Текст книги "Солнечный луч"
Автор книги: Вилен Барабой
сообщить о нарушении
Текущая страница: 10 (всего у книги 18 страниц)
Послесвечение и свечение
Одним из естественных путей отдачи энергии света, поглощенной красителями, является излучение. Возбужденный электрон скачком возвращается на свое место в атоме, а избыточная энергия высвечивается в виде кванта излучения. Вторичное излучение, называемое флуоресценцией,– одна из разновидностей послесвечения. Как ни мала длительность возбуждения электрона (10 -7—10 -9сек), часть электронной энергии успевает за это время рассеяться в виде энергии вибрации молекул. Поэтому излученный квант обычно немного меньше поглощенного, а длина волны излучаемого света – несколько больше (правило Стокса).
При некоторых обстоятельствах длительность послесвечения составляет десятые доли секунды и даже целые секунды. Это явление было названо фосфоресценцией, так как оно казалось похожим на свечение фосфора. В действительности же фосфор светится по совершенно другим причинам. Что же касается фосфоресценции, то физическую природу этого явления раскрыл выдающийся советский физик С. И. Вавилов. Он обратил внимание на то, что фосфоресценция лучше выражена при низких температурах или в жестких, стеклообразных средах, т. е. в условиях, когда подвижность молекул ограничена. Чтобы понять природу процесса фосфоресценции, рассмотрим более подробно схему возбужденного состояния атома.
Когда электрон возвращается с высокого энергетического уровня на исходный, иногда происходит «заминка». Если до разрядки электрон успевает растратить значительную часть своей энергии, он оказывается на промежуточном уровне. Вернуться на исходную, основную орбиту электрон теперь не может. Чтобы выбраться из «ямы», электрон должен приобрести растерянную им часть энергии, подняться на уровень возбуждения, а затем скачком вернуться в исходное состояние. Такой сложный путь требует времени для выполнения, поэтому метастабильное возбужденное состояние сохраняется значительно дольше обычного. При высокой температуре раствора недостающая для разрядки метастабильного состояния энергия может быть легко получена за счет теплового движения молекул. Но при низкой температуре или стеклообразном состоянии раствора разрядка затруднена, поэтому метастабильное состояние и фосфоресценция сохраняются особенно долго.
Рассмотренные нами виды послесвечения имеют различную физическую природу, но внешне сходны. В отличие от рассмотренного в одном из предыдущих разделов этой главы температурного свечения, спектральный состав которого зависит от температуры источника и с ростом ее изменяется в соответствии с законом Вина, флуоресценция и фосфоресценция должны быть отнесены к холодному свечению, или люминесценции [Люминесценция (от греческого «люмен» – свет) – это всякого рода надбавка над температурным свечением источника.], и носят общее название фотолюминесценции, ибо причиной их возникновения является поток фотонов – свет.
Фотолюминесценция широко используется на практике. Улицы наших городов, многие общественные здания и учреждения освещаются лампами дневного света, работающими по принципу фотолюминесценции. Находящиеся в электрическом поле пары ртути испускают главным образом ультрафиолетовые лучи. Если на внутреннюю поверхность стеклянной трубки предварительно нанесен слой люминофора – вещества, превращающего кванты ультрафиолета в меньшие по величине фотоны видимого света в соответствии с правилом Стокса, такая лампа при одинаковой мощности потребляемого тока дает в 3—4 раза больше света, чем обычная лампа накаливания. Путем подбора люминофоров ученые добиваются приближения спектра излучения люминесцентных ламп к спектральному составу дневного света.
