43. Инфрачервено и ултравиолетово лъчение и тяхното биологично действие.

43.1. Инфрачервено излъчване

Инфрачервено излъчване е електромагнитното излъчване в диапазона между видимата светлина и късовълновите радиовълни - т.е.в диапазона 760nm - 1-2mm. Разделя се на близка ИЧ - от 760 до 2 500 nm, средна - от 2 500 до 50 000 nm и далечна - от 50μm до 2 mm. ИЧ излъчване има всяко нагрято тяло. Максимум на излъчването в ИЧ област имат тела с температура под 3800К до 1.5К. Следователно всички тела в обикновени условия излъчват в ИЧ диапазон.

В зависимост от типа на излъчвателя ИЧ спектър може да бъде непрекъснат или прекъснат (линеен). Непрекъснат спектър излъчват нагретите твърди тела, а линеен - възбудени атоми и газове.

За регистрация на ИЧ лъчение се използват два типа приемници - топлинни (термоелементи) и фотоелектрични (фотоелементи, фотосъпротивления), а също така и специални фотоемулсии.

Водата и водните пари силно поглъщат инфрачервеното лъчение. Това има важно значение за топлинния баланс на Земята. ИЧ излъчване на Земята се поглъща от водните пари в атмосферата и само малка част се излъчва в космическото пространство.

ИЧ спектроскопия е мощен метод за анализ на различни биологични обекти.

43.1.1. Биологично действие на инфрачервеното излъчване

Основния механизъм на действие на инфрачервеното излъчване е загряване на облъчваните обекти. При биологични обекти, ИЧ излъчване прониква на дълбочина около 20 mm и затова затопля главно повърхностните слоеве. Терапевтичен ефект се получава поради възникващите температурни градиенти, които активизират терморегулиращата система, усилва кръвообращението, снабдяването на тъканите с кислород и активизиране на биологичните функции.

ИЧ излъчване оказва вредно влияние върху очите, понеже силно се поглъща от лещата и стъкловидното тяло и може да доведе до катаракта и други заболявания на очите, които се наблюдават при ковачи, металурзи и др.

Растенията в процеса на еволюцията си са изработили способност да поглъщат само необходимите за фотосинтезата лъчения и да отразяват останалите, като например ИЧ. По този начин растенията регулират в определени граници своята температура.

43.1.2. Приложение

ИЧ излъчване се използва за лъчение на заболявания на кожата, лимфните възли, стави, мастити и др.

В селското стопанство се използват ИЧ лампи за загряване на помещения с млади животни. Използват се и за обработка на мляко с ИЧ лампи в диапазона 4-5μm.

Термографията е метод за регистрация на ИЧ излъчване на тъканите на човека и животните с помощта на електронно-оптични преобразуватели. Могат да се наблюдават намиращите се близо под кожата вени, тъй като температурата им е малко по-висока от тази на обкръжаващите ги тъкани; да се откриват места с възпалителни процеси; локализация на тромби в кръвоносни съдове; тумори; даже и температурата им да се отличава с десети от градуса.

43.2. Ултравиолетово лъчение

Ултравиолетовото лъчение е електромагнитно излъчване в диапазона от 400 до 10 nm. Практически интерес представлява диапазона от 400 до 100 nm, тъй като лъчение с дължина на вълната по-малка от 100 nm се поглъща даже от тънък слой въздух. Този диапазон се разделя на 3 области:

• UV—A - от 400 до 315 nm, която се нарича антирахитна
• UV—B - от 315 до 280 nm - еритемна
• UV—C - от 280 до 100 nm - бактерицидна

В слънчевата радиация УВ лъчението е до 9% от общия поток, но лъчение с дължина на вълната по-малка от 290 nm напълно се поглъща от атмосферата и до земята в диапазона UV—B достига само 0.1% от общия поток. Ако лъчението в UV—B и UV—С диапазона не се поглъщаше от земната атмосфера, нямаше да има живот на Земята.

Изкуствени източници на УВ лъчение - всички тела с температура по-голяма от 3000 К излъчват и УВ лъчение. Късовълново лъчение се получава и от възбудени в електричен разряд пари на метали или газове. От газоразрядните източници най- разпространени са живачните лампи с колби от кварц, който не поглъща УВ лъчение.

За регистрация на УВ лъчението се използват главно фотоелектрически приемници - фотоелементи, фотоелектронни умножители, фотоплаки, луминисциращи вещества.

При взаимодействие на УВ лъчение с веществото се наблюдават следните реакции - фотоефект, фотохимични реакции, луминесценция.

43.2.1. Биологично действие на УВ лъчение.

В основата на биологичното действие на УВ лъчението стоят главно фотохимични реакции с биополимери - белтъци и нуклеинови киселини фотоефектът. Под действието на УВ лъчение се избиват от молекулите електрони и се променя заряда на белтъчните молекули. Това може да доведе до денатурация на белтъците. Друг възможен ефект е фотолизата - образуване на “парченца” от големи молекули, притежаващи висока биологична активност като хистамин, ацетилхолин и др. Фотолиза предизвиква УВ лъчение с дължина на вълната в еритемната зона, а денатурация - с дължина на вълната в бактерицидната зона.

