Радіобіологія фул вершин (передмовалесс, вступлесс етс. едишн)

260

законами геометричної оптики. І ще одне, ІЧ–випромінювання обумовлено стохастичними збудженнями електронів та їх зворотнім переходом на основний рівень.

Випромінювання ІЧ–діапазону підрозділяють, за однією з класифікацій, на ближню область від видимого діапазону (довжина хвилі 0,76 – 2,5 мкм), середню (2,5 – 50 мкм) та далеку (50 – 1000 мкм). Інший підхід – це класифікація на короткохвильове (довжина хвилі 0,75 – 50 мкм) та довгохвильове (50 – 1000 мкм) ІЧ– випромінювання.

Всі тіла, температура яких більше абсолютного нуля (-2730С), випромінюють енергію в ІЧ–діапазоні за рахунок теплового збудження електронів атомів та молекул, утворюючи неперервний енергетичний спектр з максимумом, який характерний для кожної температури. У більш холодних об’єктів максимум ІЧвипромінювання знаходиться в довгохвильовій області. Зі збільшенням температури об’єктів зростає інтенсивність ІЧвипромінювання, а максимум зміщується в область більш коротких довжин хвиль. Збільшення інтенсивності ІЧ–випромінювання з підвищенням температури підчиняється закону Стефана-Больцмана:

P S Ι T 4

де P - випромінююча здатність; - постійна Больцмана, яка дорівнює 5,7∙10-8 кВт/м2∙К4; S - площа випромінювача; I - випромінююча здатність; T - абсолютна температура (К).

Випромінююча здатність змінюється від 0 до 1,0. Для полірованого алюмінію воно дорівнює 0,05; для блискучих предметів – 0,2; для „чорного тіла” – 0,9.

Оскільки нагріте тіло (за температури T1 ) випромінює у довкілля (температура T2 ), то більш коректне представлення формули Стефана

– Больцмана, яке враховує і зворотне випромінювання від довкілля, наступне:

P S I [(T14 T24 )] .

Розподілення енергії випромінювання в залежності від довжини хвилі (ЕλТ) для абсолютно „чорного тіла” визначається рівнянням Планка:

Еλт = с1λ-5[exp(c2·Т/λ)-1],

де λ – довжина хвилі, см; с1 – 3,7·104 Вт·мкм/см2; c2 – 1,4·104 мкм; Т – абсолютна температура, К.

Довжина хвилі, яка відповідає максимуму ІЧ-випромінювання (λmax) абсолютно „чорного тіла”, визначається рівнянням Віна:

λmax = b/T,

261

де b – постійна Віна, яка дорівнює 2,9·10-3 м·К; Т – абсолютна температура, К.

При типових земних температурах максимум інтенсивності ІЧвипромінювання відповідає довжині хвилі біля 10 мкм. Більша частина ІЧ-випромінювання в довкіллі отримується від Сонця (біля 45% його енергії випромінюється в ІЧ-діапазоні) та опосередковано від тіл, які були нагріті сонячними променями. Існує багато інших джерел ІЧ-випромінювання природного та штучного походження, включаючи екзотермічні реакції та горіння.

За звичайних умов надлишок тепла тіла людини на 55 – 60 % випромінюється в ІЧ–діапазоні, на 25 – 30 % - випарювання, лише приблизно 15 % - конвекцією повітря; внесок теплопровідності повітря не перебільшує 1%.

Монохроматичними джерелами ІЧ–випромінювання є лазери

(LASER – Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation –

підсилення світла в результаті змушеного випромінювання). Основною рисою лазерного випромінювання, в тому числі і в ІЧ – діапазоні, є когерентність (синхронізованість випромінювання за формою), висока направленість та велика щільність потоку енергії. В лазерах відбувається перетворення різних видів енергії в енергію лазерного випромінювання. Активне середовище лазера, яке розміщено між двома дзеркалами (газове, рідинне, твердотільне), утворює оптичний резонатор. Його атоми збуджуються світлом, електричним розрядом у газах, хімічними реакціями, бомбардуванням електронами тощо. Існують лазери безперервної та імпульсної дії.

Лазерне випромінювання може приводити до деструкції тканини. Вони широко застосовуються в медицині для лікування онкозахворювань, в нейрохірургії, дерматології, лікуванні відшаровування сітківки ока тощо.

Випромінювання ІЧ–діапазону знайшли широке застосування при досліджені структури електронних оболонок атомів та молекул, а також у якісному та кількісному спектральному аналізі.

