Електромагнітні випромінювання різних діапазонів довжин хвиль та живі організми

Електромагнітні випромінювання різних діапазонів довжин хвиль та живі організми

1. Взаємодія електромагнітних хвиль з речовиною

Електричне і магнітне поля можуть взаємно перетворюватися одне в інше. Вони створюють єдине електромагнітне поле. Електромагнітне поле, що поширюється в середовищі, або вакуумі, називається електромагнітною хвилею, або електромагнітним випромінюванням.

Основною характеристикою електромагнітної хвилі є довжина хвилі. Для характеристики електромагнітного випромінювання користуються поняттями: інтенсивність випромінювання, потік випромінювання, або потужність енергії (див. табл 1).

Біосфера Землі, у тому числі і людина, розвивалися в умовах Сонячного випромінювання. Основним джерелом природного фону радіохвиль на Землі є атмосферні електричні явища (грози, кульові блискавки), радіовипромінювання Сонця і зірок.

Основним природним джерелом випромінювання в інфрачервоному (ІЧ), видимому й ультрафіолетовому (УФ) діапазонах є Сонце, у рентгенівському і - діапазонах — міжзоряні і галактичні події, утворення найновіших зірок.

Електромагнітні хвилі, що йдуть від Сонця, людина відчуває у вигляді сонячного тепла (ІЧ діапазон), Сонячного світла (видимий діапазон), у вигляді пігментації шкіряного покрову — засмагу (УФ діапазон). Рентгенівське і - випромінювання людина безпосередньо не відчуває.

Під час проходження електромагнітної хвилі через шар речовини товщиною інтенсивність хвилі зменшується внаслідок взаємодії електромагнітного поля з атомами і молекулами речовини (закон Бугера):

(1)

де — інтенсивність падаючого випромінювання, — коефіцієнт ослаблення.

Ослаблення визначається поглинанням і розсіюванням енергії електромагнітної хвилі речовиною. Коефіцієнт ослаблення залежить від природи речовини і довжини хвилі.

2. Особливості поширення електромагнітних хвиль радіочастотного діапазону в живих тканинах

Радіохвилі, що взаємодіють з біологічними структурами, можуть втрачати частину енергії перемінного електричного поля, що перетворюється в теплоту за рахунок:

генерації струмів провідності в електролітах (кров, лімфа, цитоплазма клітин);

поляризації діелектриків тканин організму.

Характерною рисою живих тканин є значна залежність діелектричної проникності і провідності від частоти радіохвиль. На високих і надвисоких частотах внаслідок високої провідності тканин енергія електромагнітних хвиль швидко переходить у тепло, і хвилі дуже швидко загасають у міру проходження тканинами тіла.

Найбільш розроблена теорія про теплову дію НВЧ-полів на біологічні об'єкти. Основні положення цієї теорії такі:

електромагнітна хвиля поляризує молекули речовини;

електромагнітна хвиля впливає на іони біологічних систем і викликає струм провідності;

Максимальне поглинання енергії мікрохвиль відбувається в м’язах і крові, у жировій і кістковій тканинах води менше, і вони менше нагріваються.

Таблиця 1 — Характеристики електромагнітних полів, що створюються тілом людини

* 1 еВ = 1,60 219×10 — ¹⁹ Дж

3. Механізми генерації електромагнітних випромінювань живими системами

електромагнітний хвиля фоторецепторний випромінювання Під механізмами генерації електромагнітних полів живими системами розуміють фізико-хімічні процеси усередині організму, що викликають утворення електромагнітних полів:

квазістатичних полів (низькочастотна складова);

радіохвильового, оптичного випромінювання (високочастотна складова).

Низькочастотна складова

Квазістатичні поля виникають за рахунок трансмембранної різниці потенціалів, що утворюється внаслідок дифузії та активного транспорту молекул і іонів через мембрани. Нагромадження і розподіл на мембрані іонів різних знаків створює в її околі квазістатичні поля.

