В действии коротковолнового излучения на живой организм наибольший интерес представляет влияние ультрафиолетовых лучей на биополимеры - белки и нуклеиновые кислоты. Молекулы биополимеров содержат кольцевые группы молекул, содержащие углерод и азот, которые интенсивно поглощают излучение с длиной волны 260...280 нм. Поглощенная энергия может мигрировать по цепи атомов в пределах молекулы без существенной потери, пока не достигнет слабых связей между атомами и не разрушит связь. В течение такого процесса, называемого фотолизом, образуются осколки молекул, оказывающие сильное действие на организм. Так, например, из аминокислоты гистидина образуется гистамин - вещество, расширяющее кровеносные капилляры и увеличивающее их проницаемость. Кроме фотолиза под действием ультрафиолетовых лучей в биополимерах происходит денатурация. При облучении светом определенной длины волны электрический заряд молекул уменьшается, они слипаются и теряют свою активность - ферментную, гормональную, антипенную и пр.

Процессы фотолиза и денатурации белков идут параллельно и независимо друг от друга. Они вызываются разными диапазонами излучения: лучи 280...302 нм вызывают главным образом фотолиз, а 250...265 нм - преимущественно денатурацию. Сочетание этих процессов определяет картину действия на клетку ультрафиолетовых лучей.

Самая чувствительная к действию ультрафиолетовых лучей функция клетки - деление. Облучение в дозе 10(-19) дж/м 2 вызывает остановку деления около 90% бактериальных клеток. Но рост и жизнедеятельность клеток при этом не прекращается. Со временем восстанавливается их деление. Чтобы вызвать гибель 90% клеток, подавление синтеза нуклеиновых кислот и белков, образование мутаций, необходимо довести дозу облучения до 10(-18) дж/м 2. Ультрафиолетовые лучи вызывают в нуклеиновых кислотах изменения, которые влияют на рост, деление, наследственность клеток, т.е. на основные проявления жизнедеятельности.

Значение механизма действия на нуклеиновую кислоту объясняется тем, что каждая молекула ДНК (дезоксирибонуклеиновой кислоты) уникальна. ДНК - это наследственная память клетки. В ее структуре зашифрована информация о строении и свойствах всех клеточных белков. Если любой белок присутствует в живой клетке в виде десятков и сотен одинаковых молекул, то ДНК хранит информацию об устройстве клетки в целом, о характере и направлении процессов обмена веществ в ней. Поэтому нарушения в структуре ДНК могут оказаться непоправимыми или привести к серьезному нарушению жизнедеятельности.

Действие ультрафиолетового излучения на кожу

Воздействие ультрафиолета на кожу заметно влияет на метаболизм нашего организма. Общеизвестно, что именно УФ-лучи инициируют процесс образования эргокальциферола (витамина Д), необходимого для всасывания кальция в кишечнике и обеспечения нормального развития костного скелета. Кроме того, ультрафиолет активно влияет на синтез мелатонина и серотонина - гормонов, отвечающих за циркадный (суточный) биологический ритм. Исследования немецких ученых показали, что при облучении УФ-лучами сыворотки крови в ней на 7 % увеличивалось содержание серотонина - "гормона бодрости", участвующего в регуляции эмоционального состояния. Его дефицит может приводить к депрессии, колебаниям настроения, сезонным функциональным расстройствам. При этом количество мелатонина, обладающего тормозящим действием на эндокринную и центральную нервную системы, снижалось на 28%. Именно таким двойным эффектом объясняется бодрящее действие весеннего солнца, поднимающего настроение и жизненный тонус.

Действие излучения на эпидермис - наружный поверхностный слой кожи позвоночных животных и человека, состоящий из многослойного плоского эпителия человека, представляет собой воспалительную реакцию называемую эритемой. Первое научное описание эритемы дал в 1889 г. А.Н. Макланов, который изучил также действие ультрафиолетовых лучей на глаз (фотоофтальмию) и установил, что в основе их лежат общие причины. Различают калорическую и ультрафиолетовую эритему. Калорическая эритема обусловлена воздействием видимых и инфракрасных лучей на кожу и прилива к ней крови. Она исчезает почти сразу после прекращения действия облучения.

Если падающие на кожу лучи поглощаются мертвыми клетками рогового слоя, они не оказывают на организм никакого влияния. Эффект облучения зависит от проникающей способности лучей и от толщины рогового слоя. Чем короче длина волны излучения, тем меньше их проникающая способность. Лучи короче 310 нм не проникают глубже эпидермиса. Лучи с большей длиной волны достигают сосочкового слоя дермы, в котором проходят кровеносные сосуды. Таким образом, взаимодействие ультрафиолетовых лучей с веществом происходит исключительно в коже, главным образом в эпидермисе. Основное количество ультрафиолетовых лучей поглощается в ростковом (основном) слое эпидермиса. Процессы фотолиза и денатурации приводят к гибели шиловидных клеток зародышевого слоя. Активные продукты фотолиза белков вызывают расширение сосудов, отек кожи, выход лейкоцитов и другие типичные признаки эритемы.

Продукты фотолиза, распространяясь по кровеносному руслу, раздражают также нервные окончания кожи и через центральную нервную систему рефлекторно воздействуют на все органы. Установлено, что в нерве, отходящем от облученного участка кожи, частота электрических импульсов повышается. Эритема рассматривается как сложный рефлекс, в возникновении которого участвуют активные продукты фотолиза. Степень выраженности эритемы и возможность ее образования зависит от состояния нервной системы. На пораженных участках кожи, при обморожении, воспалении нервов эритема либо вовсе не появляется, либо выражена очень слабо, несмотря на действие ультрафиолетовых лучей. Угнетает образование эритемы сон, алкоголь, физическое и умственное утомление.Н. Финзен (Дания) впервые применил ультрафиолетовое излучение для лечения ряда болезней в 1899 г. В настоящее время подробно изучены проявления действия разных участков ультрафиолетового излучения на организм. Из ультрафиолетовых лучей, содержащихся в солнечном свете, эритему вызывают лучи с длиной волны 297 нм. К лучам с большей или меньшей длиной волны эритемная чувствительность кожи снижается. С помощью искусственных источников излучения эритему удалось вызвать лучами диапазона 250...255 нм. Лучи с длиной волны 255 нм дает резонансная линия излучения паров ртути, используемых в ртутно-кварцевых лампах.

Таким образом, кривая эритемной чувствительности кожи имеет два максимума. Впадина между двумя максимумами обеспечивается экранирующим действием ороговевшего слоя кожи.

Ультрафиолетовое излучение поставляет энергию для фотохимических реакций в организме. В нормальных условиях солнечный свет вызывает образование небольшого количества активных продуктов фотолиза, которые оказывают на организм благотворное действие. Ультрафиолетовые лучи в дозах, вызывающих образование эритемы, усиливают работу кроветворных органов, ретикуло-эндотелиальную систему (Физиологическая система соединительной ткани, вырабатывающая антитела разрушающие чужеродные организму тела и микробы), барьерные свойства кожного покрова, устраняют аллергию.

Под действием ультрафиолетового излучения в коже человека из стероидных веществ образуется жирорастворимый витамин D. В отличие от других витаминов он может поступать в организм не только с пищей, но и образовываться в нем из провитаминов. Под влиянием ультрафиолетовых лучей с длиной волны 280...313 нм провитамины, содержащиеся в кожной смазке выделяемой сальными железами, превращаются в витамин D и всасываются в организм.

Физиологическая роль витамина D заключается в том, что он способствует усвоению кальция. Кальций входит в состав костей, участвует в свертывании крови, уплотняет клеточные и тканевые мембраны, регулирует активность ферментов. Болезнь, возникающая при недостатке витамина D у детей первых лет жизни, которых заботливые родители прячут от Солнца, называется рахитом.

Кроме естественных источников витамина D используют и искусственные, облучая провитамины ультрафиолетовыми лучами. При использовании искусственных источников ультрафиолетового излучения следует помнить, что лучи короче 270 нм разрушают витамин D. Поэтому с помощью фильтров в световом потоке ультрафиолетовых ламп подавляется коротковолновая часть спектра. Солнечное голодание проявляется в раздражительности, бессоннице, быстрой утомляемости человека. В больших городах, где воздух загрязнен пылью, ультрафиолетовые лучи вызывающие эритему почти не достигают поверхности Земли. Длительная работа в шахтах, машинных отделениях и закрытых заводских цехах, труд ночью, а сон в дневные часы приводят к световому голоданию. Световому голоданию способствует оконное стекло, которое поглощает 90...95% ультрафиолетовых лучей и не пропускает лучи в диапазоне 310...340 нм. Окраска стен также имеет существенное значение. Например, желтая окраска полностью поглощает ультрафиолетовые лучи. Недостаток света, особенно ультрафиолетового излучения, ощущают люди, домашние животные, птицы и комнатные растения в осенний, зимний и весенний периоды. Восполнить недостаток ультрафиолетовых лучей позволяют лампы, которые наряду с видимым светом излучают ультрафиолетовые лучи в диапазоне длин волн 300...340 нм. Следует иметь в виду, что ошибки при назначении дозы облучения, невнимание к таким вопросам, как спектральный состав ультрафиолетовых ламп, направление излучения и высота размещения ламп, длительность горения ламп, могут вместо пользы принести вред.

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.

Самая чувствительная к действию ультрафиолетовых лучей функция клетки - деление. Лучи в дозе 10 эрг/мм 2 уже вызывают остановку деления примерно 90% бактериальных клеток. Но рост и жизнедеятельность клеток при этом не прекращаются. Со временем восстанавливается и деление. Чтобы вызвать гибель 90% клеток, подавление синтеза нуклеиновых кислот и белков, образование мутаций, нужно довести дозу излучения до 100 эрг/мм 2 .

На рис. 16 видно, что кривые бактерицидного и генетического действия ультрафиолетовых лучей, их влияния на рост и деление клеток очень сходны между собой и почти совпадают с кривой поглощения лучей нуклеиновыми кислотами. Значит, ультрафиолетовые лучи вызывают в нуклеиновых кислотах изменения, которые влияют и на рост, и на деление, и на наследственность клеток, и на их существование, т. е. на основные проявления жизнедеятельности клеток. Как известно, действуют на организм, клетку, вещество только то излучение, только те фотоны света, которые поглощаются этим веществом (клеткой, организмом). А нуклеиновые кислоты поглощают кванты невидимого ультрафиолетового излучения гораздо сильнее, чем белки, даже в области максимума адсорбции света белками (около 2800 А). Не удивительно, что именно в нуклеиновых кислотах происходят наиболее важные процессы, характеризующие биологическое действие ультрафиолетовых лучей.

Значение нуклеинового компонента в механизме действия этих лучей на организм объясняется особой ролью нуклеиновых кислот в клетке. Если любой белок присутствует в клетке в виде десятков и сотен совершенно одинаковых молекул, то каждая молекула ДНК (дезоксирибонуклеиновой кислоты) уникальна. ДНК - это наследственная память клетки. В структуре ее молекул зашифрована информация о строении и свойствах всех клеточных белков, а значит - об устройстве клетки в целом, о характере и направлении процессов обмена веществ в ней. Понятно, что нарушения структуры молекул ДНК особенно важны, особенно опасны, выход из строя любого участка «наследственной» молекулы может оказаться непоправимым или привести к серьезному нарушению жизнедеятельности.

Рис. 16. Кривые поглощения ультрафиолетовых лучей нуклеиновыми кислотами (1), торможения клеточного деления (2) и мутагенного действия ультрафиолетовых лучей (3)

Итак, повреждение ДНК - главное в механизме действия ультрафиолетовых лучей. Но какова природа этих изменений? Мы уже знаем, что поглощают ультрафиолет циклические структуры азотистых оснований, входящих в состав ДНК. Если основную цепочку - нить этой молекулы, самой большой в органическом мире (молекулярный вес ДНК достигает 12-30 млн.), образуют чередующиеся группировки сахара-дезоксирибозы и фосфорной кислоты, то азотистые основания присоединены к каждому звену этой цепи, образуя как бы ступеньки лестницы. Молекула ДНК состоит из двух нитей, спирально закрученных друг возле друга. Лестница, таким образом, витая. А ступеньки ее - это пары азотистых оснований. Они-то и связывают нити ДНК непрочными, но зато многочисленными водородными связями. При самоудвоении ДНК (а именно с него начинается деление клетки) водородные связи разрываются, и каждая из двух нитей ДНК достраивает недостающую часть.

