Ультрафиолетовое излучение в диапазоне В содержит менее 0,3 % полной солнечной энергии, достигающей земной поверхности. Но это излучение исключительно важно потому, что многие важные биологические молекулы, такие как ДНК, сильно поглощают излучение с длинами волн короче 320 нм. Излучением с этими же длинами волн вызываются и такие заболевания, как кожная эритема и рак кожи. На рис. 60 видно, что солнечный спектр быстро растет с увеличением длины волны именно в диапазоне В. Спектр биологического поглощения и спектр действия увеличиваются с уменьшением длины волны. Это показано на рис. 59.
Для рассматриваемой здесь проблемы важно, какое именно излучение действует в каждом конкретном регионе Земли, где находятся биосистемы (люди, растения, животные).
Ясно, что в разных регионах Земли это излучение различно. Оно различно прежде всего потому, что различна освещенность солнечным светом. Если Солнце находится над головой (в зените), то освещенность самая большая, максимальная. Значит, в этом месте и ультрафиолетового излучения больше. Такая ситуация реализуется в тропических поясах Земли и никогда не бывает в полярных районах. Отсюда ясно, что интенсивность ультрафиолетового излучения на разных географических широтах разная: чем дальше от экватора, тем она меньше. Но это еще не все. Если речь идет о диапазоне В, то этому ультрафиолетовому излучению надо по пути от Солнца к земной поверхности пробраться сквозь стратосферный озон. Но, как известно, его на разных широтах разное количество. Это обстоятельство еще больше усугубляет то неравноправие, в котором находятся люди на разных широтах (в смысле приходящего к ним ультрафиолетового излучения). Проиллюстрируем это цифрами.
В северном полушарии в декабре и январе поток ультрафиолетового излучения уменьшается в 10 раз, если мы будем перемещаться от экватора до широты 50о северной широты. Летом эта разница примерно в 5 раз меньше. Ультрафиолетовое излучение диапазона А зависит только от зенитного угла Солнца, поэтому с широтой меняется меньше, чем излучение диапазона В, которое зависит и от количества озона. Именно поэтому интенсивность ультрафиолетового излучения диапазона В меняется с широтой в 3–4 раза сильнее, чем излучение диапазона А.
Имеется еще одно обстоятельство, которое может сильно влиять на интенсивность солнечного излучения (в том числе и ультрафиолетового), достигающего поверхности Земли. Это облачность и наличие в атмосфере различных аэрозолей. Если мы хотим правильно оценить интенсивность ультрафиолетового излучения, приходящего к биосистемам и действующего на них, то надо обязательно учесть и эти факторы, от которых зависит количество поглощенного, рассеянного и прошедшего излучения.
ДЕЙСТВИЕ УЛЬТРАФИОЛЕТОВОГО
ИЗЛУЧЕНИЯ НА ЧЕЛОВЕКА
Установлено, что в зависимости от того, насколько сильное излучение действовало на человека, он может либо просто загореть, либо получить солнечный ожог (эритему), либо даже заболеть незлокачественными типами рака кожи (базально-клеточный и чешуйчато-клеточный рак) и меланомой (рак кожи). Это проявляется воздействие ультрафиолетового излучения диапазона В. Это же излучение при облучении глаз может вызвать повреждение роговицы (фотокератит), катаракту или фотоконъюнктивит. Но это еще не все. Это излучение может вызывать также изменения в иммунной системе человека, подавляя ее защитные функции. В результате будет усиливаться фотоканцерогенезис, а также подавляться развитие контактной сверхчувствительности (гиперчувствительности). Защита организма при этом ослаблена, поэтому уменьшается сопротивляемость к развитию заболеваний (различные инфекционные лишаи и т. д.). Степень риска при этом, естественно, увеличивается. Самым опасным для здоровья считается излучение с длинами волн от 300 до 315 нм. Оно находится в пределах диапазона В. Но не все длины волн действуют на данную биосистему одинаково. Это, конечно, зависит от свойств данной биосистемы (животного, растения или человека). Можно каждому конкретному биологическому объекту выдать своего рода паспорт, где было бы указано это распределение (спектр) их чувствительности к ультрафиолетовому излучению с разными длинами волн. Специалисты такую характеристику биосистемы называют «спектром действия».
Ясно, что для того, чтобы сделать заключение о степени вредности излучения с данной длиной волны для данного биологического объекта (в том числе и человека), надо знать его «спектр действия». Зная его и то излучение, которому он подвергается, можно оценить, насколько это излучение опасно для его здоровья или даже жизни. Правда, для такой оценки надо знать не только интенсивность излучения, но и время облучения. Другими словами, надо знать дозу облучения, чтобы по известному «спектру действия» определить степень поражения организма в настоящем и будущем.
Воздействие излучения на живой организм осуществляется через фотохимические реакции, то есть через химические реакции в клетках, которые вызываются воздействующим светом (фото). Чтобы такие реакции осуществились, надо прежде всего, чтобы свет (излучение) поглотился биомолекулой. Электромагнитная энергия излучения, которая поглощается хромофором, затем преобразуется в химическую энергию. Имея избыток энергии, молекула приходит в возбужденное состояние. Имеются различные электронные возбужденные состояния молекулы. Отдельные из них (например, триплетные) являются наиболее долгоживущими. Так, молекула имеет большую вероятность находиться в этом состоянии. Это значит, что становятся более вероятными определенные фотохимические изменения внутри самой возбужденной молекулы. При взаимодействии возбужденной молекулы с другими окружающими ее молекулами ее избыточная энергия передается им и вызывает в них реакции фотосинтеза, в результате которых образуются определенные продукты.
Под влиянием ультрафиолетового облучения во многих ключевых биологических молекулах и структурах происходят фотохимические изменения. Это такие биологические структуры: нуклеиновые кислоты, протеины, липиды, стероиды, меланин и др. Наибольшую опасность излучение представляет для нуклеиновых клеток, цитоплазмы, мембран и др.
После того как под действием излучения произошли биологические изменения, биосистема сразу же начинает производить определенные химические вещества, которые предназначены восстановить нормальное состояние системы.
В результате запущенных химических реакций биологическая система формирует свой отклик на воздействующее излучение (биологический отклик). Конечным результатом всего процесса может быть выход системы из нормального состояния (болезнь или даже смерть). Но это зависит от дозы (при соответствующем спектре действия).
Ультрафиолетовое излучение действует на живые системы прежде всего путем повреждения хранилища клеточной генетической информации, то есть ДНК. Если ДНК нарушены, то это препятствует восстановлению и копированию данных биосистем (в том числе бактерий или культурных клеток животных).
Кольца пирина и пиромидина нуклеиновых кислот, аденин, тимин и цитезин поглощают максимально излучение с длинами волн от 245 до 280 нм. Основная часть ультрафиолетового излучения находится в диапазоне С и поглощается кожей посредством ДНК, а не протеина или других молекул. В ДНК поглощается ультрафиолетовое излучение с разными длинами волн. В то же время именно ДНК играет главную роль в мутагенезисе и в канцерогенезисе. Поэтому роль повреждения ДНК излучением является ключевой. В результате повреждения ДНК происходит блокирование процессов копирования и перевода, которые существенны для функционирования клеток и их деления. Если достигнут определенный порог повреждения ДНК, произойдет гибель клеток.