При дистанційному виміру температури нагрітих тіл, зокрема тварин та людини, використовують їх особисте ІЧ–випромінювання. За звичайних умов спектр ІЧ–випромінювання з поверхні тіла людини знаходиться в діапазоні 2–60 мкм з максимумом при довжині хвилі приблизно 10 мкм і середньою інтенсивністю 3,5 мВт/см2. За ІЧ–термографії (тепловиділення) досліджуються теплові характеристики не глибоко розміщених органів, а також кровоносних судин. Сучасні термографи (тепловізори) здатні реєструвати різницю

262

температур в 0,10 С між точками, які знаходяться на відстані 1 мм одна від іншої. Використання комп’ютерної техніки дозволяє значно підвищити чутливість таких приладів. На цьому принципі (реєстрація ІЧ–випромінювання) засновані прилади нічного бачення.

Теплокровні тварини не сприймають очима ІЧ–випромінювання, оскільки енергія їх квантів недостатня для збудження зорових рецепторів сітківки ока. В той же час холоднокровні тварини (комахи, рептилії тощо) здатні сприймати ІЧ–випромінювання, оскільки мають терморецептори або термочутливі нервові закінчення.

Короткохвильове ІЧ – випромінювання відносно глибоко проникає в тканини тварин та людини – на декілька сантиметрів, а довгохвильове – декілька міліметрів і затримується поверхневими шарами шкіри. Пігментована шкіра поглинає біля 60% ІЧ– випромінювання, а не пігментована – 40%. Проходження ІЧ– випромінювання через речовину супроводжується розсіюванням і поглинанням енергії. При цьому основна частина поглиненої енергії перетворюється у тепло. Особливістю цього випромінювання у порівнянні з ПВЧ і особливо УВЧ–випромінювання – це тільки поверхневий нагрів, стохастичний характер, а не синхронні коливання дипольних молекул. Крім того, за дії ІЧ–випромінювання на організми, зокрема людину, вивільнюються високоактивні речовини (наприклад, гістамін та гістаміноподібні речовини).

Біологічна дія ІЧ–випромінювання спричиняється не тільки термогенним проявом, але і проявом фотохімічних реакцій. В залежності від довжини хвилі та величини поглиненої енергії може мати місце як стимуляція так і пригнічення життєдіяльності клітин та тканин, а за сильних опіків навіть їх загибель. Оскільки ІЧ– випромінювання здатне проникати в тіло людини на глибину декількох сантиметрів, то воно може безпосередньо впливати на підшкірні терморецептори та кровоносні судини. Розігріта таким чином кров циркулює по всьому тілу і може приводити до загального підвищення температури тіла. Надлишкове тепло здатне викликати судоми, знесилля (втрата сил, безпорадність), а також лихоманку, яка супроводжується збільшенням температури тіла і зменшенням потовиділення. Крім того, виникає відчуття дискомфорту і втрати апетиту, невелике зневоднення.

Як вже відмічалося, у місці опромінення шкіри ІЧ– випромінюванням можуть виникати специфічні високоактивні речовини, які здатні розноситися кров’ю по всьому організму. До них відносяться, зокрема, нітроген, амінокислоти, поліпептиди, гістамін та гістаміноподібні речовини тощо.

263

За невеликих інтенсивностей ІЧ–випромінювання фізіологічні зсуви в організмі людини мають, головним чином, рефлекторний характер, який реалізується через центральну нервову систему. В цьому випадку механізми дії пов’язані з подразненням теплових рецепторів, які знаходяться під шкірним покривом.

За великих інтенсивностей ІЧ–випромінювання його дія реалізується гуморальною регуляцією через кров, лімфу та тканинну рідину. У цьому випадку відбувається не тільки подразнення підшкірних рецепторів, але і деструктивні зміни в шкірному покриві, що приводить до потрапляння в кров продуктів тканинного розпаду, які можуть негативно впливати на функціонування клітин і тканин. Так, наприклад, за дії ІЧ–випромінювання довжиною хвилі 1 – 5 мкм та інтенсивністю 700 – 1400 Вт/м2 відбувається рефлекторна зміна частоти серцевих скорочень. За більш високої інтенсивності ІЧ– випромінювання, яке приводить вже до невеликого підвищення температури, виникає певне зниження активності центральної нервової системи, яке пов’язане зі збільшенням активності холінестерази, що утруднює передачу нервового збудження.