Квант ультрафиолетового излучения приносит с собой столь значительный запас энергии, что прежняя структура азотистого основания становится «тесной» для него. Обычно избыток энергии расходуется на разрыв двойной связи в наиболее слабом месте молекулы - между 5 и 6 атомами углерода в тимине. В результате образуются две свободные валентности, которые нуждаются в заполнении. Чаще всего разорванная двойная связь восстанавливается. Но если разрыв произойдет одновременно в двух расположенных по соседству азотистых основаниях - валентные связи могут замкнуться не внутри оснований, а между ними. И тогда возникает димер тимина - основной фотопродукт облучения ДНК. Если уподобить двойную спираль ДНК застежке-молнии, то каждый димер будет соответствовать слившимся зубцам застежки, препятствующим расхождению нитей. В результате нарушается процесс удвоения ДНК, а затем и деление клеток. С увеличением дозы облучения растет количество димеров, а с ним и нарушения жизнедеятельности, которые на определенном уровне становятся несовместимыми с жизнью. Наряду с образованием димеров определенное значение имеет и окислительное разрушение, дезаминиро-вание азотистых оснований, например превращение аде-нина в гипоксантин под влиянием ультрафиолета, что также искажает смысл наследственной информации.

В отличие от других физических и химических агентов ультрафиолетовые лучи даже в больших дозах не убивают облученную клетку сразу. Обычно клетка на некоторое время (на 1-2 суток) теряет способность к делению. Затем наступает мнимое выздоровление, и клетка успевает 2-4 раза разделиться, прежде чем наступает окончательная гибель.

Процесс образования димеров (тимина, а также цитозина, димеров тимин-цитозин) лежит в основе не только задержки роста и деления, не только гибели клеток, но и мутагенного, генетического действия. Возникновение прочных валентных связей между азотистыми основаниями нарушает генетический код, искажает смысл наследственной информации. Ведь наследственный язык клетки - четырехбуквенный, именно азотистые основания - его буквы. Точнее, тройка (триплет) азотистых оснований - простейшая единица генетического кода. Если прочная связь возникает (благодаря энергии ультрафиолета) между соседними тиминами в пределах одной нити ДНК, то процесс самоудвоения ДНК и деления клетки не нарушается. Зато дочерние клетки получат по наследству шифровку с опечатками - их жизненная программа будет запутана, опасные абракадабры могут послужить и причиной смерти где-то через 2-3 поколения, либо жизнедеятельность клетки окажется серьезно нарушенной. Так атомно-молекулярные перегруппировки, ставшие возможными благодаря избыточной энергии квантов ультрафиолетовых лучей, сами становятся причиной нарушения жизни клеток, тканей, органов, всего организма.

Процесс, начавшийся с поглощения фотонов ультрафиолетовых лучей биополимерами, по мере своего развития приводит к таким знакомым всем сдвигам в организме, как покраснение кожи (эритема), ее потемнение (загар, пигментация), антирахитическое, обеззараживающее действие и др.

Действие ультрафиолетовых лучей на кожу

Жаркий летний день, яркое Солнце, безоблачное синее небо, берег реки. Вы лежите, подставив Солнцу свое тело. Проходят минуты блаженного полузабытья; ласкающие прикосновения солнечных лучей расслабляют мышцы, снимают ощущение усталости. Нагретые Солнцем участки кожи становятся розоватыми, горячими на ощупь. Это покраснение (калорическая эритема) появляется в результате нагрева кожи видимыми и инфракрасными лучами Солнца и прилива к ней крови. Оно исчезает почти сразу же после прекращения солнечной ванны.

Однако через 2-8 ч снова появляется покраснение кожи вместе с ощущением жжения. Это уже ультрафиолетовая эритема, отличающаяся от калорической некоторыми особенностями. Появляется она после скрытого периода, в пределах облученного участка кожи и сменяется загаром и шелушением. Длительность такой эритемы - от 10-12 ч до 3-4 дней. Покрасневшая кожа горяча на ощупь, чуть болезненна и кажется набухшей, слегка отечной.

По существу эритема представляет собой воспалительную реакцию, ожог кожи. Но это воспаление особое - безмикробное, асептическое. Если доза лучей слишком велика или кожа особенно чувствительна к ним, отечная жидкость, накапливаясь, отслаивает местами наружный покров кожи (эпидермис), образует пузыри. В тяжелых случаях появляются участки омертвения, некроза эпидермиса. Через несколько дней после исчезновения эритемы кожа темнеет и начинает шелушиться. По мере шелушения слущивается часть клеток, содержащих пигмент, загар бледнеет. Однако полностью он не исчезает через несколько недель и даже месяцев. Такова картина ультра фиолетовой эритемы, если ее наблюдать простым глазом. А если заглянуть внутрь кожных покровов с помощью микроскопа?

Рис. 17. Поперечный разрез кожи человека под микроскопом 1 - роговой слой эпидермиса; 2 - зернистый слой; 3 - шиповидный слой эпидермиса; 4 - сосочковый слой дермы; 5 - сетчатый слой дермы

Кожный покров, или эпидермис человека, состоит из большого количества клеточных слоев и имеет толщину 0,5 мм (рис. 17). Его назначение - защищать организм от повреждений, колебаний температуры, давления, служить барьером на пути инфекции. Наиболее глубокий зародышевый слой эпидермиса прилегает к собственно коже (дерме), в которой проходят кровеносные сосуды и нервы. В зародышевом слое идет непрерывный процесс размножения клеток; более старые оттесняются наружу молодыми клетками и отмирают. Пласты мертвых и умирающих клеток образуют наружный роговой слой эпидермиса толщиной 0,3 мм, который все время слущивается снаружи и восстанавливается изнутри.

Если падающие на кожу лучи поглощаются мертвыми клетками рогового слоя, они, естественно, не оказывают на организм никакого влияния. Эффект облучения зависит от проникающей способности лучей и от толщины рогового слоя. Чем короче волна ультрафиолетовых лучей, тем меньше их проникающая способность. Лучи короче 3100 А не проникают глубже эпидермиса. Более длинноволновые лучи достигают сосочкового слоя дермы, в котором проходят кровеносные сосуды. Значит, взаимодействие ультрафиолетовых лучей с веществом происходит исключительно в коже, главным образом в эпидермисе. Именно здесь начинается сложная цепь биохимических и физиологических сдвигов в организме, вызываемых ультрафиолетовой радиацией.

Самые большие изменения происходят в зародышевом слое эпидермиса, где поглощается основное количество ультрафиолетовых лучей. Процессы фотолиза и денатурации биополимеров приводят к гибели шиповидных клеток зародышевого слоя. Активные продукты фотолиза белков (гистамин, гистаминоподобные вещества, ацетилхолин и др.) вызывают расширение сосудов, отек кожи, выход лейкоцитов и другие типичные признаки эритемы. Продукты фотолиза, распространяясь по кровеносному руслу, раздражают также нервные окончания кожи и через центральную нервную систему рефлекторно воздействуют на все органы. Установлено, что в нерве, отходящем от облученного участка кожи, частота электрических импульсов повышается.

От состояния нервной системы зависит степень выраженности эритемы и даже возможность ее образования. Советские ученые (С. А. Бруштейн, А. Е. Щербак, А. Р. Киричинский, Г. С. Варшавер и др.) установили, что при ранениях, перерезках нервов, их воспалениях, при обморожениях эритема на соответствующих участках кожи либо вовсе не появляется, либо выражена очень слабо, несмотря на действие ультрафиолетовых лучей. Сон, наркоз, алкогольное опьянение, физическое и умственное утомление, заболевания угнетают образование эритемы. Поэтому эритема рассматривается как сложный рефлекс, в возникновении которого участвуют активные продукты фотолиза.

Первое научное описание эритемы дал в 1889 г. русский ученый А. Н. Маклаков, который изучил также действие ультрафиолетовых лучей на глаз (фотоофтальмию) и установил, что в основе их лежат общие причины. Слизистая оболочка глаза - конъюнктива - не имеет защитного рогового слоя, поэтому она более чувствительна к облучению, чем кожа. Резь в глазу, краснота, слезотечение, частичная слепота появляются в результате дегенерации и гибели клеток конъюнктивы и роговицы. Клетки при этом становятся непрозрачными. Длинноволновые ультрафиолетовые лучи, достигая хрусталика, в больших дозах могут вызвать его помутнение - катаракту.

В 1899 г. датский ученый Н. Финзен впервые применил ультрафиолетовые лучи для лечения некоторых болезней. Позже были подробно изучены и другие проявления действия этих лучей на организм, особенности эффекта, вызываемого разными участками ультрафиолетового спектра. Оказывается, эритему можно вызвать лучами двух разных спектральных областей. Из ультрафиолетовых лучей, содержащихся в солнечном свете, эритему вызывают лучи с длиной волны 2970 А. К лучам с меньшей и большей длиной волны эритемная чувствительность кожи снижается. Но с помощью искусственных источников излучения эритему удалось вызвать также лучами в 2500-2550 А. Лучи с длиной волны 2537 А дает резонансная линия излучения паров ртути, используемых в ртутно-кварцевых лампах.

Таким образом, кривая эритемной чувствительности кожи имеет двугорбый вид. Седловина между двумя максимумами не случайна - она образовалась за счет экранирующего, поглощающего действия рогового слоя кожи. Если удалить (осторожно срезать) отмершие слои ороговевших клеток, то лучи с длиной волны 2700-2800 А также вызывают в этом участке кожи покраснение, повышение температуры, легкую болезненность, отечность и другие признаки эритемы.

Одно из средств защиты организма от перегревания - прилив крови к коже, расширение кожных сосудов. При этом увеличивается температура кожи и теплоотдача путем излучения (в инфракрасной области спектра), а также путем конвекции (нагрева прилегающего к коже слоя воздуха). Но если воздух и окружающие предметы сами имеют высокую температуру, вступает в действие еще один механизм отдачи тепла - испарение за счет потоотделения.

Все эти механизмы терморегуляции предназначены для защиты исключительно от видимых и инфракрасных лучей Солнца. Но большое количество ультрафиолета также опасно, и потому у человека одновременно с потоотделением включается и механизм защиты от ультрафиолетовых лучей. Пот, оказывается, содержит урокановую кислоту - вещество, хорошо поглощающее эти лучи благодаря наличию в его молекулах бензольного кольца.

В естественных условиях солнечного освещения вслед за эритемой развивается пигментация кожи, загар. Спектральный максимум пигментации (3400 А) не совпадает ни с одним из пиков эритемной чувствительности. Подбирая источник излучения, можно вызвать пигментацию без эритемы и наоборот.

Эритема и пигментация не являются стадиями одного процесса, хотя они и следуют одна за другой. Это проявления разных, связанных друг с другом процессов. Кожный пигмент меланин образуется в клетках самого нижнего слоя эпидермиса - меланобластах. Исходным материалом для образования меланина служат аминокислоты тирозин, диоксифенилаланин, а также продукты распада адреналина. Ультрафиолетовые лучи ускоряют образование и накопление меланина.

Каков смысл загара, накопления меланина, если исходить из интересов организма? Он защищает клетки дермы, расположенные в ней сосуды и нервы от длинноволновых ультрафиолетовых, а также от видимых и инфракрасных лучей, вызывающих перегрев и тепловой удар.

Для защиты от ультрафиолетовых лучей большое значение имеет утолщение рогового слоя эпидермиса. Через один - три дня после образования эритемы в зародышевом слое эпидермиса начинается усиленное деление клеток. Эпидермис утолщается, количество слоев клеток увеличивается; через такой барьер ультрафиолетовым лучам проникнуть труднее. Если облучение повторяется, роговой слой продолжает утолщаться. Вот почему загоревшая кожа груба и шершава на ощупь.

Природа использовала энергию ультрафиолетовых лучей для того, чтобы вызвать в организме защитную реакцию не только против этих лучей, но и против других лучей, входящих в состав солнечного спектра,- видимых и инфракрасных.

Ближние инфракрасные лучи и видимый свет, особенно его длинноволновая, красная часть, проникают в ткани гораздо глубже, чем ультрафиолетовые лучи,- на глубину до 3-4 мм. Не пропустить эти лучи в глубь тела, защитить от перегрева нежные и привыкшие к постоянству температуры внутренние органы - вот одна из задач, с которыми великолепно справляется меланин. Гранулы темно-коричневого, почти черного пигмента поглощают в широкой области спектра.

Меланин - основной пигмент тела человека. Он придает окраску не только загоревшей коже, но и волосам, ресницам, радужной оболочке глаз. Меланин содержится и в пигментном слое сетчатки глаза, участвует в восприятии света.

