Лекция ВВ3 (Электронные лекции)

Жорина Л.В., Змиевской Г.Н. «Основы взаимодействия физических полей с биообъектами. Часть 1»

Лекция ВВ3.

Шкала электромагнитных волн.

Краткие сведения о действии электромагнитного излучения

на биологические объекты и системы в различных диапазонах.

В зависимости от частоты или длины волны в вакууме, а также от способа создания и регистрации излучения различают несколько видов электромагнитных волн: радиоволны, оптическое излучение, ренгтеновские и γ- лучи (рис. В4).

Рис. В4.

В таблице 1 представлены основные характеристики, механизмы излучения, виды взаимодействия с биологическими объектами и применение в медицине электромагнитных волн указанных диапазонов. В таблицах 2 и 3 описано действие электромагнитных излучений на биологические объекты и системы, использование излучений в биологических исследованиях.

На рис. В5 показана степень прозрачности для организма, имеющего поперечник в 20-25 см, для различных длин волн.

Белки выполняют в живой клетке многочисленные функции, входят в состав всех клеточных органелл, их содержание составляет 50% и более сухого веса живых организмов. Следовательно, при действии света и ионизирующих излучений белки принимают на себя основную лучевую нагрузку и являются в этом смысле главной “химической” мишенью действия излучений. Основную “биологическую” мишень представляют собой молекулы ДНК, благодаря её ключевой роли в функционировании клетки в целом. Для очистки ДНК от повреждений существует система репарации (восстановления повреждённых участков биоструктур силами самой клетки). В то же время, повреждённая ДНК в клетке подвергается атаке ферментных систем, усугубляющих действие излучений, и системы репарации оказываются неконкурентоспособными поскольку не успевают восстановить нативную структуру ДНК. Именно повреждения ДНК и приводит в большинстве случаев к конечным биологическим эффектам.

Рассмотрим каждое из электромагнитных излучений (ЭМИ) отдельно.

Радиоволнами называют волны с длиной волны  > 5·10^-5 м (с частотой  < 6·10¹² Гц). В связи с особенностями распространения и генерации весь диапазон принято делить на 9 поддиапазонов. Основным источником естественного фона радиоволн на Земле являются атмосферные электрические явления (грозы и т.п.), радиоизлучение Солнца и звезд. Интенсивность фона  10^-11 Вт/см².

Оптическим излучением (светом) называют ЭМИ с [10нм; 1мм]. Включает инфракрасное излучение (ИКИ), видимый свет и ультрафиолетовое излучение (УФИ).

ИКИ,   [1мм ; 760нм].

Видимое излучение:   [760; 400] нм; характеризует диапазон длин волн, воспринимаемых органами зрения.

УФИ -   [380; 10] нм.

Сами УФ и ИК диапазоны тоже делятся на вакуумный УФ-С ( менее 280 нм), жесткий УФ-В (280-315 нм), мягкий УФ-А (315-400 нм); ближний ИК (760-1400 нм), средний ИК (1400-3000 нм) и дальний ИК (более 3000 нм). Такие границы диапазонов приняты международной классификацией согласно решению SPIE (International Society for Optical Engineering) и привязаны к поглощению электромагнитного излучения тканями живых организмов.

Основным природным источником оптического излучения является Солнце.

Вплоть до оптического диапазона энергия кванта может считаться пренебрежимо малой по сравнению с энергией связи атомов и молекул, составляющих биообъект. Поэтому никаких превращений на микроуровне под непосредственным воздействием излучений вплоть до микроволнового диапазона не происходит. Все, что при этом наблюдается, - это вторичные эффекты. В оптическом диапазоне картина качественно меняется, потому что именно здесь сосредоточены полосы поглощения молекул и атомов, входящих в состав биообъекта.

Длина волны 100 нм (вакуумный УФ), близкая к границе оптического диапазона, соответствует энергии фотона ε = 12,4 эВ, верхняя граница видимого диапазона – 1,63 эВ. Сюда укладываются энергии связи большинства сложных органических молекул, так что с точки зрения возможностей химических превращений (как обратимых, так и необратимых) эта область длин волн является идеальной.

В ближней и средней ИК области энергия фотона лежит в пределах от 0,4 до 1,5 эВ, её достаточно для возбуждения колебательных процессов в молекулах вещества и возбуждения электронов в атомах на более высокие уровни, но не хватает для фотохимического превращения веществ. В результате энергия излучения почти полностью превращается в тепловую, активизируя процессы в цитоплазме, клеточной и внутриклеточных мембранах.