Встановлено також, що зі збільшенням інтенсивності (щільності потоку енергії) ІЧ–випромінювання, особливо за високих температур довкілля, змінюється ряд фізіологічних показників, зокрема, температура тіла, частота серцевих скорочень та вага (табл. 9.19).

Таблиця 9.19. Частота пульсу та втрати ваги людини при опроміненні ІЧ–випромінювання за різної температури довкілля

264

Примітка: опромінювання проводилось 1 год, крім позначених * - менше 1 год через перегрів та печіння; довжина хвилі ІЧ– випромінювання 5,3 – 9 мкм.

Суттєве порушення терморегуляції відбувається при інтенсивності ІЧ–випромінювання більше 2000 Вт/м2.

9.11. Видиме світло

Видима частина спектра ЕМВ знаходиться в діапазоні довжини хвиль від 380 нм (фіолетове світло) до 760 нм (червоне світло). Цей діапазон виділено в окремий, оскільки майже половина сонячної енергії потрапляє на поверхню Землі саме у цьому діапазоні, що зумовлює виникнення та існування біосфери, а завдяки фотосинтезу

– процесу перетворення рослинами та фотосинтезуючими мікроорганізмами електромагнітної енергії в енергію хімічних зв’язків органічних молекул. Крім того, видиме світло сприймається очами людини та багатьох тварин, що дає необхідну інформацію про довкілля. Максимум чутливості їх очей співпадає з максимумом в спектрі видимого діапазону світла Сонця – довжина хвилі 0,57 мкм (зелена область спектру). При низькому рівні освітлення максимум зміщується в блакитну частину спектру – 0,51 мкм. За оптимальних умов око людини може розрізняти кольорові відтінки, довжина хвилі яких розрізняється на 1 нм.

Штучні джерела світла створені таким чином, що за спектральними характеристиками вони близькі до сонячного світла. Звичайна лампочка з вольфрамовою ниткою накалювання потужністю 40 Вт створює світловий потік 470 люменів, а такою ж потужності люмінесцентна – 2670 люменів. В даний час існують люмінесцентні лампи, які забезпечують найінтенсивніше випромінювання у видимій області спектру.

Дію, в тому числі біологічну, проявляє світло, яке поглинається. Потік світла, який проходить через систему, яка опромінюється, зменшується за рахунок поглинання світлових квантів молекулами речовини у відповідності до закону Бугера – Ламберта – Бера:

E = lg(I0/I)=lgT = ξ · c · l

де E - екстинція (оптична щільність), яка характеризує ступінь поглинання світла; I0 та I - відповідно інтенсивності падаючого

світла та того, яке пройшло у зразку відстань l ; T - світлопропускання; - молекулярний коефіцієнт поглинання; c - молярна концентрація розчину речовини.

265

Для оцінки кількості поглиненої енергії більш зручно користуватися іншим виразом закону поглинання світла, до якого входить величина пропускання світла (Т):

Т = І/І0,

За використання цього співвідношення

Е = - lgТ

Величина (1-Т) визначає частку поглиненого світла.

Різноманіття біологічних ефектів, які викликаються видимим світлом, обумовлено фотохімічними реакціями, тобто хімічними реакціями, які відбуваються в біологічних об’єктах за дії світла. Ці реакції можуть протікати тільки при поглинанні квантів світла (фотонів) певними молекулами речовини, хромофорами, до яких відносяться, наприклад, каротиноїди і хлорофіли, родопсин (зоровий пігмент ока), та ін. Для виникнення фотохімічних реакцій необхідно, щоби енергія фотонів поглинулась і привела до утворення фотовідновлених продуктів (світловий етап), які здатні вступати в різні окисно-відновні реакції. Найвідоміші біологічні ефекти видимого світла – фотосинтез, зорове сприйняття сітківкою ока довкілля в умовах освітлення, фотоокиснення різних сполук, фотоперіодизм, фототаксис, фотодинамічна дія, явище фотореактивації. Фотосинтез, як вже відзначалося, це синтез органічних речовин з простих (води та вуглекислого газу) за використання енергії світла. Кожен рік наслідком фотосинтезу на Землі є утворення приблизно 150 млрд. тон органічних речовин. При цьому виділяється в атмосферу приблизно 200 млрд. тон вільного оксигену (О2) та засвоюється 300 млрд. тон вуглекислого газу (CO2). Фотоперіодизм – періодичне регулювання добових та сезонних ритмів життя в залежності від інтенсивності світла; фототаксис – направлений рух вищих рослин, водоростей, найпростіших; фототропізм – фотозалежний направлений рух за джерелом світла (наприклад, соняшника). Ці фотобіологічні ефекти надають рослинам можливості пристосовуватися до змін інтенсивності сонячного випромінювання, а тваринам – орієнтуватися у довкіллі.