В нашей стране выпускают в настоящее время люминесцентные лампы четырех типов: дневного света (ДС), холодно-белого света (ХБС), белого (БС) и тепло-белого света (ТБС). Во всех лампах возбуждает люминесценцию резонансная линия паров ртути с длиной волны 2537 А. Стеклянная трубка лампы изнутри покрывается тонким слоем люминофора – галофосфата кальция, активированного сурьмой или марганцем. Изменяя соотношение компонентов, получают 4 названных типа ламп. Излучение ламп дневного света голубовато-белое, соответствует тепловому излучению источника с температурой 6500°С; свет ламп холодно-белого света – 4200°С, белого – 3500°С, тепло-белого (белого с розовато-оранжевым оттенком) – 2700°С. Сейчас более половины светового потока, создаваемого искусственными источниками света, производится люминесцентными лампами. Наряду с высокой экономичностью им присущи малая яркость и слепимость, а также другие ценные качества. Один из недостатков – так называемый стробоскопический эффект – обусловлен тем, что свечение люминесцентных ламп – это по существу ряд вспышек, следующих друг за другом каждую сотую долю секунды, т. е. соответствующих половине периода переменного тока, питающего лампу. При малейшем падении напряжения (а они неизбежны при питании переменным током) лампа гаснет. Спираль лампы накаливания за сотую долю секунды не успевает остыть, а свечение люминесцентной лампы успевает исчезнуть и вновь зажечься. Поэтому движущиеся предметы в свете таких ламп мы видим не плавно перемещающимися, а мелькающими. Устраняют эффект соединением нескольких ламп в одном светильнике.
Явление послесвечения органически связано с процессом поглощения световых квантов. Но существуют и другие виды холодного свечения.
Кат од о люминесценция – свечение газов, порошков, кристаллов под влиянием быстродвижущихся электронов, разгоняемых электрическим полем. Таковы, например, полярные сияния, возникающие при вторжении в атмосферу электронов солнечного ветра, солнечных вспышек.
Под словом электролюминесценция понимают свечение разреженных газов в электрическом поле дугового или тлеющего разряда. Причиной свечения является возбуждение частиц газа электронами, которые под влиянием разности потенциалов приобретают большую скорость и энергию. В отличие от катодолюминесценции в данном случае электроны не вводятся извне, а вырываются силами электрического поля из атомов самого светящегося газа. На этом принципе работают все газосветные лампы: и те, которые используются для световых реклам (в них светятся инертные газы неон, аргон, криптон и др.), и ртутно-кварцевые лампы, дающие ультрафиолетовые лучи, и другие лампы, применяемые в физиотерапии, и водородные лампы с непрерывным спектром излучения. Неоновые трубки дают оранжевое свечение, гелиевые – желтое, аргоновые со ртутью – синее, аргоновые со ртутью в желтых трубках – зеленое. Белесоватое свечение дают пары ртути и углекислый газ. Газовый разряд в парах ртути при низком давлении дает линейчатое излучение в основном с длинами волн 1849 и 2537 А. Кварцевые трубки пропускают вторую линию. Такие лампы называются бактерицидными, так как ультрафиолетовые лучи в области 2500—2650 А губительны для микроорганизмов. При увеличении давления паров ртути и использовании трубок из увиолевого стекла получают длинноволновое ультрафиолетовое излучение (2804 и 3130 А). Такие лампы называются эритемными – они вызывают покраснение кожи и загар.
Сернистый цинк, особенно при добавке серебра, меди или марганца, светится под влиянием приложенного переменного электрического поля. Это явление используется для создания больших светящихся поверхностей, для сигнализации, в целях рекламы и т. п.
Явления катодо– и электролюминесценции находят широкое применение в технике. Электронный луч в кинескопах – электронно-лучевых трубках телевизоров скользит по экрану, покрытому люминофором, перемещаясь по горизонтали и вертикали под влиянием магнитных и электрических полей (рис. 15), давая изображение.
Сходную физическую природу имеет свечение, возникающее под влиянием процессов радиоактивного распада и рентгеновского излучения (радиолюминесценция). Возникающие при распаде ядер частицы (протоны, а-частицы, электроны и др.) непосредственно ведут к возбуждению и ионизации атомов некоторых веществ. Свечение вызывают также выбитые ими и рентгеновскими квантами электроны. Каждая ионизирующая частица вызывает самостоятельную вспышку света. Поэтому специальными кристаллами, светящимися под влиянием таких частиц, пользуются для измерения количества распадов, дозы излучения. Счетчики излучения с такими кристаллами называются сцинтилляционными (от латинского слова сцинтилла – искра, вспышка). Рентгеновские люминесцирующие экраны делают видимым невидимое изображение, создаваемое рентгеновскими лучами, прошедшими через тело больного, позволяют сразу видеть больной орган. Одновременно они защищают врача от облучения.
Светящиеся составы, содержащие в качестве источников радиолюминесценции ничтожное количество радия или тория, используют для изготовления светящихся циферблатов часов. Благодаря длительности процесса распада радия подобное свечение сохраняется без изменений сотни лет.