43.2.1.1. Влияние на УВ лъчението върху микроорганизмите.

Измененията в нуклеиновите киселини, в молекулите на ДНК, влияят на жизнеността на клетките, техният растеж и деление, и могат да доведат до гибел на клетките на едноклетъчни организми, например бактерии. Различните бактерии имат различна чувствителност. Стафилококите са най-чувствителни към УВ лъчение с дължина на вълната 265 nm, а ешерихия коли при 251 nm. УВ лъчение може да предизвика и разрушаване на вируси и бактериофаги. Бактерицидното действие на УВ лъчение се използва за обеззаразяване на на въздуха в закрити помещения и за дезинфекция на питейна вода..

УВ лъчението влияе и върху причинителите на болести по растенията, като ограничава например оцеляването на спорите на причинителите на гъбични заболявания и др.

43.2.1.2. Влияние на УВ лъчението върху растенията.

Изследванията показват промени в химичния състав на растенията под въздействие на УВ радиацията. Особено чести са промените във феноловия метаболизъм, което води до увеличаване на компоненти като флавоноиди и фенолови киселини, които силно поглъщат УВ радиацията. Тези съединения имат и друга екологична роля – защита срещу патогени и тревопасни.

Тези промени в химичния състав на растенията могат в последствие да окажат влияние по-нататък по пътя на хранителната верига и върху тревопасните, на разлагането на растителните отпадъци и т.н.

43.2.1.3. Влияние на УВ лъчението върху животните.

Повечето от животните са добре защитени от УВ увреждания чрез техните черупки или кожа.

Действието на УВ лъчение върху човека и животните започва от поглъщането му от кожата. Дълбочината на проникване зависи право пропорционално от дължината на вълната на лъчението, както е показано на фиг. 43.1. В кожата започва сложна верига от биохимични реакции и физиологични процеси. Една от най-важните реакции е образуване на хистамин при декарбоксилиране на аминокиселината хистидин. Хистамина заедно с другите “парченца”, получени в резултат на фотохимичната реакция се разнасят чрез кръвта и лимфата. Хистаминът разширява кръвоносните съдове и настъпва хиперемия. При активна хиперемия възниква еритема. Ответна реакция на кожата на облъчването е пигментацията. Лъчение с дължина на вълната 200-250 nm предизвиква само еритема. Лъчение с дължина на вълната 250-320 nm предизвиква пигментация и еритема, а с дължина на вълната 320-390 nm само пигментация, без да предизвиква еритема.

Фиг. 43.1. Дълбочина на проникване на УВ лъчение в кожата в зависимост от дължината на вълната на лъчението

Ефектите от УВ облъчване не се ограничават само до кожата. Продуктите на фотолизата, тъй като се разпространяват по кръвен път могат да въздействат на всички органи. Друг възможен механизъм на въздействие е чрез раздразване на нервните окончания в кожата и оттам възбуждане на централната нервна система и съответни реакции на различни органи.

УВ лъчение има особено вредно действие върху очите, защото те не са защитени от кожа. Също така изследванията на ларви и ембриони на земноводни, както и на възрастните организми, показват че те са чувствителни към УВ радиацията.

За да се информират хората за интензивността на УВ лъчение се използва т.н. УВ индекс, който представлява число. УВ индекс от 1 до 3 означава ниско, от 4 до 6 – средно, от 7 до 9 високо и над 10 – много високо облъчване. Ефектът от УВ лъчението зависи и от типа кожа. Ако имате светла кожа и УВ индекса е 7, това значи, че след по-малко от 20 минути кожата ще започне да се зачервява. Ако кожата е тъмна, при същото УВ ниво зачервяване ще се получи след 40 минути.

Информация за ефектите на УВ лъчение може да се намери в сайта на световната здравна организация http://www.who.int/uv/en/.

Фиг. 43.2.

Много животни използват УВ лъчението, особено в UV-A диапазона, като част от тяхният зрителен диапазон. УВ зрението може да бъде ключ към храненето и избора на партньор. Например УВ оцветяване на цветовете на растенията привлича насекомите, които ги опрашват. Много паяци използват УВ оцветяване за привличане на жертви както със самото си тяло, така и като използват в мрежите си вещества, които отразяват УВ лъчението или луминесцират. Много плодове, по-специално тези със син или черен цвят, отразяват силно УВ лъчението и може да се очаква, че те ще са видими за животните с УВ зрение като птици и гризачи. Птици, които се хранят с насекоми, също използват УВ радиациата за да намират жертви.

43.2.1.4. Влияние на УВ лъчението върху почвите.

Изследванията показват, че бавните промени в UV-B лъчението, което достига до повърхността на Земята, могат да имат в бъдеще последствия върху почвите. Един възможен механизъм е значимия ефект на UV-B лъчението върху разграждането на растителните отпадъци чрез ускоряване на фотохимичното разлагане на такива компоненти като лигнина или чрез изменение на популацията на микроорганизмите, които ги разграждат. Друг възможен механизъм е промяна на химичните вещества, отделяни от корените на растенията в почвата.

43.2.2. Обобщение на биологичните ефекти на УВ лъчението.