Исходный продукт для образования меланина - аминокислота тирозин, которая под влиянием фермента тирозиназы окисляется в диоксифенилаланин. Присутствие фермента совершенно необходимо для образования меланина. Генетический дефект, сопровождающийся нарушением продукции тирозиназы, проявляется в отсутствие пигментации. Люди с таким дефектом имеют белые волосы, ресницы и розовые глаза (через радужную оболочку, лишенную пигмента, просвечивают кровеносные сосуды), носят название альбиносов. Отсутствие меланина не слишком беспокоит их. Однако против солнечных лучей они беззащитны. Пребывание под прямыми лучами Солнца означает для них ожоги, волдыри и даже некрозы.

Но меланин - не просто пигмент, не пассивный защитный экран, отгораживающий ткани и внутренние органы от не в меру горячих лучей Солнца. Меланин - необыкновенное вещество, защитные функции которого в организме значительно шире и сложнее. Когда кванты ультрафиолетовых лучей поглощаются молекулами белков, нуклеиновых кислот и других органических соединений, один из вероятных результатов такой встречи - распад и расщепление молекул. Осколки разрушенных молекул, обладающие высокой биохимической активностью, носят название ионов, если они несут электрический заряд, и свободных радикалов, если они обладают неспаренным электроном, свободной валентностью. Свободные радикалы реагируют с молекулами белков и нуклеиновых кислот, дополняя и усиливая их непосредственное повреждение, порождают лавинообразно нарастающий процесс, подобный цепной реакции распада ядер урана, возбуждаемой потоком нейтронов. Остановить эту цепную реакцию - значит ослабить повреждающее действие излучения, предотвратить его опасные для здоровья последствия.

И с этой задачей меланин справляется великолепно. Молекулы меланина, образующиеся в результате окислительной конденсации тирозина, диоксифенилаланина, пирокатехина - это огромные полимерные молекулы с сетчатой структурой. В процессе окисления предшественников меланина также образуются свободные радикалы, так называемые семихиноны. Большинство из них, соединяясь, взаимно нейтрализуется, но часть сохраняет неспаренные электроны и в составе молекулы меланина. На вооружении современной науки состоит метод электронного парамагнитного резонанса (ЭПР), позволяющий обнаруживать присутствие свободных радикалов. С помощью этого метода удалось показать, что гигантские сетчатые молекулы меланина обладают свойствами стабильных свободных радикалов. Более того, в звеньях этой сети легко «застревают», связываются, нейтрализуются другие свободные радикалы.

Подобно чудесному защитному покрову, сетчатые молекулы меланина задерживают и обезвреживают активные, сильнодействующие осколки разрушенных ультрафиолетом молекул, не пропуская их в кровь, во внутренние среды организма. И эта защитная функция меланина не менее важна, чем поглощение тепловых лучей. Статистика бесстрастно утверждает, что рак кожи у лиц с сильно пигментированной кожей при равных условиях освещения Солнцем развивается примерно в 10 раз реже, чем у белых. Заслуга меланина здесь несомненна.

В природе существуют излучения, гораздо более высокоэнергетичные и сильнодействующие, чем ультрафиолетовое,- это рентгеновские и гамма-лучи. При их взаимодействии с живыми тканями свободные радикалы и ионы образуются значительно чаще и в больших количествах, чем при освещении кожи Солнцем. К тому же гамма-лучи проникают в тело человека на всю его глубину, и процесс расщепления молекул не ограничивается только кожей. Опасность повреждения органов и тканей свободными радикалами в этом случае неизмеримо больше, чем при освещении ультрафиолетом. Меланин кожи в этих условиях не может полностью выполнить свою защитную роль, так как не в силах задержать глубоко проникающее излучение. Но если большие молекулы меланина перевести в растворимое состояние (обработав его слабой Щелочью) и затем ввести в кровь, разрушительное действие ядерных излучений будет заметно ослаблено. Так защитные свойства меланина находят и новые, столь же важные и полезные применения.

Световая «пища» и световое голодание

Попав в желудочно-кишечный тракт, белки, жиры, углеводы пищи распадаются на простые молекулы аминокислот, простых Сахаров, жирных кислот, из которых животный организм строит сложнейшие вещества, необходимые для роста его клеток и тканей. Но есть вещества, довольно простые по строению, которые непосредственно усваиваются организмом из пищи, а не синтезируются в его тканях. Название этих веществ - витамины (жизненные амины) - не совсем точно, так как немногие из них содержат аминогруппу NH 2 . Но жизненная важность, необходимость их для человека - несомненна.

Суточная потребность взрослого человека в витаминах не превышает 2-5 мг; только витамин С (аскорбиновая кислота) должен поступать ежедневно в количестве 50-75 мг. Из-за недостатка даже такого ничтожного количества «примесей» в организме приостанавливается рост клеток, развиваются тяжелые заболевания. Например, недостаток витамина С вызывает цингу - болезнь, при которой кровоточат десны, выпадают волосы, развивается общая слабость, хрупкость сосудов, происходят кровоизлияния под кожу, во внутренние органы и т. п. При отсутствии в организме витамина В 4 (авитаминоз Bi) поражаются нервные стволы (полиневрит), а недостаток витамина А вызывает болезнь, которую называют куриной слепотой.

В мясе и жире животных содержится жирорастворимый витамин D. В отличие от других витаминов он может не только поступать в организм с пищей, но и образовываться в нем из других веществ. В различных растительных и животных продуктах содержатся стероидные вещества, которые сами по себе витаминной активностью не обладают, но очень близки по своему строению к витамину D. Это эргостерин, присутствующий в яичном желтке, проростках пшеницы, дрожжах, грибах, а также 7,8-дегидрохолестерин, которого много в коже и мышцах животных и человека. Чтобы превратиться в витамин D, его предшественники, провитамины, должны претерпеть два превращения: разрыв одного из углеродных колец (кольца В) и образование третьей двойной связи в молекуле. Для осуществления этих химических перегруппировок необходима энергия. И природа уже на ранних этапах эволюции позвоночных изобрела простой и остроумный механизм использования для этой цели энергии ультрафиолетовых лучей Солнца. Сальные железы кожи ежедневно вырабатывают около 20 г кожной смазки, содержащей значительное количество 7,8-дегидрохолестерина или эргостерина. Под влиянием ультрафиолетовых лучей Солнца с длиной волны 2800-3130 А это вещество превращается в витамин D и всасывается с поверхности кожи в кровь.

Физиологическая роль витамина D заключается в том, что он способствует всасыванию из кишечника и усвоению кальция. Кальций входит в состав костей, участвует в свертывании крови, уплотняет клеточные и тканевые мембраны, регулирует активность различных ферментов, выполняет много других важных функций. Постоянство концентрации ионов кальция в крови и других жидкостях организма имеет поэтому важное значение. В организме человека крохотные околощитовидные железы выделяют особый гормон - паратиреокрин, с помощью которого содержание кальция (и фосфора) в крови поддерживается на одинаковом уровне независимо от поступления с пищей. Если в организме недостает витамина D, кальций пищи не усваивается и потребность в нем восполняется за счет кальция костей. Поэтому при авитаминозе D наиболее характерно поражение костей.

Болезнь, возникающая при недостатке витамина D у детей первых лет жизни, которых заботливые родители прячут от лучей Солнца, называется рахитом. Рахитичные дети капризны, раздражительны, плохо развиваются и не прибавляют в весе. Главные признаки болезни связаны с нарушением формирования скелета. Больные рахитом дети поздно начинают ходить или, болея, перестают ходить; их кости, теряя кальций, становятся чрезмерно гибкими и под влиянием тяги мышц и тяжести тела искривляются.

Недостаток витамина D иногда ощущается и взрослыми людьми. Во время беременности, например, увеличивается потребность организма в кальции. Кальций, необходимый для формирования скелета ребенка, при плохой усвояемости его из пищи заимствуется из костей материнского организма. При этом развивается размягчение костей - остеомаляция.

Чтобы предупредить развитие рахита, пользуются как естественными источниками витамина D (жиром печени трески), так и искусственными, облучая провитамины (эргостерин, холестерин и др.) ультрафиолетовыми лучами. Лучи короче 2700 А, не содержащиеся в солнечном свете, разрушают витамин D. При искусственном получении витамина из светового потока ультрафиолетовых ламп с помощью специальных фильтров исключаются наиболее коротковолновые лучи. Новые методы искусственного получения витамина D успешно разрабатываются в Институте биохимии АН УССР.

Витамин D предотвращает развитие рахита и лечит развившееся заболевание. Но самый лучший эффект наблюдается все же тогда, когда этот витамин образуется естественным путем в коже ребенка, освещенной Солнцем. В этом случае используется сила природы - путь, наиболее привычный для организма.

Однако световое голодание - это не только рахит. Это состояние, описанное и изученное особенно подробно советскими учеными, гораздо сложнее и шире. Потеря извести тканями зуба (эмалью, дентином) приводит к их разрушению. В организме больного туберкулезом известковые отложения ограничивают очаги в легких, как бы заключают в темницу возбудителей болезни. Из-за недостатка ультрафиолетовых лучей может нарушиться нормальное поступление кальция в организм и обостриться течение болезни. Потеря организмом кальция усиливает хрупкость мелких кровеносных сосудов - капилляров, увеличивает проницаемость тканей. Поэтому люди, долго живущие без солнечного света, легко простуживаются и тяжело переносят простуду. Солнечное голодание проявляется также в раздражительности, бессоннице, быстрой утомляемости и других признаках расстройства функций нервной системы человека.

В каких условиях может возникнуть световое голодание человека? Прежде всего большое значение имеют географические и климатические условия. На различных широтах земной поверхности длительность светового дня различна в разные сезоны года. Если на экваторе день всегда равен ночи и составляет 12 ч, то у полюсов ночь продолжается полгода. Различна и высота Солнца над горизонтом. В экваториальной области ежедневно в полдень Солнце стоит в зените, а за полярным кругом даже во время светлой половины года оно не поднимается высоко. При высоте стояния Солнца 7,3° в его свете вследствие рассеяния отсутствуют даже фиолетовые лучи, не говоря уже об ультрафиолетовых. В табл. 4 показана зависимость коротковолновой границы спектра от высоты Солнца над горизонтом.

Рис. 18. Распределение ультрафиолетовой освещенности по территории СССР (годовые дозы эритемной радиации областей В + А, эр.-час/м 2)

Чем севернее район проживания людей, тем меньше ультрафиолетовых лучей достигает Земли, тем длительнее период их недостатка (рис. 18). В Ленинграде, по данным Н. Ф. Галанина, с 15 октября по 15 марта продолжается биологическая полярная ночь: лучи, вызывающие эритему, не доходят до Земли. Суровые условия полярного и приполярного климата вынуждают людей почти круглый год носить плотную одежду, сквозь которую не могут проникнуть лучи Солнца, и это усугубляет световой голод.

Таблица 4

Смещение коротковолновой границы спектра в зависимости от высоты стояния Солнца над горизонтом

Не менее важное значение имеют условия труда и жизни людей. В больших городах, где воздух загрязнен пылью, дымом, копотью, короткие ультрафиолетовые лучи почти не достигают поверхности Земли. Длительная работа в шахтах и рудниках, машинных отделениях и закрытых заводских цехах, труд ночью, а сон в дневные часы также приводят к световому голоданию. Условия жизни в жилище, планировка домов, улиц и кварталов тоже сказываются на световом рационе. Если расстояния между домами малы, а дворы представляют собой глубокие колодцы, Солнце почти не заглядывает в окна нижних этажей. Малые размеры окон и отдельных стекол в них, загрязненные стекла, шторы, занавески, даже зеленые растения могут ограничивать поступление ультрафиолетовых лучей внутрь жилища. Оконное стекло даже самых лучших сортов, поглощающее до 90-95% ультрафиолетовых лучей, не пропускает лучи короче 3100-3400 А, которые имеют наибольшую активность. Окраска стен в производственных помещениях и жилых квартирах также имеет существенное значение. Желтая окраска, например, полностью поглощает ультрафиолетовые лучи.

Проникновению ультрафиолетовых лучей в организм препятствует и одежда. Хуже всего они проходят через штапельные, льняные ткани, сатин, а также окрашенные в темные цвета хлопчатобумажные, крепдешиновые и трикотажные ткани. Более прозрачные - маркизет, майя, натуральный креп-жоржет, неокрашенный крепдешин, особенно нейлон и капрон, легко пропускают ультрафиолетовые лучи.