Рис. 15. Развертка изображения кинескопа
а – горизонтальная; б – вертикальная; в – растровая
Свечение, возникающее при трении некоторых веществ, например при раскалывании кусков рафинада,– триболюминесценция – и при раздавливании некоторых кристаллов – кристаллолюминесценция – является результатом возникновения статических электрических полей на трущихся поверхностях или в местах разлома. При разряде статического электричества возникает ультрафиолетовое излучение, которое и есть непосредственная причина люминесценции.
Источником энергии для свечения могут служить разнообразные химические реакции, главным образом реакции окисления. Примерами такого свечения – хемилюминесценции – являются окисление фосфора (изделия из фосфорита длительное время светятся и в темноте), свечение гнилых пней.
Наибольший интерес для нас, конечно, представляет свечение живых организмов – биолюминесценция. Это явление широко распространено среди различных форм живого: есть светящиеся бактерии, жуки-светляки, ракообразные, моллюски, многощетинковые, морские черви, грибы, простейшие, рыбы.
Всего насчитывается 245 светящихся видов животных, в том числе 20 видов простейших, 51 – кишечнополостных, 47 – моллюсков, 19 – кольчатых червей, 40 – членистоногих, 60 – хордовых. Таким образом, светящиеся виды встречаются на всех уровнях организации животного мира, от одноклеточных до рыб. Свечение животные используют для отыскания особей другого пола. Жуки-светляки, приближаясь, сигнализируют на расстоянии в сотни метров вспышками с ритмом в 1 минуту.
Морские черви, обитающие у Багамских островов, всплывают для размножения после заката Солнца, но до восхода полной Луны, и отыскивают друг друга по свечению. Эти огоньки были приняты Колумбом в октябре 1492 г. за огни на берегу. Вспышки живого света– отличное средство защиты, отпугивания врагов. От света уползают даже змеи. И индейцы, привязывая светляков к пальцам ног, успешно используют это свойство живого света. Наконец, освещение весьма полезно при отыскании добычи. Однако у многих видов свечение, очевидно, никак не связано с физиологическими функциями.
Несмотря на различие светящихся организмов и веществ, участвующих в окислении, механизм свечения в большинстве случаев сходен. Восстановленное, богатое водородом органическое соединение – люциферин (от греческого слова «люцифер» – светоносный) – соединяется с кислородом при участии фермента люциферазы.
Люцифераза в 100 раз повышает скорость окисления люциферина и в 100 тыс. раз – выход люминесценции. Люциферин – производное бензотиазола, горючее процесса люминесценции, имеющее такую структуру:
Люцифераза же определяет суть, специфику процесса, делает его биологически значимым.
Однако у медуз свечение возникает без участия ферментов, при контакте особого белка экварина с ионами кальция. Нередко для возникновения живого свечения нужен еще один компонент, кроме люциферина, люцифе-разы и кислорода (свободного или связанного). Это АТФ (аденозинтрифосфат) – основное звено энергетики живого. Достаточно присутствия 10 -9г АТФ, чтобы в растворе люциферина – люциферазы возникла вспышка свечения. Такой «космический фонарик» может быть использован для обнаружения жизни на других планетах, ведь АТФ – непременная деталь механизма жизни в земном понимании. В процессе быстрого окисления молекулы люциферина приходят в возбужденное состояние и отдают избыточную энергию в виде света с длиной волны 4600—5600 А (сине-зеленая область спектра). Иногда излучение находится в желтой и даже в красной области спектра. Такое свечение – разновидность хемилюминесценции.
До сих пор мы рассматривали только живое свечение в видимой области спектра, да и то настолько интенсивное, что оно улавливается простым глазом. Но если снять оба этих ограничения, то оказывается, что все живые ткани, у всех живых существ, от медузы до человека, являются источником свечения. Оно настолько слабо, что обнаружить его удается только с помощью очень чувствительных электронных приборов. Советский ученый Ю. А. Владимиров дал этому свечению заслуженное название «сверхслабое».
Сверхслабые свечения обнаруживаются и в видимой, и в ультрафиолетовой, и в инфракрасной областях спектpa. Все они, по-видимому, возникают за счет энергии окисления органических соединений. Следовательно, это тоже разновидность хемилюминесценции.
