Материал: В.П.Олейник ОВФПсБО учебное пособие

биотканей с помощью люминесцентных зондов, обнаружения микроорганизмов и бактерий, выявления малых количеств вещества.

Приведенные выше явления рассматривают живое вещество как пассивный объект взаимодействия, а реакцию биообъектов на действие оптического излучения учитывают фотобиологические процессы.

Фотобиологическими называются процессы с проявлениями на физиологическом уровне, происходящие в биологических системах при воздействии излучения оптического диапазона. Выделяют следующие их стадии: фотофизическая – поглощение кванта света и перенос энергии возбужденного состояния; фотохимическая – химические превращения молекул и физиологическая – ответ организма на излучение. Поглощение кванта излучения оптического диапазона приводит к возбуждению молекулы, а следовательно, к повышению ее реакционной способности, в результате чего могут происходить химические реакции, которые были бы невозможны в темноте. Такие реакции называются фотохимическими, а образующиеся в них продукты – фотопродуктами. Непосредственное воздействие света на химическое вещество чаще всего приводит к образованию нестабильных продуктов, которые в цепи последующих реакций превращаются в стабильные. Эти реакции, как правило, уже не требуют действия света и поэтому называются темновыми.

Для количественной оценки фотобиологических процессов применим феноменологический подход. Пусть n0 и nt – начальная и конечная концентрации фотобиологически активных молекул, / и t - интенсивность и время облучения, φх – квантовый выход фотохимической реакции, Ѕэф – эффективное сечение поглощения молекулы. Тогда справедливо выражение ℓn(n0 / nt) =D Ѕх , где Ѕх = Ѕэф φх - площадь сечения молекулы для фотохимического превращения, D = /·t – доза облучения. Величина биологической реакции однозначно связана с дозой облучения, а ее избирательность определяется спектром действия Ѕх = Ф(λ) (который напрямую связан с функцией æ = æ (λ) – спектром поглощения).

Фотосинтез – преобразование световой энергии в энергию химических связей органических веществ – является важнейшим фотобиологическим процессом. Вследствие фотосинтеза осуществляется приток отрицательной энтропии в живые организмы. Фотосинтез осуществляется высшими зелеными растениями, зелеными и бурыми водорослями, зелеными и пурпурными бактериями.

Кдругим фотобиологическим процессам относят регуляторные

иинформационные реакции. Примерами таких физиологических проявлений могут служить: ощущение тепла (вызывает действие инфракрасного излучения на организм); зрительные реакции (излучение видимого диапазона), фототаксис (движение микроорганизмов к свету или от него); фототропизм (поворот листьев и стеблей растений к свету или от него); синтез витамина D (под действием ультрафиоле-

40

тового излучения), эритемообразование (покраснение кожи, вызванное расширением кровеносных сосудов кожи), загар (образование в коже пигмента меланина), канцерогенез (образование опухолей), бактерицидный эффект. Из всего диапазона электромагнитного излучения человек имеет рецепторы только к инфракрасному (терморецепторы) и видимому (зрительные рецепторы) излучениям.

Использование оптического излучения для лечения и диагно-

стики заболеваний. Для прогревания поверхностных тканей тела пациента (на глубине около 2 см) используют тепловой эффект инфракрасного излучения ближней области (λ = 0,76.. .2,5 мкм). В качестве источника излучения применяются специальные лампы ИК-диапазона. В медицинской диагностике нашло свое применение ИК-зондирование, использующееявлениедиффузионногорассеяния. ПрименениеИК-излучения в судмедэкспертизе основано на визуализации скрытых биологических структур и инородных веществ. ИК-спектроскопия – количественный и качественный анализы колебательно-вращательных спектров аминокислот, углеводов, гормонов, липидов, белков. К негативным проявлениям действия ИК-излучения на человека относят тепловой удар – перегревание организма при преобладании процесса поглощения энергии над процессами теплоотдачи.

Медицинское применение ультрафиолетового излучения тесно связано с физиологическими проявлениями его действия на биообъекты. В диапазоне УФИ выделяют три зоны: А-зона (λ = 400…315 нм), или антирахитная, вызывает синтез витамина D; В-зона(λ= 315…280 нм) способствует образованию эритемы и синтезу пигмента меланина, который обладает защитным действием при ультрафиолетовом облучении, так как поглощает кванты света и одновременно является антиоксидантом; С-зона (λ = 280…200 нм), или бактерицидная, вызывает мутации, канцерогенез, оказывает бактерицидный эффект. УФИ в диапазоне λ = 200…10 нм приводит к диссоциации и ионизации молекул. Небольшие дозы ультрафиолетового облучения оказывают благоприятное действие на сердечно-сосудистую, эндокринную, нейрогуморальную, дыхательную системы. Однако молекулярный механизм такого воздействия ультрафиолета в большинстве случаев точно не известен. Комбинированное действие лекарственных препаратов и ультрафиолетового облучения А-зоны широко используется при лечении ряда кожных заболеваний, например, псориаза, витилиго. Однако такая терапия имеет ряд побочных эффектов, например, приводит к образованию эритемы, эдемы. Фотосенсибилизатор гематопорфирин и его производные используют при лечении злокачественных опухолей, так как обнаружено, что эти соединения накапливаются исключительно в опухолевых клетках и отсутствуют в здоровых. Сенсибилизаторы повышают чувствительность опухоли к действию видимого света, облучение которым приводит к ее гибели. Данный метод фотохимиотерапии используют при лечении опухолей как кожи, так и

41

внутренних органов. В последнем случае облучение проводится с помощью специальных световодов. Избирательное накапливание в опухолях гематопорфиринов используют и при диагностике онкологических заболеваний, так как люминесценция этих молекул позволяет определить размеры опухоли. УФИ большой мощности оказывает бактерицидный эффект, поэтому используется при стерилизации медицинских инструментов и помещений. В качестве источника излучения применяются специальные бактерицидные лампы.