Как бороться со световым голоданием? Быть может, необходимо добавлять витамин D в пищу значительной части населения нашей планеты?

Прежде всего нужно уметь использовать могучий природный источник ультрафиолетовых лучей - Солнце. Загородные прогулки, купания и солнечные ванны на берегу реки или моря, туристские походы лучше любых медицинских средств помогут избежать светового голодания. В течение всего теплого периода года, а не только, во время отпуска, следует как можно шире открывать поверхность кожи живительному потоку солнечных лучей. Конечно, нужно соблюдать меру. Лучи Солнца - не безобидное удовольствие. В большом количестве они могут не только вызвать ожог кожи, но и активизировать тлеющий в организме туберкулезный очаг или ослабить некрепкое сердце.

В тех районах, где холодное время года особенно продолжительно, следует искусственно удовлетворять потребность организма в ультрафиолетовых лучах. В детских садах, яслях, школах, больницах, особенно в северных и восточных районах, применяются особые лампы (типа ЭУВ, РВЭ и др.), которые наряду с видимым светом дают и ультрафиолетовые лучи с длиной волны 3000-3400 А. На многих шахтах и промышленных предприятиях созданы специальные фотарии, где в течение нескольких минут рабочие получают значительную дозу ультрафиолетовых лучей. Все это дает возможность избежать многих тяжелых заболеваний, укрепляет здоровье советских людей.

В арсенале медицинских средств Солнце занимает видное место. Врачеватели всех времен высоко оценивали роль солнечных лучей в поддержании здоровья и бодрости людей. Современная наука раскрыла многие (но далеко не все) механизмы благотворного влияния Солнца, создала условия для обоснованного, разумного использования этой могучей силы природы. Наряду с другими природными лечебными факторами солнечные ванны рекомендуются для закаливания организма, повышения его выносливости и сопротивляемости жизненным невзгодам. При обычных условиях солнечные ванны вызывают образование небольшого количества активных продуктов фотолиза, которые оказывают на организм благотворное действие. Ультрафиолетовые лучи в дозах, вызывающих образование эритемы, усиливают работу кроветворных органов: постепенно повышается количество белых и красных кровяных телец, гемоглобина, увеличивается щелочной резерв и свертывание крови. При этом дыхание клеток и всего организма усиливается, процессы обмена веществ идут активнее. Молодые организмы быстрее прибавляют в весе, более энергично развиваются, когда получают свою ежедневную порцию солнечных лучей.

Особенно сильно продукты фотолиза возбуждают деятельность той системы организма, которая непосредственно ведает защитой от вредных внешних влияний. Называется она ретикуло-эндотелиальной или, по определению выдающегося советского ученого А. А. Богомольца, физиологической системой соединительной ткани. В ней вырабатываются белые тельца крови и тканей (лейкоциты и гистиоциты), особые белки (антитела), разрушающие чужеродные вещества и микробы. Под влиянием эритемных доз ультрафиолетовых лучей лейкоциты и гистиоциты становятся более активными, энергичнее поглощают и разрушают микроорганизмы; антитела вырабатываются быстрее и в большем количестве. Значительно возрастает сопротивляемость не только простудным заболеваниям, но и другим болезням, быстрее заживают раны. Кожа, защищающая тело от ушибов, проникновения бактерий, ядов и раздражающих веществ, под влиянием облучений усиливает свои барьерные свойства. Наконец, ультрафиолетовые лучи устраняют повышенную чувствительность организма - аллергию. При многократном воздействии ультрафиолетовых лучей продукты распада белков, возбуждая симпатико-адреналовую систему, как бы тренируют ее, увеличивая выносливость организма, закаляют его.

Такое же значение имеет тренировка систем, вырабатывающих гистаминазу - фермент, который разрушает гистамин и быстро устраняет его вредное влияние на opганизм.

Однако ультрафиолетовые лучи могут действовать на организм и посредством других природных факторов. Речь идет о влиянии ультрафиолетовых лучей на воздух, которым мы дышим, на его физическое состояние. Загрязнение воздуха пылью, газами, водяными парами оказывает вредное влияние на организм. Ультрафиолетовые лучи Солнца усиливают процесс естественного самоочищения атмосферы от загрязнений, способствуя более быстрому окислению пыли, частичек дыма и копоти, уничтожая находящиеся на пылинках микроорганизмы. Конечно, эта природная способность к самоочищению имеет пределы и при очень сильном загрязнении воздуха оказывается недостаточной.

Но роль ультрафиолетовых лучей не ограничивается этим. Самый чистый воздух все же недостаточно «аппетитен», если он не прошел «обработки» лучами Солнца. Советскими учеными А. Л. Чижевским, Л. Л. Васильевым, А. А. Минхом установлено, что воздух открытых пространств действительно обладает целебными свойствами, и ультрафиолетовый луч - одна из причин появления этого свойства.

Ультрафиолетовые, космические лучи и другие природные факторы ионизируют воздух. Ионы благодаря наличию заряда легче вступают в химические реакции, свободнее проникают через тканевые мембраны. Азот, составляющий основную массу атмосферы (78%), и углекислота (0,03%) в результате ионизации существуют преимущественно в виде положительных ионов. Выбитые электроны связываются главным образом с молекулами кислорода, обладающими особыми магнитными свойствами. Если азот не влияет на организм человека, а углекислота вредна, то отрицательные ионы кислорода, легко проникая в кровь через стенку легочных пузырьков - альвеол, лучше взаимодействуют с гемоглобином, улучшают снабжение организма столь необходимым для его жизни продуктом, влияют на уровень серотонина и других биологически активных веществ в крови. Вот почему чистый воздух так целебен для человека, вот почему так легко и глубоко дышится на лоне природы!

К сожалению, примеси, содержащиеся в воздухе больших городов, жилищ и общественных зданий, быстро уничтожают или сводят до минимума количество легких аэроионов. В последние годы широкое применение находят установки кондиционирования воздуха, которые очищают воздух от примесей, придают ему нужную температуру и влажность. Но такие установки, как правило, не могут восстанавливать нормальный ионный состав воздуха. Заменить природные факторы, в том числе ультрафиолетовые лучи, не так-то просто! Но ученые нашли выход: были созданы ионизаторы - приборы, искусственно ионизирующие воздух.

Для здоровья людей полезны легкие отрицательные аэроионы - ионы кислорода. К сожалению, многие конструкции ионизаторов дают ионы обоих зарядов или, что еще хуже, в результате разбрызгивания воды дают тяжелые ионы. Пожалуй, наилучшим является ионизатор конструкции А. Л. Чижевского. В этом приборе поток отрицательных аэроионов образуется в электрическом поле. Ионизация атмосферы - еще один важный путь воздействия ультрафиолетовых лучей на жизнь и здоровье человека. Чтобы человек до глубокой старости сохранял душевную бодрость, ясность ума и несокрушимое здоровье, он должен уметь использовать благотворную силу солнечного света.

«Куда заглядывает солнце, туда не заглядывает врач»

Это старинное изречение весьма современно и в наши дни. В трущобах больших городов в капиталистических странах немало людей томится без света, без надежды на лучшую жизнь. Именно там - в темных и тесных жилищах - издревле гнездятся рахит и туберкулез, ревматизм и бронхиальная астма, сыпной тиф, трахома, дизентерия, холера, черная оспа - болезни, большинство которых ликвидировано в нашей стране.

Ультрафиолетовые лучи, разрушающие клетки зародышевого слоя кожи человека или клетки слизистой оболочки глаз, легко уничтожают и возбудителей всевозможных заразных болезней: туберкулезные палочки, холерные вибрионы, стрептококки, вирусы гриппа и др. Механизм разрушения одинаков, но значение бактерицидного действия ультрафиолетовых лучей огромно и вполне самостоятельно.

Наиболее эффективно и быстро уничтожают микроорганизмы лучи с длиной волны 2537-2675 А. В обе стороны спектра бактерицидная эффективность излучения падает. Если принять максимум эффекта за 100%, то активность лучей с длиной волны 2900 А (близких к коротковолновой границе солнечного спектра) составит 30%, действие лучей с длиной волны 3000 А - всего 6%, а лучей, лежащих на границе видимого света (4000 А),-- лишь 0,01% максимальной.

Микроорганизмы обладают различной чувствительностью к ультрафиолетовым лучам. Дрожжи, плесневые грибки и споры бактерий гораздо устойчивее к их действию, чем вегетативные формы бактерий. А споры некоторых грибков, окруженные толстой и плотной оболочкой, отлично себя чувствуют в высоких слоях атмосферы и, не исключена возможность, могут путешествовать даже » космосе. Чувствительность микроорганизмов к ультрафиолетовым лучам особенно велика в период деления и непосредственно перед ним. Кривые бактерицидного эффекта, торможения деления и роста клеток почти точно совпадают с кривой поглощения ультрафиолетовых лучей нуклеиновыми кислотами (см. рис. 16). Следовательно, денатурация и фотолиз нуклеиновых кислот - важнейшей составной части аппарата наследственности - образование димеров тимина, сшивок между нитями ДНК, приводят к прекращению деления и роста клеток, а в больших дозах - к их гибели.

У человека среди микроорганизмов наряду с друзьями немало и врагов. Ультрафиолетовые лучи - одно из самых мощных орудий борьбы с вредными микробами. В ртутных лампах низкого давления, носящих название бактерицидных (серия БУВ), на долю излучения с длиной волны 2537 А, обладающего максимальным бактерицидным эффектом, приходится больше 85% светового потока. Эти лампы чаще всего применяют для уничтожения микроорганизмов.

Идет операция. Хирурги в стерильных халатах, шапочках и масках склонились над больным. Края раны закрыты стерильной простыней, обработаны йодом. Руки хирургов надежно упрятаны под тонкими резиновыми перчатками. Казалось бы, все сделано для того, чтобы уберечь операционную рану от заражения микробами. И все же гнойные осложнения иногда бывают после самой тщательной медицинской подготовки. Источником заражения является воздух. Для дезинфекции воздуха отличный эффект дают бактерицидные лампы. При их использовании число осложнений уменьшается в 5-10 раз.

Сейчас бактерицидными лампами оборудованы многие операционные, перевязочные, больничные палаты, ясли и детские сады. Это очень полезное нововведение. Только нужно помнить, что бактерицидные лучи вредны для кожи и прежде всего для глаз. Поэтому лампы следует включать либо тогда, когда в помещении нет людей, либо направлять их свет вверх и в стороны, но не вниз, избегая при этом и отражения от потолка и стен.

Бактерицидные свойства ультрафиолетовых лучей используются при дезинфекции игрушек, посуды, инструментов; с их помощью удлиняется срок хранения многих пищевых продуктов. Лучи обеззараживают питьевую воду (если она достаточно прозрачна), инактивируют вирусы при изготовлении вакцин.

Лучи изменяют природу организмов

Современная наука достигла больших успехов в изучении проблемы наследственности. Доказана решающая роль нуклеиновых кислот, а также белков в накоплении, хранении, передаче наследственной информации от родителей к детям. Но нуклеиновые кислоты и белки легко поглощают фотоны ультрафиолетового света. Вызывая изменения структуры биополимеров, их частичную денатурацию, эти лучи могут вносить изменения в наследственную информацию. Если облучению подверглись половые клетки организма, то изменения, вызванные ультрафиолетовыми лучами в молекулах нуклеиновых кислот, будут свойственны всему организму, выросшему из этих клеток, и даже его потомкам. Стойкие, передающиеся по наследству изменения носят название мутаций, а вызывающий их агент называется мутагенным. Мутагенное действие ультрафиолетовых лучей было обнаружено в 1932-1934 гг. американским генетиком Е. Альтенбургом в опытах на мушках дрозофилах. Взрослые мушки, выросшие из облученных яиц, отличались от своих собратьев формой крыльев, цветом, размерами брюшка и т. п.