Чтобы отличить сверхслабое свечение от люциферин-люциферазной реакции, его назвали биохемилюминесценцией. Более подробно она рассматривается в следующей главе. Но и по существу химического механизма, и по происхождению сверхслабые свечения и люциферин-люциферазная реакция – это разновидности биолюминесценции – свечения живых тканей.
О происхождении биолюминесценции современная наука выдвигает смелое предположение. В период зарождения жизни на Земле господствовали восстановительные условия. Кислород в атмосфере появился позже благодаря процессу фотосинтеза. Следовательно, первые живые организмы на Земле не только не нуждались в кислороде, они в нем не размножались. (И сейчас немало есть микроорганизмов, живущих в бескислородных условиях; присутствие кислорода в среде, где они живут, останавливает развитие и размножение таких микроорганизмов.)] С появлением зеленых растений в атмосфере начал накапливаться свободный кислород. Из организмов, приспособленных к бескислородным условиям существования, выживали те, которые вырабатывали какие-то способы удаления кислорода из своего тела. Связывание кислорода специально накопленными органическими соединениями, высвечивавшими затем свою избыточную энергию (явление биолюминесценции), способствовало выживанию организмов в новых условиях жизни. Таким образом, четвертая, а по времени возникновения и по универсальности распространения первая функция биолюминесценции – сброс избыточной энергии возбуждения и нейтрализация свободного кислорода. Свечение различных представителей животного мира – это своего рода рудиментарный признак, который лишь на более поздних этапах эволюции нашел новое применение.
Люминесцентный анализ в науке и технике
Использование явления люминесценции дало ценные результаты в разных областях науки и практической деятельности людей. Люминесцентный анализ состава и чистоты веществ, природы примесей и включений широко применяется в химии, биохимии, биологии, медицине, геологии и т. п. По чувствительности, удобству использования и быстроте получения результатов он не имеет себе равных. Люминесцентный анализ позволяет обнаруживать примесь в концентрации 10 -10г в 1 г вещества, если эта примесь люминесцирует. Но такой способностью обладают практически все органические соединения, особенно с ароматической структурой. Простейший тип анализа позволяет фиксировать неоднородность пробы, присутствие примеси (например, фальсификацию пищевого продукта, смешение разных сортов продуктов, определение границ распространения кожных заболеваний и т, п.). Качественный люминесцентный анализ состоит в сопоставлении полученного спектра свечения (после освещения пробы ультрафиолетовой лампой с отфильтрованным видимым свечением) со спектрами веществ-эталонов и в установлении природы (идентификации) анализируемого вещества. Количественный люминесцентный анализ более сложен, требует учета количества возбуждающего света, учета присутствия тушащих примесей и т. п.
В промышленности люминесцентный анализ применяется для контроля сырья, чистоты конечных продуктов химического синтеза, выплавляемого металла, в производстве полупроводников. В медицине – для определения присутствия канцерогенных веществ (например, 3,4-бенз-пирена) в пищевых продуктах, воздухе, воде. С помощью люминесцирующих красителей (флуорохромов) удается прижизненно наблюдать состояние ядра, хромосом, ядрышка и других деталей в клетках, отличать в ткани живые клетки от погибших. В геологии флуорохромы применяют для обнаружения залегания урановых и вольфрамовых руд, обладающих сильной люминесценцией, для выявления алмазов в породе (люминесцирующих в невидимых рентгеновских лучах), для распознавания следов нефти, битумов и изучения их состава и т. п.
Применение дневных люминесцентных красок дало хорошие результаты при оформлении различных сигнальных знаков (дорожных), витрин магазинов, рекламных объявлений, лобовой части локомотивов, автобусов, фюзеляжей самолетов и т. п. Их необычайная яркость объясняется тем, что они не только отражают часть видимых лучей (подобно обычным красителям), но и превращают в видимый свет часть поглощенных коротковолновых лучей Солнца. Поэтому люминесцентные краски некоторое время светятся в темноте. При использовании ультрафиолетовой подсветки, невидимой глазом, люминесцентные краски дают необычайно яркие и контрастные изображения (костров и пожаров, звезд на черном небе и т. п.), позволяют, меняя освещение, превращать зимний пейзаж в летний и т. п.
С помощью стекол, активированных уранилом или церием, очень удобно выявлять наличие невидимого ультрафиолетового излучения (свечения). Возбужденные люминофоры гасятся инфракрасными лучами и также их обнаруживают.
