Биологическое действие ик излучения.
Биологическое действие ИК излучения в основном определяется производимым им нагревом тканей. Повышение температуры активизирует деятельность клеток, ускоряет их размножение и обменные процессы.
Растения в процессе эволюции выработали способность поглощать лишь необходимые для фотосинтеза участки видимого спектра, и если они живут в условиях солнечного освещения, то не нуждаются в тепловом излучении, которое приводило бы к избыточному нагреву. Поэтому такие растения обладают способностью отражать ИК часть спектра. Живущие в темноте мхи и водоросли, наоборот, поглощают ИК лучи. Мало того, листья, растущие на свету, отражают гораздо больше ИК излучения, чем листья того же растения, находящиеся в затененных местах. Таким образом, степенью поглощения и отражения ИК излучения растения регулируют в определенных пределах свою температуру.
Первичное действие ИК излучения начинается с эффектов, происходящих в коже. Волосяной покров, роговой слой кожи, весь эпидермис прозрачны для ИК излучения, и оно поглощается преимущественно в дерме, но некоторая его часть (25–30%) проникает на глубину до 2,5–4 см, достигай подкожного жирового слоя и даже расположенных под ним органов. Температура тех слоев кожи, в которых излучение поглощается, повышается, что приводит к раздражению содержащихся в коже рецепторов. В последних возникают потенциалы действия, поступающие в центральную нервную систему, которая управляет механизмом терморегуляции. В результате в месте облучения количество циркулирующей крови возрастает, увеличивается снабжение ткани кислородом, что и ведет к активизации ее биологических функций. Поэтому действие облучения не ограничивается только тем местом, которое подвергалось облучению. Длинноволновое излучение поглощается в верхних слоях тканей и вызывает в них гиперемию, тогда как более коротковолновое излучение проникает в ткани на глубину до 6–8 см, вызывая прогревание внутренних органов. ИК облучение широко применяют в медицинской физиотерапии. Его используют при лечении заболеваний кожи, лимфатической системы, суставов (артриты, ревматизм), плевритов, маститов и пр. ИК излучение, сильно поглощаясь водой, усиливает испарение и тем самым оказывает высушивающее действие на влажные поверхности. Это свойство находит применение при лечении мокнущих экзем, обмораживании и т. п. Преимущество ИК терапии перед другими тепловыми методами лечения в более глубоком прогревании. Кроме того, отсутствует контакт между источником тепла и органом, чем устраняется раздражение тканей и их загрязнение, что особенно важно при открытых повреждениях. Возможно также ИК облучение через тонкие повязки, так как оно проникает через обычные перевязочные материалы.
В промышленных производственных комплексах используют выпускаемые отечественной промышленностью лампы ИКЗК, ИКЗС и др., дающие излучение с длиной волны 1 мкм. В последние годы стали применять галогенные лампы КГД, КГТ, КГО и некоторые другие, обладающие более стабильным световым потоком и повышенной светоотдачей. Используют также «темные» источники длинноволнового ИК излучения, представляющие собой металлические трубки, внутри которых находится нагреваемая током проволока, запрессованная в огнеупорное вещество. Такие тепловые электронагреватели (ТЭН) при температуре поверхности около 450 К создают излучение с длинами волн lМ = 4–5 мкм. Обычная тепловая обработка молока при пастеризации несколько влияет на его химический состав, снижая его вкусовую и биологическую ценность, требует громоздкого оборудования, значительных затрат и времени. Обработка молока от ИК источников быстро и практически полностью уничтожает в молоке микрофлору с очень незначительным изменением его вкусовых и пищевых качеств.
Следует помнить, что ИК излучение оказывает вредное действие на глаза, поскольку сильно поглощается хрусталиком и стекловидным телом. Оно может приводить к катаракте, отслоению сетчатки и другим заболеваниям глаз, которые наблюдают у пекарей, литейщиков, кузнецов и работников других профессий, имеющих дело с раскаленными телами, испускающими значительное ИК излучение. Поэтому при работе с такими источниками необходимо надевать защитные очки.