Високочастотна складова

Ультрафіолетовий діапазон біополя виникає в результаті:

руйнування макромолекул;

перекісного окислювання ліпідів;

внутрішньо молекулярних перебудов електронної структури високоенергетичних молекул.

Оптичне випромінювання. Кванти оптичного випромінювання генеруються:

при вільнорадикальному перекісному окислюванні ліпідів;

при ферментативних реакціях;

у зв’язку з обміном кисню.

Інфрачервоний діапазон. Інтенсивність інфрачервоного випромінювання, що генерується організмом, корелює з метаболічними процесами. Наприклад, у випадку пухлинного процесу рівень оптичного випромінювання знижується, а рівень ІЧ-випромінювання підвищується.

Радіохвилі. До джерел генерації радіохвиль живими системами відносяться процеси утворення і поширення радіохвиль при:

проходженні імпульсів по нейрону;

рухах клітин і ворсинок:

скороченні м’язових волокон;

роботі серця;

перистальтиці кишечника;

зміні електронної структури макромолекул (молекул ДНК, білків);

протіканні біохімічних реакцій.

Електромагнітні поля, що генеруються в біосистемі, поширюються усередині і за межами організму і є необхідним елементом життєдіяльності.

4. Електронні переходи в збудженій молекулі

Кожна молекула має серію заповнених та вільних електронних орбіталей. Поглинання кванта світла призводить до переходу електрона на орбіталь з більшою енергією (молекула при цьому переходить на більш високий енергетичний рівень).

Зворотний перехід може супроводжуватись випромінюванням кванта — люмінесценцією.

Люмінесценція — випромінювання кванта світла з більшою довжиною хвилі.

Енергія кванта, що поглинається або випромінюється, дорівнює різниці енергій між енергетичними рівнями:

(3)

де та — енергетичні рівні; - постійна Планка; - частота.

Розрізняють два типи люмінесценції - флуоресценцію та фосфоресценцію.

У складних органічних молекулах відповідною за поглинання світла може бути не вся молекула, а будь-яка її частина, атомна група — хромофор.

Створення електрон-збуджених молекул може бути не тільки результатом поглинання ними квантів світла, а також слідством хімічних реакцій, електричного розряду та ін.

В залежності від джерела випромінювання поглинутої енергії при збудженні молекул розрізняють типи люмінесценції:

фотолюмінесценція — люмінесценція, що виникла в результаті освітлення молекул;

хемілюмінесценція — світіння, що супроводжує хімічні реакції;

біолюмінесценція — світіння, що пов’язане з окисленням органічних з'єднань. Спектр люмінесценції зсунений у бік довгих хвиль відносно спектра, що викликав цю фотолюмінесценцію.

Рисунок 1 — Електронні переходи в збудженій молекулі

— основний (не збуджений стан); , — збуджений синглетний стан; , — збуджений триплетний стан; навколо кожного рівня надано напрямок спіну збудженого електрона відносно до спіну електрона, що залишився; горизонтальні смуги — електронні рівні, тонкі (0,1,2, або, ,) — коливальні рівні; прямі стрілки — поглинаючі випромінювальні переходи; хвилясті - безвипромінювальні переходи; ВК — внутрішня конверсія (переходи електрона без повороту спіну); ІК — інтеркомбінаційна конверсія (переходи електрона з поворотом спіну)

5. Фоторецепція зору. Фоторецептора клітина. Енергетика зорових процесів

Життя на Землі існує завдяки сонячній енергії. Кванти світла ініціюють безліч фітобіологічних реакцій на рівні молекул, клітин та багатоклітинних організмів. Не менш важливими є інформаційні фітобіологічні реакції.

Око хребетних є унікальним оптичним пристроєм, що перевищує за параметрами функціонування відомі світлочутливі пристрої (рис. 2).