Появление мутаций при действии ультрафиолетовых лучей наблюдается у всех одноклеточных и простейших многоклеточных организмов, на семенах многих растений. Если облучать ультрафиолетовыми лучами бактерии, простейших, клеточные культуры, то относительно небольшие дозы облучения увеличивают частоту возникающих мутаций от 1 тыс. до 1 млн. раз. При больших дозах облучения почти все выживающие клетки оказываются носителями тех или иных наследственных повреждений. Однако малая проникающая способность ультрафиолетовых лучей ограничивает возможности их использования для получения мутаций. У большинства организмов, и прежде всего у млекопитающих, половые клетки расположены в теле так глубоко, что ультрафиолетовые лучи их не достигают. (Только более крупные и высокоэнергичные кванты рентгеновских и гамма-лучей обладают достаточной для этого проникающей способностью.) И все же мутагенная активность ультрафиолетового излучения находит практическое применение. Лучистые и плесневые грибки, микроскопически малые по величине, производят могучие лечебные препараты - антибиотики. В повышении «производительности труда» грибков надежным помощником служат ультрафиолетовые лучи. Среди потомства облученных и мутировавших грибков отбирают наиболее производительных, которых снова облучают, добиваясь в конце концов нужных результатов.

С. И. Алиханян с сотрудниками вывел новые расы грибков, которые изготовляют антибиотики (террамицин и эритромицин) в 5-10 раз больше, чем исходные образцы. А всего за время использования антибиотиков в медицине производительность грибков удалось повысить в тысячи раз, а стоимость производства - значительно снизить. Так мутагенные свойства ультрафиолетовых лучей используются для селекции одноклеточных организмов и некоторых растений.

Нарушения, вносимые квантами ультрафиолетовых лучей в структуру молекул ДНК, могут быть различны. Если происходит замена одного пиримидинового основания другим (например, тимина - цитозином или урацилом) или пурина - пурином (аденина - гуанином и наоборот), то такие ошибки - их называют транзициями - не нарушают конфигурации молекулы ДНК; обычно они не распознаются и не устраняются восстановительными системами клетки (о них идет речь в главе V). Другой тип мутации - трансверсии, в которых происходит замена пурина пиримидином и наоборот, довольно заметно искажают скелет молекулы и обычно устраняются раньше, чем клетка успевает передать ошибочную информацию потомкам. Наконец, третий тип мутаций - выпадение (делеция) или вставка одного или нескольких азотистых оснований.

Каковы возможные последствия мутаций рассмотренных типов? Так как триплет азотистых оснований в молекуле ДНК соответствует одной аминокислоте в структуре кодируемого белка, то замена одного азотистого основания другим в ДНК (мутации первого и второго типов) означает замену аминокислоты; это может отразиться на функции будущего белка в клетке и даже на течении определенных обменных реакций. Мутации третьего типа могут давать гораздо более серьезные последствия: выпадение или вставка основания изменяет весь шифр, так как сдвигается граница между триплетами, и структура кодируемого белка очень сильно искажается.

Мутации возникают и при поедании корма, облученного короткими ультрафиолетовыми лучами, в котором в результате облучения образуются, очевидно, химические мутагены.

Мутации, возникающие в клетках тела многоклеточных животных, не могут оказать влияния на наследственность всего организма или его потомков. Их влияние распространяется лишь на потомство самой облученной клетки. Но иногда, при каких-то невыясненных еще полностью условиях, перерождение клетки может зайти так далеко, что она превратится в раковую. Длительное воздействие солнечного света или ультрафиолетовых лучей искусственных источников в больших дозах вызывает образование злокачественных опухолей у подопытных животных (мышей, крыс) на участках кожи, не защищенных шерстью: на носу, ушах, хвосте. После облучения роговой слой кожи утолщается, и чтобы вызвать образование опухоли, нужно начинать с большой дозы лучей и постепенно ее увеличивать.

Доказана также роль солнечного света в происхождении рака кожи у людей. Он появляется исключительно на открытых участках кожи (на лице, шее, кистях рук) и главным образом у людей, длительно находящихся под воздействием солнечных лучей. Заболеваемость раком кожи тем выше, чем больше солнечной радиации в данном географическом районе. При этом чаще всего болеют не местные жители, а белокожие приезжие из более северных районов, менее приспособленные к данным условиям. Так, в южных штатах США белые болеют раком кожи в 10-12 раз чаще, чем негры, а на Гавайских островах - даже в 42 раза чаще.

В возникновении рака кожи, возможно, некоторую роль играют канцерогенные вещества, обладающие фотодинамическим действием. Подтверждено опытами, что ультрафиолетовые лучи вызывают фотохимические превращения, окисление жироподобных веществ кожи, причем некоторые из продуктов окисления приобретают канцерогенные свойства. Некоторые ученые предполагают, что злокачественное перерождение клетки происходит в результате прямого поглощения ультрафиолетовых лучей нуклеопротеидами клеточного ядра и возникающих вследствие этого ошибок в передаче наследственной информации дочерним клеткам организма. Так или иначе, опасность возникновения рака кожи существует, и люди, постоянно работающие на открытом воздухе (моряки, пастухи, некоторые категории строителей, сельскохозяйственных рабочих), должны заблаговременно принимать меры для защиты кожи.

Свечение живого тела

О каком свечении пойдет здесь речь? Ведь о биолюминесценции - свечении живых организмов, рассказывалось выше. Явление, с которым познакомится сейчас читатель, существенно отличается от биолюминесценции. Развитие учения об ультрафиолетовом, невидимом свечении живого тела тесно связано с работами крупного советского ученого А. Г. Гурвича. Еще в 1923 г. он сумел доказать, что ткани растительного или животного организма, в которых происходит быстрое размножение клеток, являются источниками невидимого излучения. Если на пути пучка этих лучей поместить другой образец живой ткани, то и в нем под влиянием излучения деление клеток станет совершаться быстрее. Вновь открытые лучи Гурвич назвал митогенетическими, т. е. ускоряющими, вызывающими митоз - деление клеток.

Как пришел он к этому открытию, выдающееся значение которого становится ясным только сегодня, спустя полвека? Крупный цитолог и эмбриолог, посвятивший себя изучению развития организма из оплодотворенной яйцеклетки, Гурвич пришел к выводу, что формирование различных тканей, органов, систем происходит в зародыше из первоначально однородного зачатка не только в силу реализации наследственной программы развития, но и благодаря взаимному влиянию клеток эмбриона друг на друга.

Анализируя процесс клеточного деления - основу всех процессов роста и развития организмов, Гурвич установил, что он является следствием двух разных причин. С одной стороны, внутри клетки должны завершиться многочисленные сложные биохимические реакции, подготавливающие клетку к делению. В настоящее время мы внаем об этих процессах бесконечно больше, чем было известно полвека назад. До начала клеточного деления должен завершиться процесс самоудвоения молекул ДНК - основных носителей наследственной информации; только в этом случае каждая из дочерних клеток получит полный ее комплект. Кроме того, в клетке должен сформироваться специальный аппарат - веретено деления, который как бы растаскивает потом в противоположные стороны половинки разделившихся хромосом. Должна завершиться выработка всех необходимых для деления ферментных систем.

Одним словом, только завершение всех этих внутриклеточных, подготовительных процессов создает внутренние предпосылки для деления. Совокупность этих внутриклеточных причин Гурвич назвал «фактором готовности».

Но большой опыт цитолога и эмбриолога убеждал ученого, что дело не только во внутриклеточных процессах. Нередко клетка, полностью готовая к делению, сутками, неделями, месяцами прозябает в неподвижности, как бы ожидая команды извне. А клетки печени, нервных центров вообще делятся, только попав в особые, непривычные условия. Значит, наряду с внутренним «фактором готовности» для деления клетки нужен еще какой-то стимул, толчок извне. Гурвич назвал его «фактором осуществления».

Природа этого пускового агента на многие десятилетия приковала внимание ученого. Как истинный биолог-материалист, Гурвич не тратил времени на подыскание умозрительных, иррациональных объяснений, на поиски причин, лежащих вне ткани, вне организма. Почти сразу сложилась мысль: не есть ли «фактор осуществления» тот самый агент, с помощью которого клетки взаимодействуют между собой? Привычные представления о способах межклеточной связи не помогали: нервной системы, даже самой примитивной, у эмбриона еще нет. Химические взаимодействия возможны, но ими всего объяснить не удается. Напряженный поиск возможных механизмов привел к первой гипотезе.

В клеточной массе эмбриона, в быстро растущих тканях создается, по мысли Гурвича, своеобразное биологическое поле (аналог гравитационного, электромагнитного полей, существование которых служило в те годы предметом споров и дискуссий физиков), поле взаимодействия клеточных сил, формирующее дифференциацию клеток, образование из одного зачатка разных тканей, органов.

Если такое поле существует, значит при определенных конфигурациях пластов делящихся клеток силы взаимодействия должны выходить за пределы ткани, и их можно обнаружить. Такой ход рассуждений привел Гурвича к постановке опытов на корешках лука. Слои клеток, в которых идут процессы деления, изогнуты в корешке так, что, по мысли ученого, гипотетические силы биологического поля должны выходить за пределы корешка.

Как их обнаружить? Очевидно, удобнее всего использовать другой биологический объект: ведь природа и даже факт существования сил биологического поля еще не установлены, следовательно, для их обнаружения нельзя применять физические или химические методы. Решающий опыт Гурвич поставил в 1923 г.: ученый поднес к донцу корешка лука, где активно шли процессы деления клеток, другой корешок. Спустя некоторое время второй корешок был разрезан, покрашен и помещен под микроскоп. Внимательный глаз исследователя обнаружил на срезе удивительное явление: количество делящихся клеток в той половине препарата, которая была обращена к донышку первого корешка, увеличилось на 20-40% по сравнению с более удаленными клеточными слоями.

Многократно, с неизменным успехом, повторив опыт, Гурвич понял, что это не случайность, что делящиеся клетки (первого корешка) каким-то образом на расстоянии оказывают влияние на клетки другого растения, усиливая в них процесс клеточного деления. Вопрос о природе этого дальнодействия немедленно заинтересовал ученого. Изменяя расстояние, используя различные экраны и образцы размножающихся клеточных культур, Гурвич пришел к важным выводам. Некоторые растительные ткани выделяют в воздух летучие вещества, способные стимулировать или угнетать (в зависимости от концентрации) клеточные деления в бактериальных и других клеточных культурах. Известный советский биолог Б. П. Токин, посвятивший впоследствии изучению этих веществ всю жизнь, назвал их фитонцидами.

Однако в опытах Гурвича силы биологического поля выходили и из герметически закупоренного, даже запаянного сосуда с культурой делящихся бактерий, дрожжей и усиливали деление клеток корешка лука, если только сосуд был изготовлен из кварцевого стекла. Обычное стекло прерывало взаимодействие делящихся клеток, становилось непреодолимым препятствием для сил биологического поля. Но кварц отличается от стекла прежде всего способностью пропускать, не поглощая, ультрафиолетовые лучи. Так Гурвич пришел к убеждению, что силы биологического поля имеют электромагнитную, оптическую природу.

В распоряжении Гурвича не было достаточно чувствительных приборов для измерения количества излучаемого тканью невидимого света, для его объективной регистрации, количественной характеристики. И все же ученому удалось установить, что спектр митогенетического излучения лежит в пределах 1800-3260 А и что достаточно одного кванта этого излучения, чтобы вызвать деление клетки, завершившей внутреннюю подготовку к митозу. Невидимые лучи выделяются в виде короткой вспышки перед началом деления клетки. Излученная порция фотонов, поглощаясь соседними клетками, вызывает и в них невидимую вспышку, своего рода цепную реакцию, вторичное излучение.

Можно только поражаться, как удалось Гурвичу, опередив развитие науки на 30-50 лет, гениально предсказать и частично доказать (пользуясь примитивной с нашей сегодняшней точки зрения лабораторной техникой) не только существование митогенетического излучения, но его физическую природу и внутриклеточные источники энергии, оценить величайшее значение информации, выносимой из глубин клетки невидимым светом. Так, выяснилось, что импульс возбуждения, пробегающий по нервному волокну, сопровождается не только волной колебания электрического потенциала (так называемым потенциалом действия), но и волной ультрафиолетового излучения. Оказалось, что сильными излучателями являются клетки опухолей. Но зато в крови раковых больных появляется вещество, препятствующее излучению - так называемый раковый тушитель.

Гурвич пришел к убеждению, что энергия, необходимая для митогенетического излучения, освобождается в процессе нормальных обменных реакций, но непосредственный ее источник - побочные, в какой-то мере случайные продукты обмена - свободные радикалы. В наши дни твердо установлено, что главным источником энергии излучения живых тканей является взаимная нейтрализация перекисных радикалов - продуктов неферментативного окисления главным образом жироподобных веществ - липидов.

