Ультрафиолетовая радиация: биофизика и медицина

Биофизика ультрафиолетового излучения и механизм фотосинтеза. Ультрафиолетовые лучи — это электромагнитные волны длиной от 380 до 10 нм. Зрительного ощущения они, как и инфракрасные лучи, у человека не вызывают, но обладают целым рядом важных биологических свойств.

Ультрафиолетовая радиация играет решающую роль в основном биологическом процессе — фотосинтезе, представляющем собой процесс превращения световой энергии в химическую. Недавно был в общих чертах раскрыт механизм этого процесса. Оказалось, что квант ультрафиолетового излучения, отдавая энергию электрону хлорофилла, заставляет его покинуть молекулу; образуется свободный радикал, и реакционная способность молекулы хлорофилла резко возрастает. Чтобы восстановить исходное состояние, молекула хлорофилла отнимает недостающий электрон у молекулы воды, в результате из последней освобождается кислород. В итоге хлорофилл восстанавливается, а энергия кванта преобразуется в энергию химической связи и путем дальнейших биохимических реакций переносится и накапливается в других химических соединениях.

Таков, коротко, механизм фотосинтеза. Оставался неясным еще один важный вопрос: каким образом в одном и том же зеленом листе «уживаются» два диаметрально противоположных процесса — окисление и восстановление? Почему образующиеся при этом вещества не взаимодействуют между собой? На эти вопросы был найден ответ: оказалось, что фотосинтез протекает не по всей ткани листа, а в особых внутриклеточных образованиях — хлоропластах, причем одни части молекулы хлорофилла связаны со слоем хлоропласта, представляющим собой белок, а другие — со слоем жироподобного вещества — липоида. Оба слоя чередуются, разобщая продукты фотосинтеза, защищая их от необратимых реакций и способствуя тем самым аккумуляции энергии. Вскрытие механизма фотосинтеза и появление возможности управления этим важным процессом окажется исключительно полезным как для биологии, так и для техники, в частности для энергетики.

Спектральная классификация ультрафиолетового излучения в медицине. Ультрафиолетовая радиация широко используется в медицинской практике. Врачи различают три зоны ультрафиолетовой радиации, обладающие специфическим биологическим действием на организм:

• Зона А (380–320 нм) — специфична укрепляющим и закаливающим действием;
• Зона В (320–280 нм) — эритемное действие (вызывает покраснение кожи; максимальный эффект наблюдается при длине волны 297 нм);
• Зона С (280 нм и ниже) — бактерицидное действие (действует губительно на бактерии; максимум действия приходится на 254 и 257 нм).

Источники ультрафиолетового излучения и медицинская аппаратура. Столь широкий диапазон использования ультрафиолетовой радиации в медицине, естественно, потребовал создания специальных источников излучения — ртутных ламп низкого и высокого давления, излучение которых богато ультрафиолетовыми лучами.

Ртутно-кварцевые лампы низкого давления. На рис. 95 показана схема ртутно-кварцевой лампы низкого давления (порядка 0,1 мм рт. ст.), которая используется как бактерицидная лампа. Ультрафиолетовое излучение возникает в парах ртути в результате электрического разряда и беспрепятственно проходит через оболочку 1 лампы, сделанную из увиолевого стекла, прозрачного для длин волн, превышающих 250 нм. Трубка заполнена, кроме паров ртути, аргоном.

Рис. 95. Схема включения ртутно-кварцевой лампы низкого давления.

На рис. 95 обозначены: 2 — источник тока, 3 и 4 — вольфрамовые спирали, 5 — дроссель, 6 — пусковой ключ. При замыкании ключа спирали накаляются, образуя электронное облако, а при размыкании ключа возникающая в дросселе э. д. с. самоиндукции вызывает в аргоне между спиралями тлеющий разряд. Последний, разогревая ртутные пары, перерастает в дуговой разряд, излучение которого богато ультрафиолетовыми лучами.

Ртутные лампы высокого давления и их терапевтическое применение. Ртутная лампа высокого (порядка 1 атм) давления — аргоно-ртутно-кварцевая горелка — применяется в медицине для лечебных целей, для закаливания организма и т. д. И в этом случае тлеющий разряд в аргоне перерастает в богатый ультрафиолетом дуговой разряд в парах ртути.

Рис. 96. Схема включения ртутной лампы высокого давления.

Схема ртутной лампы высокого давления показана на рис. 96, где 1 — кварцевая трубка (кварц хорошо пропускает ультрафиолет), 2, 3 и 4, 5 — соответственно стержневые и кольцевые электроды, замкнутые металлической пластинкой 6. При замыкании ключа 9 напряжение подается на электроды. Напряжение между электродами 3 и 5 ионизирует газ, возникает тлеющий разряд. Ключ 8 — пусковой, предназначен для облегчения запуска лампы. Все последующие процессы протекают аналогично процессам в лампах низкого давления. Ультрафиолетовые лучи, полученные с помощью аргоно-ртутно-кварцевой горелки, очень широко применяются как физиотерапевтический метод лечения. В медицинской практике его называют «кварц» — по названию материала, из которого изготовлен баллон этой лампы.

Модификации ртутных ламп и перспективы люминесцентного освещения. Существуют различные модификации ртутных ламп. Бактерицидные лампы, выполненные в виде подвесных светильников, устанавливаются в операционных, инфекционных отделениях больниц, в школах, яслях.

Ртутная лампа, покрытая люминофором, дает возможность переместить максимум излучения в видимую часть спектра; в этом варианте она используется как источник искусственного освещения, спектральный состав которого может быть максимально приближен к солнечному. Комбинируя люминофоры, можно с помощью таких ламп получить свет любого цвета.

Специальная люминесцентная лампа называется эритемной (длина волны 285–380 нм) и используется для профилактических целей. Наконец, весьма перспективны светильники, основанные на явлении электролюминесценции, — некоторые кристаллические фосфоры излучают свет непосредственно под действием переменного тока.

Сведения об авторах и источниках:

Авторы: Е. А. Безденежных, И. С. Брикман

Источник: Физика в живой природе и медицине

Данные публикации будут полезны учащимся старших классов общеобразовательных школ, учителям физики и биологии, учащимся и преподавателям средних медицинских учебных заведений, а также студентам первых курсов медицинских институтов, биологических факультетов университетов и педагогических институтов.