикла. Преимуществом озона по сравнению с другими химическими соединениями является его экологическая чистота, так как он не загрязняет окружающую среду, быстро разлагается, не оставляя вредных соединений, и при малых концентрациях в воздухе и воде не обладает токсическим воздействием на организм человека и животных.

С другой стороны, большая концентрация озона в приземной части атмосферы вредна для здоровья человека и инфраструктуры (действует на различные материалы, линии электропередач, например), повреждает сельскохозяйственные культуры.

Озоновый слой (О₃) преобладает на высоте 25...28 км. Содержание озона в атмосфере определяют по измерениям интенсивности прямой солнечной радиации в УФ диапазоне. На высоте 20...60 км под действием УФИ с l < 200 нм образуется слой озона, который поглощает более длинноволновое УФИ. Область длин волн свыше 280 нм находится в окне «озонной прозрачности». Наиболее сильно озон поглощает УФ- С («вакуумный ультрафиолет»). Локальный максимум поглощения озона приходится на длине волны l_max = 253,65 нм (интенсивность излучения с длиной волны l = 250 нм озоновый слой ослабляет в 10⁴⁰ раз). В результате спектр солнечного излучения при его измерении с поверхности Земли обрывается приблизительно на 290 нм (рис.3.2).

Таким образом, атмосферный О₃ является естественной защитой биосферы Земли от разрушения солнечным излучением нуклеиновых кислот, которые активно поглощают УФ с l< 280 нм (рис. 3.3).

Рис. 3.2.Зависимость относительной интенсивности УФИ Солнца над земной атмосферой (верхняя кривая) и после ее прохождения (нижняя кривая) от длины волны излучения.

Обнаружено падение концентрации озона над полюсами Земли (на 40%), а также над крупными городами (например, над Москвой — до 30%). Такие изменения получили название «озоновые дыры» и вызывают опасения учёных и общественности на предмет губительного воздействия солнечного излучения на организм.

Существуют несколько предположений появления озоновой дыры:

1) такие изменения концентрации озона происходили всегда;

2) влияние экологического загрязнения атмосферы, в частности фреоном.

Рис. 3.3. Спектральные плотности распределения относительной биологической эффективности (спектра действия) 1 – поражение ДНК; 2 – эритемный эффект; 3 – сечение поглощения излучения озоном; 4 – интенсивность УФИ Солнца.

В атмосфере толщина озонового слоя зависит от сезона, солнечной актив-ности, коррелирует с изменением температуры. Над Антарктидой наиболее значительное уменьшение озонового слоя происходит в весенний период (сен-тябрь-октябрь). Над Арктикой, напротив, в весенний период (апрель) находится максимальное количество О₃, минимальное наблюдается в октябре.

Однако надежных сведений о поведении арктической «дыры» на сегодня не имеется.

Известно, что разрушению озонового слоя способствуют фреоны (химические вещества, производные от метана, этана и циклобутана, содержащие хлор и/или фтор), окислы азота, закись азота, окись хлора, лёд в облаках (химические вещества в виде твердых частиц), вещества, содержащие нечётный водород (ОН, НО₂, Н, Н₂О₂ и т.д.), бром, аэрозоли (твердые и жидкие частицы, взвешенные в воздухе), сера. Так, фреоны поднимаются в стратосферу, где разлагаются УФ с l < 200 нм с освобождением ClO и активного хлора. Однако и здесь имеющиеся данные не могут считаться достаточными для установления влияния фреона на озоновый слой. Например, отсутствуют сведения о динамике концентрации фреона по мере подъема над поверхностью Земли. Между тем принципиальную важность имеет количественная оценка процесса разложения, на ход которого влияют как метеоусловия, так и антропогенные факторы.

В целом сведения о последствиях появления «озоновых дыр» для природы и человека на сегодня являются недостаточными для практических выводов и рекомендаций.