Источники оптического излучения также можно разделить на объекты естественного и искусственного происхождения. К естественным источникам внеземного происхождения относят Солнце и другие звёзды, к источникам биосферного нахождения – естественное возгорание, разряды в атмосфере, люминесценцию. Основным естественным источником оптического излучения для биосферы является Солнце. Интенсивность его излучения в верхних слоях атмосферы составляет 1350 Вт/м2, а на широтах Украины на поверхности земли – ~1000 Вт/м2. Спектральные плотности энергетической светимости Солнца (рис. 2.16) за пределами земной атмосферы и на земной поверхности существенно различаются.

400 800 1200 1600 2000 λ, нм

470

555

Рис. 2.16. Спектральные характеристики солнечного излучения

Около 48% энергии солнечного излучения приходится на видимый диапазон, 45% – на ИК-диапазон, 6% – на УФИ, ~1% – на прочие частотные интервалы, в том числе и СВЧ. Дозированную солнечную радиацию применяют как солнцелечение (гелиотерапию), а также как средство закаливания организма.

К искусственным источникам оптического излучения относят: тепловые, в т.ч. лампы накаливания (видимое и ИК-излучения); газоразрядные (видимое и ближнее УФИ); люминесцентные (от ИКдо УФИдиапазона), лазерные (оптические квантовые генераторы). Отличи-

42

тельной особенностью лазерного излучения являются большая спектральная яркость, монохромотичность, малая расходимость, когерентность. Естественные источники излучения с характеристиками, близкими к лазерному, отсутствуют. Применение лазерного излучения в медицине: лазерная терапия (раздражение рефлекторным путем, ускорение заживления ран), получение голографических изображений биоструктур, лазерная хирургия. В хирургии используются лазерные скальпели, способные вызвать высокотемпературное разрушение ткани с одновременной коагуляцией белка. Такие операции протекают бескровно и широко практикуются при лечении отслоения сетчатки, глаукомы (лазером прокалываются микроскопические отверстия диаметром 50 – 100 мкм, что вызывает отток внутриглазной жидкости и, следовательно, понижение внутриглазного давления).

2.8. Воздействие ионизирующих излучений на биообъекты

Увеличение частоты электромагнитного излучения, а следовательно, и энергии кванта приводит к возникновению такого явления, как ионизация. Ионизация – это явление образования заряженных частиц в электрически нейтральном веществе в результате взаимодействия вещества с высокоэнергетическим изучением. Критерием, на основании которого электромагнитное излучение может быть отнесено к ионизирующему, является выполнение условия h·ν ≥ Aи , где Aи

– работа, затрачиваемая на ионизацию. Приведенное условие выполняется для коротковолнового УФИ, рентгеновского- и гаммаизлучений (γ) (рис. 2.17).

Рис. 2.17. Шкала ионизирующих излучений

Первичные физические процессы ионизации вещества квантами электромагнитного излучения приводят к отрыву с электронных оболочек как минимум одного электрона и превращению атома или молекулы в положительно заряженный ион. Энергетический баланс взаи-

модействия отражает уравнение hνпер = hνвтор+ Aи+ Wк , где νвтор - частота кванта вторичного излучения, Wк - кинетическая энергия образо-

вавшихся зарядов (в основном электрона). Возможны различные варианты перераспределения энергии первичного кванта. Если отсутствует вторичное излучение, hνпер = Aи+ Wк – внутренний фотоэффект.

43

При hνпер= hνвтор имеет место когерентное рассеяние, а ионизация отсутствует. Если выполняется неравенство νпер>νвтор, наблюдают некогерентное рассеяние, в этом случае ионизация вероятна.

Возможны случаи, когда квант излучения взаимодействует со свободными электронами или образовавшимися в результате ионизации (фотоэлектронами). Если условно считать электрон неподвижным в момент взаимодействия с квантом излучения, то энергетиче-

ский баланс можно записать как hνпер+m0c2 = hνвтор+ mc2 , где m0 - масса покоя электрона, с – скорость света, m = m0 /(1–V2/с2)1/2 – динами-

ческая масса, V – скорость электрона после взаимодействия, причем

νвтор< νпер .

Для квантов γ-излучения вероятны фотоядерные реакции, или ядерный фотоэффект – испускание ядром протона, нейтрона, а также деление ядер. Для ядерного фотоэффекта энергия γ-кванта должна быть не меньше энергии связи нуклонов в ядре. При энергии γ-кванта, не меньшей суммарной энергии покоя электрона и позитрона, возможно образование пары «электрон – позитрон» (h·νγ ≥ 1,02 МэВ).

Рассмотренным механизмам ионизации в веществе свойственны многофакторность и миграция проявлений, которые условно на примере атома показаны на рис. 2.18.

Рис. 2.18. Схема многофакторного воздействия ионизирующего излучения

Поглощение ионизирующего излучения веществом принято описывать аналогично закону для оптического диапазона феноменологическим способом: I =I0·e-µℓ , где µ – линейный коэффициент ослабления, который интегрально отражает потери энергии, вызванные всеми

44