Спектральный состав солнечного света


Наиболее мощным источником теплового излучения, обуславливающим жизнь на Земле, является Солнце.

Спектр Солнца непрерывный, в нем наблюдается множество темных фраунгоферовых линий. Фраунгофер был первым, кто описал темные линии на фоне непрерывного спектра в 1814 году. Эти линии в спектре Солнца образуются в результате поглощения квантов света в более холодных слоях солнечной атмосферы.

Наибольшую интенсивность непрерывный спектр имеет в области длин волн 430–500 нм. В видимой и инфракрасной областях спектр электромагнитного излучения Солнца близок к спектру излученияабсолютно черного тела с температурой 6000 К. Эта температура соответствует температуре видимой поверхности Солнца – фотосферы. В видимой области спектра Солнца наиболее интенсивны линии Н и К ионизованного кальция, линии бальмеровской серии водорода Нα, Нβ и Нγ.

Около 9 % энергии в солнечном спектре приходится на ультрафиолетовое излучение с длинами волн от 100 до 400 нм. Остальная энергия разделена приблизительно поровну между видимой (400–760 нм) и инфракрасной (760–5000 нм) областями спектра.

Спектральный состав солнечного света
Модель 2.7. Излучение абсолютно черного тела

Солнце – мощный источник радиоизлучения. В межпланетное пространство проникают радиоволны, которые излучает хромосфера (сантиметровые волны) и корона (дециметровые и метровые волны). Радиоизлучение Солнца имеет две составляющие – постоянную и переменную. Постоянная составляющая характеризует радиоизлучение спокойного Солнца. Солнечная корона излучает радиоволны как абсолютно черное тело с температурой T = 106 К. Переменная составляющая радиоизлучения Солнца проявляется в виде всплесков, шумовых бурь. Шумовые бури длятся от нескольких часов до нескольких дней. Через 10 минут после сильной солнечной вспышки радиоизлучение Солнца возрастает в тысячи и даже миллионы раз по сравнению с радиоизлучением спокойного Солнца; это состояние длится от нескольких минут до нескольких часов. Это радиоизлучение имеет нетепловую природу.

Плотность потока излучения Солнца в рентгеновской области (0,1–10 нм) весьма мала (~5∙10–4 Вт/м2 и сильно меняется с изменением уровня солнечной активности. В ультрафиолетовой области на длинах волн от 200 до 400 нм спектр Солнца также описывается законами излучения абсолютно черного тела.

В ультрафиолетовой области спектра с длинами волн короче 200 нм интенсивность непрерывного спектра резко падает и появляются эмиссионные линии. Наиболее интенсивна из них водородная линия лаймановской серии (λ = 121,5 нм). При ширине этой линии около 0,1 нм ей соответствует плотность потока излучения около 5∙10–3 Вт/м2. Интенсивность излучения в линии приблизительно в 100 раз меньше. Заметны также яркие эмиссионные линии различных атомов, важнейшие линии принадлежат Si I (λ = 181 нм), Mg II и Mg I, O II, O III, C III и другие.


Коротковолновое ультрафиолетовое излучение Солнца возникает вблизи фотосферы. Рентгеновское излучение исходит из хромосферы (T ~ 104 К), расположенной над фотосферой, и короны (T ~ 106 К) – внешней оболочки Солнца. Радиоизлучение на метровых волнах возникает в короне, на сантиметровых – в хромосфере.

Поток солнечной радиации, приходящийся на 1 м2 площади земной границы атмосферы, составляет 1350 Вт. Эту величину называют солнечной постоянной.

Интенсивность прямой солнечной радиации измеряют актинометром. Принцип действия его основан на использовании нагревания зачерченных поверхностей тел, происходящего от солнечной радиации. В термоэлектрическом актинометре Савинова – Янишевского приемной часть радиации является тонкий, зачерченный с наружной стороны диск 1. К диску с электрической изоляцией припаяны спаи термоэлементов 2, другие спаи 3 прикреплены к медному кольцу внутри корпуса и затенены. Под действием солнечной радиации возникает электрический ток в термобатарее, сила которого прямо пропорциональна потоку радиации.


Спектральный состав солнечного света

⇐ Предыдущая1234

Дата публикования: 2015-01-25; Прочитано: 958 | Нарушение авторского права страницы

studopedia.org — Студопедия.Орг — 2014-2018 год.(0.001 с)…Спектральный состав солнечного света

Спектр солнечного света и цветовое зрение

© 1993—2018 «Технолуч». Все права защищены. При использовании материалов сайта ссылка обязательна.

Спектральный состав солнечного светаСогласно теории цветового зрения Юнга-Гемгольца (1821-1894) ощущение любого цвета можно получить смешиванием спектрально чистых излучений красного, зеленого и синего цвета. Эта теория хорошо согласуется с наблюдаемыми фактами и предполагает, что в глазу есть только три типа светочувствительных приемников. Они отличаются друг от друга областями спектральной чувствительности. Красный свет воздействует преимущественно на приемники первого типа, зеленый — второго, синий — третьего. Сложением излучений таких трех цветов в различных пропорциях можно получить любую комбинацию возбуждения всех трех типов светочувствительных элементов, а значит и ощущение любого цвета. Если все рецепторы возбуждены в одинаковой степени, мы имеем ощущение белого цвета, если рецепторы не возбуждены — черного. По этой причине, накладывающиеся области красного, зеленого и синего цвета выглядят как белое пятно.