Мы рассмотрели немало сложных вопросов: какова природа света, как он возникает, распространяется, отражается, преломляется, поглощается, к каким результатам приводит взаимодействие света с веществом. Ознакомившись с особенностями видимого света, со строением красителей и пигментов, мы немало узнали о том, какое место занимает свет в возникновении и развитии жизни на Земле, в практической деятельности человека.
Однако солнечный луч, луч жизни – это не только дневной свет, не только полоска видимого глазом спектра. В обе стороны от него простираются невидимые излучения, которые, так же как и видимый свет, оказывают на органический мир разностороннее влияние. Об этих «соседях» видимого света мы и продолжим свой рассказ.
Глава III.
Ультрафиолетовые лучи
Загадки невидимого света
Спектр лучей, видимых глазом человека, не имеет резких, четко определенных границ. Со стороны фиолетового цвета одни исследователи относили границу к 4000 А, другие – к 3800, третьи сдвигали ее до 3500 и даже 3200 А. Очевидно, это объясняется различной световой чувствительностью глаз и свидетельствует о наличии области лучей, не видимых глазом человека.
Когда чувствительный термометр помещен в область спектра видимых лучей, он показывает значительное повышение температуры. Что же произойдет, если передвинуть термометр (или термопару) за пределы видимого спектра? Такие опыты были поставлены в начале XIX в. английским астрономом У. Гершелем. После многократно проведенных исследований он обнаружил, что за границей красного цвета термометр показывает повышение температуры с определенным максимумом. Это послужило для ученого доказательством существования новых лучей, названных впоследствии инфракрасными.
А что происходит за фиолетовой, коротковолновой границей спектра? И здесь под влиянием невидимых лучей обнаружено повышение температуры. Правда, выражено оно значительно слабее, чем за красной границей спектра, и скептики пытались подвергнуть сомнению существование таких лучей.
Когда же в качестве чувствительного приемника света немецкий физик И. Риттер и английский ученый У. Уолластон использовали в 1801 г. фотопластинку, реальность новых лучей, названных ультрафиолетовыми, стала неоспоримой. За фиолетовой границей спектра фотографическая пластинка чернеет даже быстрее, чем под влиянием видимых лучей. Поскольку почернение фотопластинки происходит в результате фотохимической реакции, ученые пришли к выводу, что ультрафиолетовые лучи весьма активны.
Дальнейшие исследования обнаружили любопытный факт: спектр ультрафиолетовых лучей Солнца очень узок – от 4000 (граница видимого света) до 2900—3000 А; дальшe он резко обрывается. От искусственных же источников света удается получать гораздо более широкий ультрафиолетовый спектр. В чем же дело? Может быть, Солнце не излучает свет с длиной волны короче 2900 А? С физической точки зрения такая граница была бы необъяснима.
Ответ на поставленный вопрос дал французский ученый А. Корню. Он установил, что озон поглощает ультрафиолетовые лучи короче 2950 А. Молекулы кислорода и атмосфере состоят из двух атомов; в молекуле озона их три. Если предположить, что Солнце излучает и коротковолновые ультрафиолетовые лучи, то под их воздействием молекулы кислорода должны распадаться на отдельные атомы, которые, присоединяясь к другим его молекулам, будут образовывать частицы озона. В верхних слоях атмосферы озон должен покрывать всю Землю своеобразным защитным экраном. Гипотеза Корню получила подтверждение тогда, когда люди проникли в высокие слои атмосферы. На высоте 25—30 км действительно был обнаружен слой озона.
Количество ультрафиолетовых лучей, достигающих земной поверхности, зависит от высоты стояния Солнца. С ее уменьшением от 60 до 15° над горизонтом общее количество солнечной радиации снижается всего на одну пятую, тогда как количество ультрафиолетовых лучей падает в 20 раз. При этом граница излучения сдвигается в сторону длинных волн. Когда Солнце стоит в зените |(в экваториальной области), поверхности Земли достигают лучи длиной 2900 и даже 2890 А. В средних широтах коротковолновая граница заканчивается на уровне примерно 2970 А, и то лишь в полдень в летние месяцы. При более низком стоянии Солнца граница сдвигается до 3000 А и больше. За Полярным кругом Солнце даже летом стоит так низко, что земной поверхности достигают только самые длинноволновые ультрафиолетовые лучи.