Основними фото чутливими елементами сітчатки є спеціалізовані фоторецепторі клітини — палички та колбочки.

Фоторецепторі клітини характеризуються дуже високою чутливістю. Вони реагують на одиничні кванти та функціонують в оптимальному режимі при значеннях інтенсивності світла, що розрізняються більш ніж у разів.

Фоторецептори трансформують первинний світловий стимул у фізіологічну подію — пізній рецепторний потенціал. Процес трансформації та підсилення сигналу має назву трансдукція.

Фоторецепторі мембрани характеризуються ключовими особливостями:

до їх складу входять інтегральні сенсорні білки в паличках — родопсин та в колбочках — родопсин, які реагують на зовнішній стимул (на квант світла);

під дією світла зорові пігменти зазнають конфірмаційної перебудови, яка є пусковою ланкою процесу трансдукції;

конфірмаційна перебудова носить зворотний характер — структура білка відновлюється після зняття зовнішнього стимулу.

Палички (їх 125 млн) розташовуються по всій поверхні полусферичної сітчатки. Відповідають за чорно-білий, або присмерковий зір.

Фоторецепторний апарат локалізовано у зовнішніх сегментах паличок і колбочок. Фоторецепторі мембрани побудовані з 50% білків, 40% ліпідів, 4% вуглеводів та 6% води. Основним білковим компонентом фото рецепторної мембрани є родопсин.

Родопсин складається з глікопротеїнової частини (опсина) та хромофора (ретіналя). Ретіналь може мати декілька просторових ізомерів, наприклад 9-цис-транс-ретіналь, 11-цис-ретіналь та повністю-транс-ретіналь.

Рисунок 3 — Цис-транс-ізомерізація ретіналя під дією світла Молекула ретіналя вміщує довгу систему сполучених подвійних зв’язків. Поглинання світла ретіналем призводить до — електронному переходу.

Після поглинання фотону — зв’язок розривається та дві частини молекули ретіналя повертаються навколо — зв’язку. Повернення молекули до основного стану проходить в одній з двох точок виродження. Коли енергії основного та збудженого стану будуть рівними, молекула знов стане плоскою (рис. 3).

Реакція трансцис фотоізомерізації відіграють важливу роль у регенерації зорового пігменту.

6. Природа іонізуючої радіації

До іонізуючого випромінювання відносять випромінювання різних типів, які спроможні при проходженні через речовину викликати іонізацію та збудження атомів і молекул.

Передача енергії на іонізацію атомів і молекул обумовлена взаємодією випромінювання з електронними оболонками атомів речовини. В процесі іонізації нейтральних часток — атомів, або молекул — виникають заряджені іони обох знаків — позитивні та негативні.

Іонізація проходить шляхом відриву електрона з зовнішніх орбіталей. Взаємодія випромінювання з речовиною забезпечує передачу енергії електрону у кількості, достатній для його повного відриву від атому.

Іонізуючим випромінюванням називають потік елементарних часток високих енергій. При цьому енергія випромінювання достатня, щоб викликати іонізацію будь-якого атома або молекули і розірвати будь-який хімічний зв’язок у речовині, що опромінюється.

7. Види іонізуючого випромінювання та їх джерела

Усі види іонізуючого випромінювання умовно підрозділяються на:

1. Хвильове (фотонне) випромінювання, підрозділяється на рентгенівське тавипромінювання.

Енергія кванта визначається згідно з виразом:

. (4)

2. Корпускулярне випромінювання — потоки елементарних часток (електронів, протонів, нейтронів, — часток). Значення енергії випромінювання залежить від швидкості частки та її маси :

. (5)

Для живого організму джерелами іонізації є:

природний фон, який визначається первинним космічним випромінюванням;

вода, мінерали, в тому числі і будівельні матеріли, що включають радіонукліди;

результати ядерних технологій, атомне озброєння, атомна енергія;

наукові дослідження та медицина.