Широко відома фотодинамічна дія світла – сенсибілізуючий вплив світла при його поглинанні пігментом або барвником (рибофлавіном, порфіринами, акридином та ін.) в присутності оксигену. У цьому випадку сумісна дія барвника і світла посилюється у порівнянні з впливом кожного з цих чинників окремо. За такого механізму можливе виникнення еритем та запалень шкіри при нанесені на шкіру барвників. Відомі випадки канцерогенних

266

процесів при фотодинамічній дії світла, особливо в пігментованих її ділянках .

Якщо видиме світло використати зразу після впливу іншого чинника, наприклад, ультрафіолетового, то проявляється його інактивуюча дія – явище фотореактивації.

Удеяких випадках інтенсивне світло може діяти як стресор – викликати несприятливі фізіологічні реакції. Стресорами можуть також бути ритмічні або синхронізовані з біоритмами зміни інтенсивності світла.

Увидимій області спектру створені лазери, подібні до таких в ІЧ – області (див. підрозділ 9.10). Для потужного випромінювання цих лазерів також характерний тепловий ефект у вигляді опіку і навіть випаровування клітинних структур. За дії такого випромінювання можуть уражатися внутрішні органи: виникати набряки, крововиливи, некрози. У біологічних тканинах здатні утворюватися вільні радикали, які взаємодіють з біологічно важливими молекулами,

іце може спричинювати порушення процесів метаболізму на клітинному рівні.

Найбільш вразливими для лазерного випромінювання є очі. За великих потужностей може відбуватися коагуляція білка рогівки та опік слизової оболонки, пошкодження інших структур. Наслідок цього

– погіршення зору або навіть його незворотна втрата.

Слід відмітити, що тіло людини здатне випромінювати кванти світа у видимому діапазоні. Так, 1 см2 шкіри людини за 1 с здатний спонтанно випромінювати у всі боки 10-60 квантів, головним чином у синьо-зеленій області спектру. Найбільше випромінювання сходить з кінчиків пальців, значно слабше – від живота. Це світіння залежить від функціонального стану людини і підвищується при його активації, а знижується при спокої.

Попереднє засвічення шкіри викликає значне (у тисячі разів) посилення світіння (індуковане світіння), яке потім спадає за одиниці, а деколи і десятки хвилин. Подібний ефект може викликати обробка шкіри деякими хімічними речовинами, зокрема водню пероксидом (Н2О2).

Найбільш вірогідний механізм такого світіння у видимому

діапазоні – це хемілюмінісценція, яка викликана пероксидним окисненням ліпідів (ПОЛ), що супроводжується появою радикалів, тобто молекул у збудженому електронному стані. При взаємодії таких радикалів можливе випромінювання світла, хоча і у малій кількості випадків (декілька відсотків). Можливі також інші механізми такого світіння. Так, наприклад, при індукованому світінні виникає

267

випромінювання активованих нейтрофілів крові, що пов’язано з генерацією активних форм оксигену (АФО).

9.12. Неіонізуюче ультрафіолетове випромінювання.

Ультрафіолетове випромінювання (УФ) – це ЕМВ з довжиною хвилі від 10 нм до 380 нм. За довжини хвилі менше 200 нм УФ– випромінювання є іонізуючим (довжина хвилі 200 нм – енергія квантів 6 еВ, 20 нм – 60 еВ). Ближня (до видимого діапазону) область УФ–випромінювання має довжину хвилі 200 – 380 нм, а дальня (або вакуумна) 10 – 200 нм. Таким чином, ближній УФ–діапазон не викликає іонізацію атомів або молекул. Він розділяється, як вже відмічалося, на піддіапазони: УФ–А (320 – 380нм), УФ–В (290 – 320нм), УФ–С (200 – 290 нм). Незважаючи на те, що щільність потоку УФ–А діапазону майже в 10 разів більша, ніж УФ–В, його дія проявляється тільки в пігментації шкіри (засмазі). Випромінювання УФ–В діапазону здатне викликати фотохімічні реакції, а УФ–С - поверхні Землі не досягає, але воно приймає участь у формуванні озонового шару.