При стоянии Солнца в зените его лучи преодолевают толщу атмосферы кратчайшим путем; с уменьшением высоты Солнца над горизонтом путь их в атмосфере становится длиннее. При этом больше всего рассеиваются ультрафиолетовые лучи, хотя рассеяние синих, голубых, желтых и зеленых лучей также велико.
Интенсивное рассеяние ультрафиолетовых лучей в атмосфере дает возможность сделать два важных вывода. Во-первых, при увеличении высоты над Землей количество этих лучей должно возрастать, а граница пропускания их должна смещаться в сторону более коротких волн. Специальные опыты подтвердили, что при подъеме в гору на каждые 100 м интенсивность ультрафиолетовой радиации возрастает на 3—4%. В горах на большой высоте в составе солнечного света обнаружены лучи с длиной волны 2900 и даже 2850 А. Во-вторых, доля рассеянных лучей в общем количестве ультрафиолетовых лучей, достигающих земной поверхности, очень велика. На долю рассеянного ультрафиолета в летний полдень приходится от 46 до 70% суммарной ультрафиолетовой радиации, в течение летних месяцев – 35—56%. В остальные месяцы года рассеянная радиация также составляет значительную часть суммарной радиации. В пасмурные дни, когда диск Солнца закрыт тучами, поверхности Земли достигает главным образом рассеянная радиация. Поэтому хорошо загореть можно не только под прямыми лучами Солнца, но и в тени, и в пасмурные дни.
Полеты на высоту в несколько десятков, сотен и даже тысяч километров над Землей позволили изучить особенности солнечного спектра вне экранирующего влияния земной атмосферы. Непрерывный спектр излучения Солнца, пересеченный линиями Фраунгофера, сохраняя полностью свой обычный характер, продолжается до волн длиной 2100 А. Еще дальше в направлении коротких волн интенсивность непрерывного спектра снижается, и на его фоне появляются уже не темные линии Фраунгофера, а яркие полосы излучения (см. рис. VI на вклейке).
Наиболее яркая линия излучения в этой области – линия водорода 1216 А (первая линия спектральной серии Лаймана). Другая очень яркая линия (с длиной волны 303,8 А) принадлежит ионизированному гелию. В интервале от 1000 до 84 А обнаружены многочисленные спектральные линии ионов гелия, кислорода, азота, Углерода, кремния и других элементов, а также все линии серии Лаймана до 919 А.
В активных участках фотосферы Солнца, особенно во время хромосферных вспышек, интенсивность ультрафиолетового излучения резко возрастает. В области линии 1216 А она увеличивается в два с лишним раза, более коротковолновое излучение возрастает значительно сильнее, а рентгеновское излучение (с длиной волны короче 20 А) усиливается в 10—100 раз. Даже небольшая хромосферная вспышка создает иногда более интенсивный поток ультрафиолетового излучения, чем обычно дает все Солнце.
Ультрафиолетовые лучи, охватывающие огромный диапазон излучений, от 4000 до 20 А, граничат с видимым светом и рентгеновскими лучами. В земных условиях ультрафиолетовая радиация Солнца ограничена озоновым порогом (2900—2950 А). Но с помощью искусственных источников ультрафиолетовых лучей (ртутно-кварцевых, водородных, дуговых ламп и др.), дающих как линейчатый, так и непрерывный спектр, можно получить ультрафиолетовые лучи с длиной волны до 1800 А. Первый вакуумный спектрограф, сконструированный немецким оптиком В. Шуманном, позволил открыть область далекого ультрафиолетового излучения, простирающуюся от 1800 до 1270 А. Эта область излучения получила название вакуумной, или шуманновской радиации. Пользуясь вогнутой дифракционной решеткой, Лайман получил в 1914 г. линию водорода с длиной волны 1216 А. В дальнейшем он исследовал область лучей до 500 А.