Исследования в новой области сулили много интересного. Но на пути их развития стояло серьезное препятствие. Световой язык клеток был настолько слаб, что физические приборы того времени не могли его зарегистрировать. Поэтому и в качестве источников и приемников (детекторов) излучения приходилось использовать биологические объекты - корешки лука, затем - дрожжевые культуры на твердых питательных средах. Учет эффекта производился визуально - по количеству делящихся клеток, и очень многое зависело от внимательности и добросовестности наблюдателя. Наконец, далеко не всегда эффект митогенетического излучения удавалось зарегистрировать. Если клетки ткани или культуры размножались быстро и беспрепятственно, толчок извне был лишним. Митогенетические лучи ускоряли деление только на фоне его задержки.

Отдельные энтузиасты-физики упорно работали над созданием приборов, достаточно чувствительных для регистрации митогенетических лучей. Такие приборы - «счетчики фотонов» - были созданы у нас Г. М. Франком и за рубежом французским физиком Р. Одюбером. В 1938 г. крупнейший советский физик-оптик, впоследствии президент Академии наук СССР С. И. Вавилов, так отзывался об этих работах: «Результаты чрезвычайно интересных исследований Одюбера… позволяют нам считать, что эмиссия ультрафиолета… при биологических процессах окончательно установлена обычными физическими методами. Эти исследования являются очень достоверным подтверждением важного открытия, сделанного Гурвичем в середине прошлой декады» [Цит. по: А. Г. Гурвич, Л. Д. Гурвич. Введение в учение о митогенезе. М., Изд-во АМН СССР, 1948.].

Но количество работ, в которых данные Гурвича не подтверждались или подвергались сомнению, также возрастало. В конце концов решающую роль сыграло общее несовершенство тогдашней лабораторной техники, регистрирующих оптических приборов. Нашлись в первые послевоенные годы люди, увидевшие в теории биологического поля проявление идеализма, припомнившие, что учитель Гурвича, выдающийся немецкий эмбриолог Г. Дриш в последние годы своей жизни стал открытым виталистом. В конечном счете интерес к исследованиям с митогенетическим излучением резко упал, а после смерти "А. Г. Гурвича работы в этой области по существу прекратились.

Прошли годы. Далеко вперед шагнула радиоэлектроника, техника измерений. Появились новые высокочувствительные приборы - так называемые фотоэлектронные умножители (ФЭУ), соединяющие свойства фотоэлементов и усилителей тока. На новом методическом уровне стало возможно то, о чем долгие годы мечтал А. Г. Гурвич,- стала возможной надежная объективная регистрация ничтожных по своей интенсивности световых потоков, посылаемых отдельными живыми клетками.

В 1954 г. итальянские исследователи Л. Колли и У. Фаччини с помощью ФЭУ, охлажденных сухим льдом.(для повышения чувствительности), обнаружили свечение проростков некоторых растений. В 1958-1959 гг. ученые Московского университета Ю. А. Владимиров и Ф. Ф. Литвин доказали существование свечения живых тканей, которое они назвали сверхслабым. Начиная с 1961 г. широкие исследования сверхслабых свечений развернули там же Б. Н. Тарусов с сотрудниками, А. И. Журавлев и другие ученые. В наши дни работы в этой области ведутся очень широко, их количество возрастает с каждым годом. И дело здесь не только в создании чувствительной регистрирующей аппаратуры. Общий уровень развития биологии ныне столь высок, что она начинает свободно оперировать такими физическими понятиями, как свободные радикалы, хемилюминесценция, квантовый выход, понятиями, которые Гурвич одним из первых ввел в биологию.

Сверхслабое свечение клеток и тканей, подобно биолюминесценции, о которой шла речь в предыдущей главе, осуществляется за счет энергии окисления органических веществ. Но в люциферин-люциферазной реакции наличие специального фермента обеспечивает превращение в свет почти всей освобождающейся при окислении энергии. Поэтому-то дрожащий огонек светляка можно увидеть в темную ночь на расстоянии сотен метров. Сверхслабое свечение (которое для отличия от дюциферин-люциферазной реакции именуют биохемилюминесценцией) не имеет своего фермента, и его квантовый выход 10-5-10-6, т. е. лишь одна стотысячная часть энергии окисления липидов тканей высвечивается. Для регистрации этого излучения необходимы высокочувствительные фотоэлектронные умножители.

Процесс окисления липидов или фосфолипидов кислородом воздуха совершается с образованием промежуточных продуктов - перекисных радикалов и представляет собой цепную разветвленную, самоускоряющуюся реакцию. Если предоставить ее своему естественному течению, количество окисленных продуктов нарастает лавинообразно.

В организме эта реакция не может идти бесконтрольно: слишком важную роль выполняют в нем липиды - обязательная деталь мембран, основы структуры и функции клеток. В состав всех жиров наших тканей входят особые вещества - антиокислители (токоферол и др.), которые перехватывают и нейтрализуют радикалы, возникающие при окислении жиров, и постоянно удерживают процесс окисления на стабильном низком уровне. Этот механизм, как показали исследования Н. М. Эмануэля, Е. Б. Бурлаковой, А. И. Журавлева и других ученых, используется в организме для управления скоростью клеточных делений.

Дело в том, что свободные радикалы задерживают деление клеток. Чем выше в ткани количество антиокислителей, тем быстрее совершаются в ней митозы. Вероятно, поэтому быстро растущие опухоли накапливают большое количество ингибиторов - веществ, замедляющих процесс окисления жиров. Вот как далеко завело нас знакомство с биохемилюминесценцией. И, что особенно важно,- все эти и еще многие интересные факты о работе клеток нашего тела были раскрыты и изучены во многом благодаря анализу сверхслабого свечения тканей - тайного языка клеток, открытого А. Г. Гурвичем.

В 1939 г. в выступлении, посвященном памяти выдающегося советского ученого-биохимика Е. С. Лондона, Гурвич говорил, что есть два типа ученых. Открытия Одних проходят в момент, когда наука готова к ним, когда созрели условия для всеобщего признания их открытий. Другие - к ним Гурвич относил Лондона - это ученые, опередившие время, те несчастливые гении, которые не пользуются признанием современников. Такая нелегкая судьба выпала и на долю Александра Гавриловича Гурвича. Мысль его на полстолетия опередила время, и лишь сегодня его идеи, открытия и предвидения начинают сбываться, подтверждаются всем ходом науки.

И хотя сегодня большинство работ по изучению сверхслабого свечения ведется в видимой области спектра (ультрафиолетовое излучение тканей еще в тысячи раз слабее, чем видимое), нет сомнения, что ультрафиолетовое свечение тканей существует не как случайный побочный продукт реакции, а как способ общения между клетками, важный канал обмена информации. Недавнее открытие группы советских биологов во главе с В. П. Казначеевым из Новосибирска - еще одно доказательство этого.

Если культуру клеток заразить вирусом или ввести в среду ядовитую сулему, клетки погибают. Но если к гибнущей культуре поднести другую, здоровую, таким образом, чтобы их разделяла двойная стенка из кварцевого стекла, - в незараженной культуре с некоторым отставанием возникают изменения, зеркально повторяющие картину драмы, развернувшейся в зараженной культуре. Что это - случайность? Тысячи опытов утверждают, что в 90% случаев наблюдается зеркальный эффект. Но, быть может, вирус ухитрился проникнуть в соседнюю культуру? Проверка опровергает это допущение. В то же время замена кварцевой посуды стеклянной полностью прекращает описанное явление.

Итак, лучи - невидимые и безмерно слабые, но управляющие самыми интимными, сокровенными тайнами жизни! Волна излучения, возникающая в зараженной культуре на каждой последующей стадии процесса, точно воспроизводится культурой-детектором. Совершенная сигнализация, которая не только извещает об опасности, но и мобилизует на борьбу, зовет к отпору ж даже к чрезмерному перенапряжению сил, управляет жизнью и смертью клеток, их ростом и размножением.

То, что скептикам еще недавно казалось наполовину фантазией, наполовину ошибкой опыта, ныне установлено неопровержимо: луч света - активный участник и регулятор самых сложных жизненных процессов. Лучи из глубин клетки - новый и важный источник информации о ее состоянии и функциях. Научившись понимать язык клеток, ученые и врачи смогут раньше, точнее, эффективнее распознавать, а значит, и лечить больных. Обнаружение в крови ракового тушителя, возможно, окажется одним из надежных методов раннего выявления больных, а это, в свою очередь, сделает более действенным их лечение. Многое может дать для медицины и изучение причин появления тушителя в крови практически здоровых людей. Нет ли здесь указания на опасность возникновения рака в будущем?

Нужно научиться понимать световой язык клеток, читать и использовать ценнейшую информацию, исходящую из их глубин. Открытие, сделанное В. П. Казначеевым с сотрудниками,- еще одно доказательство плодотворности этого пути, начатого А. Г. Гурвичем полвека назад.

Использование ультрафиолетового излучения человеком

Итак, мы знаем, что ультрафиолетовые лучи наполняют бодростью, энергией и силой наше тело, делают его более крепким, выносливым, закаленным. Они ведут постоянную тайную войну с болезнями, уничтожая их возбудителей и усиливая сопротивляемость организма. Невидимые лучи ионизируют воздух, покрывают золотистым загаром нашу кожу. Они незримо трудятся в сокровенных глубинах нашего тела, служа одним из факторов прогресса форм жизни на Земле, ускоряя важнейшие жизненные процессы. С помощью ультрафиолетовых лучей консервируют пищевые продукты, обеззараживают детские игрушки. Нет, пожалуй, ни одной отрасли человеческой деятельности, ни одной стороны жизни вообще, на которую не оказывал бы так или иначе свое влияние этот невидимый труженик.

Но ультрафиолетовый свет имеет еще одно применение - он верный помощник человека в сельском хозяйстве. С помощью ультрафиолетового облучения семян некоторых растений удается получить мутации, из числа которых можно отобрать особи, обладающие ценными хозяйственными качествами. Особый интерес представляет применение ультрафиолета в животноводстве. В осенний, зимний и весенний периоды года домашний скот и птица начинают ощущать недостаток света, особенно ультрафиолетового. Уменьшается прирост веса животного (даже при достаточном количестве кормов). Коровы начинают давать меньше молока, куры - яиц, учащаются случаи яловости, потомство рождается более слабым. Все это происходит потому, что в крови скота и птицы уменьшается количество гемоглобина, эритроцитов, белка и кальция.

Выход из положения ясен: недостаток ультрафиолетового излучения нужно восполнять искусственно. Однако следует иметь в виду, что ошибки при назначении дозы облучения, невнимание к таким вопросам, как спектральный состав света ультрафиолетовых ламп, высота подвески над стойлами животных, длительность их горения и т. п., могут вместо пользы принести вред. Лампы типа ПРК, используемые в сельском хозяйстве, не годятся для восполнения недостатка природного ультрафиолета. В их спектре содержатся коротковолновые лучи (до 1800 А), которые разрушают витамин D, вызывают заболевание глаз и угнетение роста. Для искусственного облучения пригодны лампы ЭУВ или РВЭ, дающие длинноволновое ультрафиолетовое излучение, близкое по составу к солнечному. Ежедневное освещение этими лампами позволяет увеличить привес свиней и мясного крупного рогатого скота, повысить удойность коров в стойловый период. Куры после ежедневного облучения увеличивают яйценоскость на 10-15%; яйца становятся крупнее, имеют более прочную скорлупу. Облучение значительно уменьшает гибель цыплят в раннем возрасте: они быстро растут и редко болеют. Ультрафиолетовое облучение яиц на инкубаторных станциях увеличивает выводимость цыплят из яиц и их вес по сравнению с необлученными.

Подобное благотворное воздействие ультрафиолетовых лучей объясняется влиянием нескольких факторов. В результате бактерицидного эффекта уменьшается загрязненность поверхности яиц; озон и окислы азота, образующиеся при работе ламп, в малом количестве усиливают жизненные процессы куриных зародышей. Часть лучей с наибольшей длиной волны проходит сквозь скорлупу и непосредственно влияет на зародыш и его пищевые запасы, разжижает, делает более усвояемым для зародыша белок яйца.

На службу людям поставлена еще одна удивительная особенность ультрафиолетовых лучей, Многие насекомые, в большинстве своем вредители, «видят» ультрафиолетовые лучи и непреодолимо стремятся к ним. Некоторые насекомые с помощью невидимых лучей определенной длины волны находят самок. Используя эту особенность насекомых, в некоторых странах (Японии, США, Югославии и др.) для массового истребления насекомых-вредителей успешно применяют ультрафиолетовые лампы. Если лампу снабдить металлической сеткой и пропускать через нее ток, то летящие на свет бабочки, жуки, комары, касаясь сетки, будут гибнуть. За три часа работы ночью одна лампа уничтожает до 5 тыс. насекомых.