Исключительно важное значение приобретает в последнее время термография, основанная на регистрации с помощью электронно-оптических преобразователей ИК излучения, испускаемого тканями человека и животных. Поскольку ИК излучение поглощается тканями значительно слабее, чем видимый свет, то оно несет с собой информацию о находящихся под кожей тканях и позволяет видеть детали, неразличимые в видимом свете. Хорошо видны на ИК снимках или на телеэкранах находящиеся близко под кожей вены, так как температура крови немного выше температуры окружающих сосуды тканей, и они создают более интенсивное ИК излучение. Снимки вен позволяют обнаруживать места закупорки сосудов, поскольку очаги воспаления имеют температуру более высокую, чем окружающие ткани. Современные методы регистрации ИК излучения позволяют обнаруживать места локализации тромбов или злокачественных опухолей, даже если их температура превышает окружающую температуру па сотые доли градуса. Вывод информации на ЭВМ дает возможность за считанные секунды получить своеобразную термограмму – силуэт исследуемого участка органа, «нарисованный» цифрами, соответствующими температурам внутри ткани. Информация при этом получается не от 5–10 точек ткани, как при обычной термографии, а от нескольких тысяч точек, что резко повышает достоверность диагностики.
Своеобразными термолокаторами, регистрирующими ИК излучение, обладают змеи. Уже давно биологи нашли у гремучей змеи между носом и глазами два конических углубления, покрытых тонкой мембраной, в которой находится большое количество нервных окончаний. Долгое время роль этих мембран оставалась загадочной, и только в 1937 г. выяснилось, что это не что иное, как «тепловые глаза» – термолокаторы, способные улавливать ИК излучение и определять по его направлению местонахождение нагретого объекта. Чувствительность термолокатора змеи очень велика. Она может обнаружить в полной темноте мышь, находящуюся от нее на расстоянии 20 см, за счет того, что температура воздуха, нагретого телом мыши, на этом расстоянии больше температуры окружающего воздуха на 0,01° С. Точно так же змея обнаруживает лягушек, понижающих температуру окружающего воздуха за счет испарения влаги с их кожи на еще меньшую величину. Чувствительность «теплового глаза» змеи составляет примерно миллионные доли ватта. Изучение этого удивительного органа позволило бионикам создать термолокаторы, обладающие почти такой же чувствительностью, но значительно превышающие термолокаторы змей по габаритам.
Спектры поглощения и спектры фотобиологического действия.
Спектр поглощения – кривая зависимости параметра s от длины волны поглощаемого света.
Спектром фотохимического действия называют зависимость параметра s х от длины волны поглощаемого света.
В общем случае спектром фотобиологического действия (спектром действия фотобиологических процессов) называется зависимость фотобиологического эффекта от длины волны действующего света.
Например, можно снять спектр действия эритемы (эритема – покраснение, обусловленное расширением кровеносных сосудов и повышением концентрации гемоглобина в коже). Для этого нужно на выбранном участке кожи выделить одинаковые сегменты (квадраты определенного размера) и облучить каждый из них УФ излучением одинаковой дозы (минимальной), но разной длины волны. Затем регистрировать степень покраснения на различных участках. В результате получится зависимость, представленная на рис., которая и представляет собой спектр действия эритемы.
Изучение спектров действия эритемы показало, что они представляют собой сумму по крайней мере двух кривых, соответствующих индукции УФ-В- и УФ-С-эритемы. Выявить этот факт удалось, регистрируя эритемную эффективность через разное время после облучения. Дело в том, что УФ-С-эритема проходит быстрее чем, чем УФ-В-эритема. Если регистрацию проводить через 8 ч после облучения, то основной вклад дает УФ-С-эритема. Через сутки вклад обоих процессов примерно одинаков. Через несколько суток регистрируемый спектр соответствует спектру действия только УФ-В-эритемы. Таким образом, анализ спектров действия эритемы подтверждает качественные отличия в действии различных диапазонов ультрафиолета.
Одна из задач при изучении фотобиологических процессов состоит в определение вещества, которое поглощает действующее излучение и тем самым участвует в первичных стадиях фотобиологического процесса. Для этого изучают спектр фотобиологического действия и сравнивают его со спектрами поглощения предполагаемых участников реакции.
При изучении действия света на белковые системы было установлено, что в растворах квантовый выход фотохимических реакций jх не зависит от длины волны действующего света. Отсюда следует, что спектр фотохимического действия sх = f(l) и спектр поглощения s = f(l) имеют одинаковый вид, так как различаются только постоянным множителем sх = s·jх . Таким образом, спектр фотохимического действия для каждого вещества по форме соответствует спектру его поглощения. Измерив (в разбавленных растворах) по дозовым кривым спектр действия, можно определить спектр поглощения участвующего в процессе вещества, не проводя никаких спектрофотометриче-ских измерений. Именно это и обусловливает интерес к регистрации спектров фотохимического действия в фотобиологии.