Какое значение для жизни на Земле имеют волны ультрафиолетового спектра? Вся наиболее коротковолновая область спектра, начиная с вакуумной радиации, легко поглощается молекулами воздуха, воды, стекла, кварца и не достигает биосферы. В диапазоне 4000—1800 А роль лучей различных участков спектра не одинакова. Наиболее богатые энергией коротковолновые лучи сыграли, как мы знаем, существенную роль в образовании первых сложных органических соединений на Земле. Однако эти лучи способствуют не только образованию, но и распаду сложных веществ. Поэтому значительный прогресс форм жизни на Земле наступил лишь после того, как благодаря деятельности зеленых растений наша атмосфера обогатилась кислородом и образовала защитный озоновый шатер. Под его сводами и развернулась эволюция живого, в которой определенную роль играют наиболее длинноволновые ультрафиолетовые лучи (4000—2950 А).
Итак, если иметь в виду не только излучение Солнца, но и земные источники ультрафиолетовых лучей, то интерес и важность для нас представляет лишь диапазон 4000—1800 А. В 1932 г. по рекомендации Второго международного конгресса по физиотерапии и фотобиологии внутри этого диапазона выделено три области: область А – 4000—3200 А, область В – 3200—2750 А, область С – 2750—1800 А. В действии волн каждого из этих диапазонов на живой организм есть существенные различия.
Ультрафиолетовые лучи действуют на вещество, в том числе и живое, по тем же законам, что и видимый свет. Какая-то часть поглощенной лучистой энергии постоянно превращается в тепло, но тепловой эффект ультрафиолетовых лучей не оказывает на организм серьезного влияния. Более распространенный и важный путь отдачи поглощенной энергии ультрафиолетовых лучей – люминесценция. Фотохимические реакции под влиянием этих лучей совершаются особенно легко. Энергия фотонов ультрафиолетового света очень велика, поэтому при их поглощении молекула может распадаться на части. Иногда фотон выбивает электрон за пределы атома. Но чаще всего происходит возбуждение атомов и молекул, облегчающее вступление их в химические реакции. При поглощении одного кванта лучей с длиной волны 2537 А энергия молекулы возрастает до уровня, соответствующего энергии теплового движения молекул при температуре 38 000° С.
В живых организмах нас больше всего интересует влияние ультрафиолетовых лучей на биополимеры – белки и нуклеиновые кислоты. Участие фотосенсибилизаторов в этом случае пока точно не установлено. Вероятно, оно невелико, ибо белки и нуклеиновые кислоты сами интенсивно поглощают ультрафиолетовые лучи. Очень хорошо поглощают свет молекулы, в которых атомы углерода и азота образуют кольцевые структуры. Такие кольца имеются и в молекулах биополимеров. В нуклеиновых кислотах – это азотистые основания, в первую очередь пиримидиновые (тимин, урацил, цитозин) и пуриновые (аденин, гуанин), поглощающие в основном лучи с длиной волны 2600—2650 А. В белках циклические аминокислоты триптофан, тирозин, фенилаланин, гистидин хорошо поглощают лучи длиной 2800 А.
Группировки атомов
образующие пептидные связи между аминокислотами, поглощают более коротковолновые лучи (1800—2300 А), а дисульфидные мостики цистина – лучи промежуточной энергии – 2537 А.
Поглощенная энергия может мигрировать (перемещаться) по цепи атомов, образующих данную молекулу, без существенной потери, пока не достигнет слабых связей между атомами. Мигрирующая энергия расходуется на разрыв слабых связей. При разрыве пептидных и дисульфидных связей размеры молекулы белка уменьшаются. В ходе данного процесса, называемого фотолизом, образуются осколки молекул, оказывающие сильное действие на организм. Так, из аминокислоты гистидина после отделения группировки – СОО– образуется гистамин – вещество, расширяющее кровеносные капилляры и увеличивающее их проницаемость. Образование гистамина, по-видимому, играет важную роль в действии ультрафиолетовых лучей на организм.
Кроме фотолиза в биополимерах под действием ультрафиолетовых лучей происходят и другие изменения. Обычно молекулы белка имеют одинаковый электрический заряд. При облучении заряд молекул уменьшается, они легко слипаются, выпадают в осадок, теряют свою активность – ферментную, гормональную, антигенную и др. Все эти сдвиги, вместе взятые, носят название денатурации.
Процессы фотолиза и денатурации белков идут параллельно и независимо друг от друга. Они вызываются ультрафиолетовыми лучами разной длины волны: лучи 2800—3020 А вызывают главным образом фотолиз, лучи 2500—2650 А – преимущественно денатурацию. Различное сочетание этих процессов определяет картину действия на организм ультрафиолетовых лучей.