Исчерпан ли перечень «профессий» невидимого луча? Конечно, нет! Мы еще не знаем многого. Наука и жизнь постоянно идут вперед, и то, что сегодня кажется несбыточной мечтой, завтра становится рядовым явлением. Возможности использования ультрафиолетовых лучей, конечно, еще не использованы до конца. Их могучая природная сила будет всегда служить человеку; это не фантазия, а трезвый учет реальных возможностей.

Влияние ультрафиолетового излучения на организм человека изучено на сегодняшний день достаточно хорошо. Ультрафиолетовые лучи относятся к категории электромагнитного излучения, занимающего спектральный диапазон между рентгеновским и видимыми излучениями. При этом искусственно созданные источники ультрафиолета находят широкое применение в медицине и косметологии, а также в сельском хозяйстве.

Природные и искусственные источники

Многочисленные источники УФ излучения могут иметь естественную и искусственную природу происхождения, а их количество, попадающее на Землю, напрямую зависит от нескольких факторов, представленных:

• концентрацией атмосферного озона, находящегося над поверхностью земли;
• высотой Солнца, располагающегося над горизонтом;
• показателями высоты над уровнем моря;
• атмосферным рассеиванием;
• состоянием облачного покрова;
• степенью отражения лучей от водной и земной поверхности.

В составе солнечного света учитываются пропорции интенсивности излучения УФ-Б и УФ-А, а классификация искусственных источников зависит от области применения и определённого диапазона спектра:

• эритемные лампы с антирахитным воздействием. Разработанные в 60-е годы прошлого века лампы компенсировали «УФ недостаточность» естественного излучения и интенсифицировали процессы фотохимического синтезирования витамина D3 в кожных покровах человека;
• ультрафиолетовые ЛЛ со спектром излучения, совпадающего со спектром воздействия фототаксиса определённых летающих насекомых-вредителей, представленных мухами, комарами, молью, и являющимися переносчиками болезней и инфекций, или вызывающих порчу разных изделий и продуктов;
• источники типа «Искусственный солярий», вызывающие довольно быстрое формирование загара. Облучение ультрафиолетом строго регламентируется в зависимости от вида установки и типовых особенностей кожи. Стандартное и компактное исполнение может иметь мощность 15-230 Вт при длине волны 30-200 нм.

В 1980 году американским психиатром Альфредом Леви был описан эффект так называемой «зимней депрессии», квалифицируемой в настоящее время как заболевание «сезонозависимое расстройство». Кратко: это заболевание провоцируется недостаточной инсоляцией в виде естественного освещения.

Воздействие ультрафиолета

Множество полимеров, используемых в разной продукции широкого потребления, может деградировать под воздействием УФ-света. В качестве проблем такого влияния рассматриваются исчезновение цвета, появление тусклости на поверхности, растрескивания, а в некоторых случаях полное разрушение самого изделия. Частота и скорость разрушения увеличивается по мере роста времени воздействия и зависит от степени интенсивности солнечного излучения. Такой эффект называется УФ-старение полимеров. К категории высокочувствительных полимеров относятся:

• полипропилены;
• полиэтилены;
• органическое стекло;
• специальные волокна, включая арамидное.

Воздействие на полимеры применяется в нанотехнологиях, рентгенолитографии, а также трансплантологии и других областях.

На здоровье людей может сказываться несколько диапазонов:

• УФ-А или ближний ультрафиолет (UVA, 315-400 нм);
• УФ-С или дальний ультрафиолет (UVC, 100-280 нм);
• УФ-B лучи (UVB, 280-315 нм).

Специфические свойства ультрафиолетового излучения подтверждены космической медициной, а профилактическое УФ-облучение практикуется в космических полётах. Воздействие на кожу в больших количествах вызывает ожоги разной степени и ультрафиолетовый мутагенез. Основной вид поражения глаз ультрафиолетовыми лучами в офтальмологической клинической практике представлен ожогом роговицы (электроофтальмией).

Область применения

Благодаря УФ-лучам можно увидеть на кредитных пластиковых картах VISA скрытое изображение, а с целью надёжной защиты от подделки документов и паспортов некоторых стран они часто снабжаются люминесцентными метками, видными только при ультрафиолетовом освещении. Ультрафиолетовое излучение в медицине и других областях представлено:

• обеззараживанием воздуха, воды и различных поверхностей в самых разнообразных сферах человеческой жизнедеятельности;
• физиотерапевтической процедурой, облучением определённых участков тела УФ-излучения разного диапазона;
• УФ-спектрофотометрией, основанной на облучении с использованием монохроматического УФ-излучения с изменяемой длиной волны;
• анализом минералов, позволяющим по типу свечения определяться с составом вещества;
• хроматографическим анализом, помогающим идентифицировать некоторые органические вещества в соответствии с цветом свечения и индексом удерживания;
• ловушками для насекомых-вредителей;
• соляриями;
• реставрационными работами для определения старения лаковой плёнки;
• сушкой лаков и красок;
• затвердеванием зубных пломб.

В биотехнологии неионизирующая ультрафиолетовая радиация позволяет получить генетические мутации. Максимально большое количество мутационных изменений отмечается в результате облучения излучением длиной волны в 265 нм, хорошо поглощаемой дезоксирибонуклеиновыми кислотами.

Положительное влияние УФ-лучей на человеческий организм

Малые дозы оказывают благотворное воздействие на людей и животных. Солнечные лучи обладают мощным лечебным и профилактическим воздействием и позволяют сохранить здоровье. Действие ультрафиолетовых лучей неодинаково и напрямую зависит от показателей длины волны. Некоторыми такими волнами оказывается витаминобразующее воздействие с образованием в кожных покровах витамина D, а другими – пигментное и эритемное действие. Самые короткие лучи ультрафиолета могут оказывать достаточно мощное бактерицидное действие.

Датским физиотерапевтом Н. Финзеном в 1903 году солнечные лучи использовались в терапии туберкулёза кожи. Именно благодаря таким исследованиям учёный получил Нобелевскую премию. Ультрафиолетовые лучи оказывают воздействие на нервно-рецепторный аппарат и провоцируют протекание в организме сложных химических превращений. Облучение влияет на повышение тонуса центральной нервной системы, улучшает обмен веществ и положительно сказывается на составе крови, а также активизирует работу желёз внутренней секреции.

Также ультрафиолет предупреждает и лечит некоторые болезни, включая рахит, экзему, псориаз и желтуху.

Важно помнить, что положительное воздействие солнечных лучей проявляется при определённых их дозах, а любая передозировка может стать причиной серьёзных расстройств сердечной, нервной и сосудистой системы.

Отрицательное влияние ультрафиолета на организм

Негативное влияние ультрафиолетовых лучей обуславливается химическими изменениями в поглощающих молекулах живых клеток, включая нуклеиновые кислоты и белки. Отрицательное воздействие выражается нарушениями деления, возникновениями мутаций и гибелью клеток. Глаза способны пострадать от сильного солнечного света, который отражается от снега, белого песка и воды, увеличивая показатели освещённости. Такое воздействие лучей часто становится причиной фотокератита (воспаления роговицы) и фотоконъюктивита (воспаления соединительной глазной оболочки).

Фотокератиты часто провоцируют полную или частичную слепоту, которой предшествуют хроническое раздражение и слезотечение. Развитию катаракты способствует повторное облучение солнечным светом. Кожные покровы также нуждаются в полноценной защите от избыточного воздействия ультрафиолетовых лучей. Уровень чувствительности организма к солнечным лучам у разных людей отличается, изменяется с возрастом и зависит от работы щитовидной железы. Весной отмечается более высокая чувствительность кожных покровов к ультрафиолету. Достаточно быстро под воздействием облучения кожа краснеет, а при повторном воздействии появляется загар. Следствием перегрева становятся ожоги с резкой болезненностью и чувством жжения.

Повторное солнечное облучение провоцирует дегенерацию клеток кожи, сопровождаемую появлением родинок и пигментных пятен, что делает загар неравномерным. Чрезмерное увлечение соляриями и загаром вызывает увеличение количества онкологических заболеваний кожи, включая карциому и злокачественную меланому. Тем не менее, полностью лишать себя ультрафиолетового облучения нет необходимости. Недостаток естественной инсоляции вызывает развитие различных заболеваний, среди которых общее снижение иммунитета и рахит.

Защита от ультрафиолета

В настоящее время достаточно точно оценена опасность солнечного излучения и повреждающее воздействие ультрафиолета на кожу. Для защиты используются одежда, разные солнцезащитные средства наружного применения, солнцезащитные очки и правила безопасного поведения.

Защита одеждой

Кожу тела необходимо защищать одеждой, при выборе которой следует обращать внимание на фасон и характеристики ткани. Рекомендуется выбирать максимально закрывающие тело модели в виде брюк и длинных юбок, футболок и блузок с длинными рукавами. Тёмная одежда лучше всего защищает от лучей солнца, но быстро нагревается и увеличивает перегрев тела. Врачи рекомендуют одежду, изготовленную из плотных тканей, включая хлопок, лён и коноплю, а также полиэстер. Защищать кожу головы нужно любыми головными уборами.

Солнцезащитные наружные средства

Используется солнцезащитная продукция, имеющая коэффициент защиты от солнечных лучей (SPF) на уровне 30 или выше. Во время максимальной активности солнца (с 10:00 до 16:00) на открытые участки кожных покровов наносятся солнцезащитные средства из расчёта 2 мг на каждый сантиметр кожи. Предварительно обязательно нужно ознакомиться с приложенной производителем средства инструкцией. Невлагостойкие средства нуждаются в повторном нанесении после погружения в воду.

Тень в часы солнечной активности

Ограничения по длительности пребывания под открытым солнцем – обязательное условие защиты от вредного воздействия ультрафиолета. Особенно актуально соблюдение такого правила в дневные часы, а уровень интенсивности солнечного излучения определяется по простому тесту: если человеческая тень короче роста человека, то солнечные лучи очень активны, и необходимо предпринять защитные мероприятия.

Солнцезащитные очки

Уделять внимание нужно не только защите кожи, но и глаз. Минимизировать риск развития глазной меланомы можно при помощи солнцезащитных специальных очков большого диаметра. Стекла таких очков позволяют задерживать порядка 98-99% ультрафиолетовых лучей на длине волны в пределах 400 нм. Обеспечение защиты от повреждающего воздействия ультрафиолета позволяет продлить жизнь человека.

Механизм биологического действия УФ лучей очень сложен, неоднозначен и не выяснен до конца. В основе этого механизма лежат не тепловые эффекты, как при инфракрасном облучении, а фотохимические реакции, происходящие с биополимерами – белками и нуклеиновыми кислотами. Под действием фотонов, выбивающих из молекул электроны, заряд белковых молекул изменяется, что в конечном счете обусловливает денатурацию белков. Облучение приводит также к фотолизу, т. е. образованию «осколков» крупных молекул, обладающих высокой биологической активностью (гистамин, ацетилхолин и др.). Фотолиз вызывают фотоны с длинами волн преимущественно в эритемной зоне, а денатурацию – с длинами волн в бактерицидной зоне.

Изменения, происходящие с нуклеиновыми кислотами, с молекулами ДНК, влияют на процессы жизнедеятельности клеток, на их рост и деление, и могут приводить к гибели клеток и одноклеточных организмов – бактерий. В зависимости от длины волны и от своей структуры, разные бактерии обладают различной чувствительностью к облучению. Так, гибель наибольшего количества стафилококков происходит при длинах волн порядка 265 нм, Е. coli – при 251 нм и т. п. Ультрафиолетовые лучи вызывают также разрушение вирусов и бактериофагов, они обезвреживают некоторые бактериальные токсины (например, яд кобры) и ряд других токсичных веществ. Однако для гибели клеток требуется довольно большая доза облучения. Так, для гибели одной клетки Е. coli нужно в среднем 2·106 фотонов.