Випромінювання УФ–діапазону широко використовується для дистанційного зондування поверхні Землі, атмосфери і гідросфери за допомогою супутників.

Природним джерелом УФ–випромінювання є Сонце. Біля 5% сонячної енергії, яка падає на Землю, саме приходиться на УФ– діапазон. Значна частка (60–80%) УФ-випромінювання Сонця потрапляє з 9 години до 15 години, а в інший час доби потік цього випромінювання складає 20–40%, причому існують не дуже виражені відмінності по широті місцевості. Джерелом УФ–випромінювання є також електрони високих енергій, які рухаються у середовищі зі швидкістю, яка більше швидкості світла в цьому середовищі, а також деякі лазери. Широке застосування, як джерело УФ–випромінювання, знайшли меркурієві (ртутні) люмінесцентні лампи.

Механізм поглинання УФ–випромінювання подібний до такого для видимого світла (див. підрозділ 9.11). Потік УФ–випромінювання Сонця зменшується у воді в 2 рази на глибині 2–4 м в залежності від ступеню забруднення води. При невеликому ступеню забруднення він зменшується в 10 разів на глибині 10–15 м, а на глибині 25–45 м – в 100 – 1000 разів. Глибина проникнення УФ–випромінювання у воді ще більше зменшується зі збільшенням ступеня її забруднення.

Серед різних видів скла тільки кварцеве скло пропускає УФ– випромінювання, плексигласове скло значно поглинає короткохвильову частину спектра. Звичайне віконне скло, яке

268

прозоре для видимого світла, не пропускає біологічно активні діапазони УФ–випромінювання.

Встановлено, що зі зменшенням довжини хвилі коефіцієнт поглинання УФ–випромінювання збільшується, і при довжині хвилі менше 105 нм прозорих до цього типу випромінювання середовищ практично немає.

Особливі біологічні ефекти за дії УФ–випромінювання в залежності від довжини хвилі наведені в табл.9.20:

Таблиця 9.20. Значення довжин хвиль УФ – випромінювання, які ініціюють біологічні ефекти

Один з біологічних ефектів дії УФ–випромінювання на клітини – взаємодія з ДНК, наслідком чого може бути порушення нормальної життєдіяльності клітин. Існує думка, що саме нуклеїнові кислоти, максимум поглинання яких при 260 нм, і є основною мішенню УФ– випромінювання у випадку загибелі клітин, що викликається мутаціями.

Дія УФ–випромінювання на шкіру (а воно за довжиною хвилі менше 380 нм здатне проникати на глибину до 2 мм) проявляється у появі еритеми (почервоніння, перша стадія засмаги) та пігментації (друга стадія засмаги). Різниця між чутливістю світлої та темної шкіри обумовлена різною глибиною проникнення, оскільки

269

відбиваюча здатність цих типів шкіри для УФ–випромінювання приблизно однакова. Почервоніння шкіри виникає через 1 – 6 год після опромінення і зберігається декілька діб. Величина ефекту залежить від часу опромінення та інтенсивності УФ–світла. Механізм виникнення УФ–індукованої еритеми пов’язаний з розширенням кровоносних судин, які знаходяться глибше, може проникати УФ– випромінювання. Розширення судин відбувається за дії гістаміну та гістаміноподібних сполук, які вивільнюються за дії цього випромінювання.

Пігментація з’являється більш пізніше, ніж еритема, і зберігається довше після виникнення. Крім того, для пігментації спостерігається зниження ефективності дії УФ–випромінювання за повторних впливах, тому дозове навантаження може постійно зростати.

.

Таблиця 9.21. Значення відносного ризику виникнення онкозахворювань шкіри і смерті від них у населення білої раси північної півкулі Землі (кількість випадків на 106 людей)

Випромінювання УФ–діапазону здатне викликати злоякісні пухлини шкіри – меланому та немеланомні базальноклітинні і плоскоклітинні реакції. В табл. 9.21, наведені відносні ризики виникнення онкозахворювань шкіри і смертність від раку населення білої раси. За одиницю ризику прийнято 150 випадків немеланомних пухлин і 4,7 випадків меланомних пухлин з розрахунку 106 людин на рік, а для смертності від меланоми 2,2 випадки на 106 людин на рік на 500 північної широти.

Слід відмітити, що люди з пігментованою шкірою значно менше хворіють на ці хвороби. Так, наприклад, частота виникнення злоякісних пухлин у негритянського населення більше ніж в 60 разів, а у латиноамериканського – в 7 – 10 разів нижча, ніж у населення