Видимое и УФИ вызывают вынужденные колебания внешних, наиболее слабо связанных электронов, атомов и молекул. Электроны и ионы, совершая вынужденные колебания, излучают вторичные световые волны той же частоты. Среднее расстояние между молекулами среды обычно во много раз меньше длины когерентности света, поэтому вторичные волны, излучаемые множеством соседних молекул, когерентны и интерферируют при наложении. Если среда однородна и изотропна, то в результате интерференции вторичных волн образуется проходящая волна в направлении распространения первичной волны. В случае оптически неоднородной среды в результате наложения первичной и вторичной волн возникает рассеяние света. При падении света на границу раздела двух сред в результате интерференции возникает не только проходящая, но и отраженная волна.

Поглощение видимого и УФ света происходит главным образом с участием  и n-электронов (  * и n  * - переходы). Чем длиннее система сопряженных двойных связей в молекуле, т.е. чем сильнее делокализованы по молекулам -электроны, тем при большей длине волны  располагается самый длинноволновый максимум поглощения данной молекулы. Чтобы показать это, сделаем некоторое отступление.

Углерод в молекулах органических соединений способен к образованию связей двух типов:

1. одиночная -связь, которая осуществляется во всех соединениях углерода, - электроны локализованы между атомами, которые они связывают;

2. - связь (осуществляется только в непредельных соединениях). Здесь, помимо -связи, между атомами возникает дополнительная связь, при которой электронные облака, осуществляющие её (-электроны), перекрываются не вдоль линии, соединяющей ядра атомов, а в перпендикулярной ей плоскости. Таким образом, двойная связь в непредельных соединениях состоит из одной -связи и одной -связи. Если в углеродной цепочке двойные связи чередуются с одиночными, имеет место эффект сопряжения связей, заключающийся в том, что облака -электронов всех атомов, образующих в молекуле двойные связи, взаимно перекрываются. При этом -электроны уже не локализованы на двойных связях, а принадлежат всей взаимодействующей (сопряжённой) системе в целом (делокализованы).

Делокализация -электронов в цепочке сопряжённых связей может быть представлена как движение их вдоль цепочки. Движение электронов в квантовой механике описывается уравнением волнового типа, в котором квадрат амплитуды характеризует вероятность нахождения электрона в данной точке пространства, а длина волны  связана со скоростью электрона v и его массой m: .

В линейной цепочке конечных размеров а электроны не могут выйти за пределы цепочки и вероятность нахождения их на самых границах равна 0, что соответствует ситуации, описываемой стоячими волнами, причём на концах цепочки располагаются их узлы. Значит, от границы до границы должно укладываться целое число полуволн: , где n = 1,2,3,… Следовательно, . Энергии, которые может иметь электрон, .

Если система содержит N атомов и длина связи l, то а=(N-1)l. Можно показать, что энергия оптического перехода . Следовательно, чем больше протяжённость системы сопряжения (чем больше N), тем меньше энергия оптического перехода и тем, соответственно, в более длинноволновую область смещается оптическое поглощение.

При действии вакуумного УФИ (4,5 эВ< ε <12 эВ) может происходить образование свободных радикалов ароматических и серусодержащих белков и пиримидиновых оснований нуклеиновых кислот; появляются циклобутановые димеры оснований ДНК; в белках происходит диструкция полипептидной цепи, образование сшивок, разрушение тирозина и триптофана; разрушение ковалентных связей в молекулах (например, между С и О).

Область длин волн ниже 100 нм (ε > 12,4 эВ) представляет собой ионизирующее излучение, т.е. излучение, энергия кванта которого достаточна для разрушения молекул и образования заряженных частиц.

Рентгеновское излучение (РИ)– возникает при взаимодействии заряженных частиц и фотонов с атомами вещества, при этом квантовые переходы происходят между внутренними электронными состояниями атома. Подразделяется на тормозное (с квазисплошным спектром) и характеристическое (с линейчатым спектром). Диапазон длин волн РИ -   [10 – 0,1 нм].

-излучение – излучение с длиной волны  < 0.1 нм – жесткое электромагнитное излучение, которое испускается при переходе ядер из возбужденных энергетических состояний в состояние с меньшей энергией, а также при ядерных реакциях. -излучение обычно сопровождает процессы радиоактивного (- и -) распада.

Природным источником РИ и -лучей на Земле являются Солнце, межзвездные и галактические события.

При  - облучении происходит разрушение полипептидной цепи белков, образование сшивок, разрушение серосодержащих групп. При действии ионизирующего излучения на ДНК происходят двойные разрывы цепей ДНК.