Бактерицидное действие УФ облучения используют для обеззараживания воздуха в закрытых помещениях. Такую санацию воздушной среды применяют в операционных и перевязочных, что резко повышает хирургическую асептику. Бактерицидный эффект УФ облучения широко используют в промышленном птицеводстве, так как из-за высокой концентрации поголовья создается опасность аэрогенных инфекций вследствие микробной загрязненности воздуха в птичниках. Бактерицидное облучение для санации воздушной среды при выращивании цыплят показало, что облучение воздуха 3 раза в день по 5–25 мин приводит к значительному повышению сохранности цыплят и увеличению живой массы по сравнению с цыплятами в контрольных помещениях. Ультрафиолетовому облучению в целях дезинфекции подвергают приточный и вытяжной воздух изоляторов, карантинных и других помещений в животноводческих комплексах. Помимо дезинфицирующего действия, УФ облучение способствует улучшению ионного состава воздуха (увеличивает концентрацию легких аэроионов), снижению количества сероводорода и двуокиси углерода. При работе источников УФ излучения образуется озон, действующий в качестве окислителя газовых составляющих вытяжного воздуха животноводческих помещений, обладающих дурным запахом.

Действие ультрафиолета начинается с его поглощения в коже. Для того чтобы облучение могло вызвать биологические эффекты, необходимо проникновение его глубже рогового слоя кожи, в зародышевый слой эпидермиса, прилегающий собственно к коже (дерме), в которой проходят кровеносные сосуды и нервы. У человека лучи с длиной; волны менее 300 нм не проникают глубже эпидермиса (~0,5 мм). Именно в зародышевом слое эпидермиса начинается сложная цепь биохимических реакций и физиологических процессов, вызываемых ультрафиолетом. Одна из наиболее важных реакций – образование гистамина при декарбоксилировании гетероциклической аминокислоты гистидина.

Гистамин вместе с другими «осколками» молекул разносится по кровеносным и лимфатическим сосудам. Гистамин – вещество, расширяющее кровеносные сосуды, в результате чего возникает гиперемия, т. е. увеличение кровенаполнения облученного участка органа. При активной гиперемии возникает1 эритема, для образования которой необходима определенная интенсивность облучения. Так, пороговое значение интенсивности ультрафиолета с длиной волны 296,7 нм составляет 335 Вт/м2.

Ответная реакция кожи на облучение – пигментация (загар). Кожный пигмент меланин сосредоточен в самых нижних слоях эпидермиса. Проникающие в роговой слой лучи с длиной волны 200–250 нм вызывают только эритему; излучение с длиной волны 250–270 нм проходит через роговой слой, обусловливая пигментацию и эритему; еще более обильную пигментацию и эритему вызывает излучение с длиной волны 270–320 нм, которое проникает до сосудистого слоя и стимулирует работу жировых желез и нервных окончаний. Наконец, излучение с длиной волны 320–390 нм проходит через дерму, приводя к пигментации, чаще без предварительной эритемы. Роль, пигментации, как впрочем и механизм пигментации, изучена еще недостаточно. Возможно, что меланин задерживает активные осколки разрушенных молекул, не допуская их попадания в кровь. Действие ультрафиолетового облучения не ограничивается кожей, несмотря на то что оно само в глубь организма не попадает. Продукты фотолиза, распространяясь по капиллярам, раздражают нервные окончания кожи и через центральную нервную систему воздействуют на все органы в той или иной степени. Установлено, что в нервах, отходящих от облученных участков кожи, частота электрических импульсов повышается. Действие облучения усиливается, если кожу предварительно смочить водой, облучить высокочастотным электрическим полем или ультразвуком. Это лишний раз указывает на то, что первичное действие ультрафиолетового облучения начинается в коже и сопровождается общим усилением обмена веществ и повышением иммунобиологического состояния организма, а это, в свою очередь, ведет к ускорению процессов рассасывания патологических продуктов и регенерации тканей.

Из других биологических эффектов ультрафиолетового облучения следует отметить образование витамина D, который способствует всасыванию из кишечника и усвоению кальция, входящего в состав костей и выполняющего ряд существенных физиологических функций. При недостатке витамина D кальций, входящий в состав пищи, не усваивается и потребность в нем восполняется за счет кальция костей, а это ведет к рахиту. У больных рахитом детей нарушается формирование скелета, кости становятся гибкими, дети перестают ходить и расти. Витамин D может образовываться и в самом организме под действием ультрафиолета с длинами волн от 280 до 315 нм. Наиболее эффективно комбинированное облучение ультрафиолетом, инфракрасными лучами и видимым светом.

Фотогемотерапия . При заболеваниях, сопровождающихся повышением вязкости крови, для уменьшения вязкости крови применяется метод фотогемотерапии. Он заключается в том, что у больного берут небольшое количество крови (примерно 2 мл/кг веса), подвергают ее УФ-облучению и вводят обратно в кровеносное русло. Примерно через 5 мин после введения больным 100-200 мл облученной крови наблюдается значительное снижение вязкости во всем объеме (около 5 л) циркулирующей крови. Исследования зависимости вязкости от скорости движения крови показали, что при фотогемотерапии вязкость сильнее всего снижается (примерно на 30 %) в медленно движущейся крови и совсем не меняется в быстро движущейся крови. УФ-облучение вызывает снижение способности эритроцитов к агрегации и увеличивает деформируемость эритроцитов. Помимо этого происходит снижение образования тромбов. Все эти явления приводят к значительному улучшению как макро-, так и микроциркуляции крови.

Исследования последних лет показали перспективность ультрафиолетовой аутогемотерапии, т.е. облучения крови с целью стимуляции защитных свойств организма при различных внутренних болезнях, а также при симптоматическом бесплодии. Кровь для облучения смешивают с антикоагулянтом, облучают в кварцевых кюветах и вводят обратно в кровеносный сосуд этого же человека.

Лечебное применение УФ излучения. В реабилитационных физиотерапевтических методах широко применяется ультрафиолетовое излучение длинноволнового (А), средневолнового (В), коротковолнового (С) диапазонов. При поглощении квантов ультрафиолетового излучения в тканях (в коже) происходят различные фотохимические и фотобиологические реакции.

Облучение создается искусственными источниками: лампы высокого давления (дуговые ртутные трубчатые), люминесцентные лампы, газоразрядные лампы низкого давления, одной из разновидностей которых являются бактерицидные лампы. Источники подразделяются на интегральные, которые излучают все области спектра, и селективные, которые создают излучение преимущественно одной области.

Длинноволновое облучение (преимущественное эритемное и загарное действие). Оно используется при лечение многих дерматологических заболеваний. Некоторые химические соединения фурокумаринового ряда (например, псорален) способны сенсибилизировать кожу этих больных к длинноволновому ультрафиолетовому излучению и стимулировать образование в меланоцитах пигмента меланина Совместное применение данных препаратов и последующего облучения длинноволновым ультрафиолетовым облучением является основой метода лечения, называемого фотохимиотерапией или ПУВА-терапией (PUVA: Р – псорален, UVA – ультрафиолетовое излучение зоны А). При этом подвергают облучению часть или все тело.

Средневолновое облучение (преимущественно витаминообра-зующее, антирахитное действие).

Коротковолновое облучение (преимущественно бактерицидное действие). Под его воздействием происходит разрушение структуры микроорганизмов и грибов. Оно создается с использованием ртутно-кварцевых бактерицидных ламп, рис. 30.8а. Используются облучатели (рис. 30.85) при местном облучении слизистой оболочки носа, миндалин.

При некоторых методиках коротковолновое излучение используется для облучения крови.

Ультрафиолетовое голодание. Многие люди находятся в условиях недостаточного облучения. Это жители крайнего Севера, Заполярья, рабочие горнорудной промышленности, метрополитена, безоконных производств, жители крупных городов. В городах недостаток солнечного света связан с загрязнением атмосферного воздуха пылью, дымом, газами, задерживающими в основном УФ часть солнечного спектра. В помещении оконное стекло не пропускает УФ лучи с длиной волны l < 310 нм. Резко снижают УФ поток загрязненные стекла, занавеси (тюлевые занавески снижают УФ излучение на 20%). Поэтому на многих производствах и в быту наблюдается так называемая «биологическая полутьма». В первую очередь страдают дети (возрастает вероятность заболевания рахитом). Поэтому для организации освещения всегда необходимо проводить санитарно-реабилитологические мероприятия.

Вредность ультрафиолетового облучения. Наряду с положительными биологическим воздействиями на организм этого излучения следует отметить и отрицательные стороны облучения. В первую очередь это относится к последствиям бесконтрольного загорания: ожоги, пигментные пятна, повреждение глаз – развитие фотоофтальмии. Действие ультрафиолета на глаз подобно эритеме, так как оно связано с разложением протеинов в клетках роговой и слизистой оболочек глаза. Живые клетки кожи человека защищены от деструктивного действия УФ лучей «мертвыми» клетками рогового слоя кожи. Глаза лишены этой защиты, поэтому при значительной дозе облучения глаз после скрытого периода развивается воспаление роговой оболочки (кератит) и слизистой оболочки глаза (конъюнктивит). Этот эффект обусловлен излучением с длиной волны короче 310 нм. Особенно рассмотрения заслуживает бластомогенное действие УФ радиации, приводящее к развитию рака кожи. Рак кожи распространен у всех народов земного шара, живущих в разных климатических условиях.

Следует отметить и вредное действие УФ облучения на глаза, поскольку слизистая оболочка глаза (конъюнктива) не имеет защитного рогового слоя, и поэтому глаз более чувствителен к ультрафиолету, чем кожа. Ультрафиолетовые лучи, достигая хрусталика, при определенных дозах вызывают его помутнение – катаракту. Поэтому все работы с ультрафиолетом необходимо проводить в защитных очках.

При УФ-облучении даже в момент получения опасной дозы человек ничего не чувствует. В коже отсутствуют специализированные УФ рецепторы. Глазом это излучение не воспринимается, тепловой эффект так мал, что человек его практически не ощущает.

Установлено, что действие УФ-излучения является главным фактором, вызывающим рак кожи, а также катаракту (помутнение хрусталика). Для полярников, альпинистов УФ-излучение опасно тем, что из-за большой интенсивности этого излучения появляются солнечные ожоги кожи и глаз.

Недостаток УФ может привести к D-авитаминозу. УФ способен вызывать положительные эффекты. Так, у больных с дерматозами кожи, (например, псориаз) заболевания обостряются зимой, а летом наступает улучшение. Причина – терапевтическое действие УФ, которого летом в спектре солнечного света значительно больше, чем зимой.

Загар часто рекомендуется как реабилитационный метод при многих заболеваниях. Действие УФ-излучения вызывает гиперпигментацию кожи, которая и обусловливает загар. Загар является «замедленным» фотобиологическим процессом. Он начинается развиваться через 2-3 суток после облучения, достигает максимума на 13-21 день и затем угасает в течение нескольких месяцев. Спектр действия загара похож на спектр действия эритемы. Ультрафиолет запускает сложную цепь биосинтеза пигмента кожи меланина в специализированных клетках – меланоцитах. Появление меланина является защитной реакцией организма.

Загаром нельзя злоупотреблять. Попав на пляж весной, человек не должен забывать, что наша кожа за зиму утратила меланиновую защиту. Минимальная доза ультрафиолета, запускающая меланогенез, примерно вдвое ниже минимальной эритемной дозы. Поэтому в первые дни следует загорать очень недолго, так, чтобы эритема еще не возникла, а образование пигмента уже инициировалось. И только через несколько дней, накопив в коже меланин, можно постепенно увеличивать время пребывания под солнцем. После появления загара не следует злоупотреблять пребыванием на солнечном свету. Ультрафиолет (особенно УФ-В) вызывает ряд нежелательных эффектов: происходит преждевременное старение кожи, появление морщин на открытых участках тела, может развиться рак кожи.

УФ-излучением инициируется подавление клеточно-опосредованного иммунитета – иммуносупрессия.

В медицине УФ широко используется в методе фотогемотерапии, применяемом при заболеваниях, связанных с повышением вязкости крови.

Большие дозы УФ (особенно УФ-В), которые может получать человек, связаны с состоянием атмосферы, в частности, с озоновыми дырами в атмосфере. Стратосферный озон определяет коротковолновую границу солнечного ультрафиолета. Разрушение озона происходит, в частности, при выбросе в атмосферу фторуглеродистых соединений, широко используемых в промышленных и бытовых холодильниках, а также при изготовлении аэрозолей. Схема защитного действия озонового слоя и процесс его разрушения оксидом азота NO показаны на рис..

Рис. Схема защитного действия озонового слоя (a) и процесс его разрушения оксидом азота NO (б); темные стрелки – тепловое излучение, светлые – УФ-излучение

Разрушение озона происходит из-за того, что атомы азота в молекулах загрязняющих газов сильно взаимодействуют с одним из атомов кислорода в молекуле озона и отрывают его от нее. В результате образуется кислород, через который беспрепятственно проходит УФ-излучение.