Вилен Барабой - Солнечный луч
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.