Путем сопоставления спектра фотобиологического действия со спектром поглощения разных биохимических соединений можно определить механизм воздействия света.
Действие УФ излучения на биологические объекты как пример фотобиологического процесса
УФ излучение – это электромагнитное излучение с длинами волн от 400 до 10 нм, находящееся между видимым фиолетовым и мягким рентгеновским излучением. Однако УФ излучение с длиной волны менее 200 нм не представляет медицинского интереса из-за сильного поглощения даже в тонком слое воздуха. Используемый диапазон УФ излучения условно делят на три области: А (400-315 нм), В (315-280 нм), С (280-200 нм).
Определение механизма воздействия УФ излучения на биосистемы. Рассмотрим на некоторых примерах, как по спектру фотобиологического действия определяют механизм воздействия УФ излучения.
При исследовании процесса гибели бактерий под действием УФ излучения определялось число бактерий до облучения и число бактерий через некоторое время после облучения. Процесс изучался при различных длинах волн в области 200-300 нм. В результате исследования была получена кривая гибели бактерий под действием УФ излучения (спектр фотобиологического действия). Оказалось, что форма этой кривой похожа на форму спектра поглощения только одного вещества в клетке – нуклеиновой кислоты. Кроме того обе кривые имели максимум в одной и той же области – 265 нм. На этом основании был сделан вывод, что гибель бактерий под действием УФ излучения связана с повреждением именно нуклеиновых кислот. На этом основано использование в медицине для обеззараживания помещений ртутных бактерицидных ламп, излучающих монохроматический свет с длиной волны 254 нм, что соответствует максимуму спектра действия бактерицидного эффекта.
Аналогичный вывод был сделан при изучении мутагенного действия ультрафиолета: спектр действия – зависимость возникновения мутаций от длины волны УФ излучения – у кукурузы оказался идентичным спектру поглощения нуклеиновых кислот.
Однако такая простая аналогия имеет место не всегда. Например, известно, что УФ излучение, действуя на кожу, в некоторых случаях вызывает эритему (покраснение). Но в этом случае спектр действия не совпадает ни с одним из содержащихся в коже веществ. Кроме того, спектр действия зависит от времени после облучения. До сих пор нет четкого ответа на вопрос, какое вещество является хромофором в коже.
Фотосенсибилизированные реакции. В некоторых случаях наблюдается резкое повышение светочувствительности биологических систем. Чаще всего это происходит при попадании в объект экзогенных хромофоров, поглощающих видимый или УФ свет.
Фотосенсибилизатор – вещество, повышающее чувствительность биообъектов к свету.
Фотосенсибилизированные реакции используют в медицине. Некоторые химические соединения фурокумаринового ряда, например псоралены, способны сенсибилизировать кожу больных к длинноволновому УФ излучению области А (УФ-А излучение) и стимулировать образование в меланоцитах пигмента меланина. При предварительном пероральном приеме таких препаратов с последующим УФ-А облучением они соединяется с тимидиновыми основаниями ДНК клеток дермы. Продукты такой реакции подавляют частоту митозов быстроделящихся клеток дермы и дифференцировку базальных слоев эпидермиса. В результате в процессе лечения происходит восстановление структуры кожи и ее пигментации. Совместное действие псораленов и УФ-А-излучения называют ПУФА-терапией.
При применении фотосенсибилизаторов необходимо соблюдать правила безопасности, чтобы избежать побочных негативных последствий. Так, например, часть сенсибилизаторов проникает в структуру глаза. Поэтому УФ-А облучение сенсибилизированных пациентов может привести к повреждениям роговицы, вещества внутренней камеры глаза, хрусталика (фотоповреждения хрусталика необратимы, так как поврежденные молекулы из него никогда не выводятся). Во избежание этого больные, получающие ПУФА-терапию, во время УФ-А облучения обязательно надевают светозащитные очки.
Больным, принимающим таблетки фурокумаринов, используемые при лечении кожи, запрещено в течение нескольких часов после приема находиться на прямом солнечном свету, поскольку он содержит значительное количество УФ-А-излучения.