11. Излучение Солнца. Спектр излучения, солнечная постоянная. Актинометр.


Наложение красного и синего цвета дает фиолетовый цвет, зеленого и синего — бирюзовый, красного и зеленого — желтый.

Приведенный график показывает относительную спектральную чувствительность глаза к излучениям различных длин волн (так называемая кривая видности). Кривая видности красного цвета соответствует чувствительности глаза при дневном свете, а синяя — при сумеречном свете. Максимальная чувствительность глаза при дневном свете достигается на длине волны 555 нм, а при сумеречном свете — на длине волны 510 нм. Максимальная чувствительность глаза в обоих случаях принимается за единицу. Отличие между этими двумя кривыми видности объясняется тем, что дневной и сумеречный свет  воспринимаются различными рецепторами глаза (палочками при сумеречном свете и колбочками при дневном свете). При этом палочки обеспечивают чёрно-белое зрение и обладают очень высокой чувствительностью. Колбочки же позволяют человеку различать цвета, но их чувствительность гораздо ниже. В темноте работают только палочки — именно поэтому ночью воспринимаемое изображение серое.

Спектральный состав солнечного светаКак мы можем видеть из кривой видности, глаз способен воспринимать свет на длинах волн примерно от 400 нм до 760 нм. В условиях адаптации к темноте глаз может также немного видеть инфракрасный свет с длиной волны до 950 нм и ультрафиолетовый свет с длиной волны не меньше 300 нм.


аницы частотного диапазона видимого света, а также сама форма кривой видности человеческого глаза были сформированы в процессе длительной эволюции, приспособившись к условиям освещения земных предметов солнечным светом, а также к условиям сумеречного и ночного освещения. Действительно, было бы биологически нецелесообразно, если бы глаз обладал способностью принимать излучение с длинами волн короче 290 нм, так как из-за наличия озонового слоя в атмосфере земли, поглощающего ультрафиолетовые лучи, спектр солнечного излучения вблизи поверхности Земли практически обрывается на длине волны 290 нм. С другой стороны, из-за теплового излучения самого глаза, его высокая чувствительность к инфракрасному излучению сделала бы невозможной работу глаза в условиях солнечного освещения.

Ультрафиолетовое излучение, невидимое для глаза, воздействует, тем не менее, на кожу. Под действием ультрафиолета, который присутствует в солнечном свете, в коже вырабатывается особый пигмент, интенсивно отражающий эту часть солнечного спектра. При этом кожа приобретает характерный оттенок, известный как загар, а вероятность её ожога сильно уменьшается. Почему же нельзя загореть через оконное стекло? Дело в том, что обычное оконное стекло не пропускает ультрафиолетовых лучей и, следовательно, солнечный свет, прошедший через стекло, не может вызвать загар. Загореть можно только через кварцевое стекло, прозрачное для ультрафиолета.


Спектральный состав солнечного светаСпектр оптического пропускания синтетического кварцевого стекла Suprasil 300, оптического стекла BK 7 и обычного стекла. Спектр видимого света лежит примерно в пределах от 400 нм до 800 нм.

В отличие от обычного стекла, которое состоит из смеси различных компонент, кварцевое стекло состоит только из оксида кремния, а количество примесей других химических элементов чрезвычайно мало. Это приводит к тому, что кварцевое стекло обладает чрезвычайно широким спектром пропускания и малым поглощением света (обычное оконное стекло поглощает столько же света, сколько и кварцевое стекло толщиной в 100 метров). Это обуславливает широкое применение кварцевого стекла в оптике. Если позволяют средства, вы можете застеклить на даче одно из окон кварцевым стеклом и загорать зимой.

Спектральный состав солнечного света

Спектральный состав солнечной радиации меняется в зависимости от высоты Солнца над горизонтом.

По международной классификации выделяют:

1. Инфракрасное излучение – 760-2600 (3000) нм

2. Видимое излучение – 400-760 нм

3. Ультрафиолетовое излучение – на границе с атмосферой  400-100 нм, на поверхности земли – 400-290 нм

Все виды излучений отличаются друг от друга длиной волны (частотой колебаний) и энергией кванта. Чем меньше длина волны, тем больше энергия кванта и тем соответственно более выражено биологическое действие данного излучения.

Спектральный состав солнечного света


Следовательно, наибольшей биологической активностью характеризуется ультрафиолетовое излучение.

Инфракрасное излучение составляет большую часть солнечного спектра (до 50%). Ультрафиолетовые лучи занимают 5% спектра на границе с атмосферой и 1% УФ-излучения достигает поверхности земли. Коротковолновая часть УФ-излучения (менее 300 нм) задерживается озоновым слоем Земли.

Реакция организма на действие солнечного света является результатом действия всех частей спектра. Солнечную радиацию воспринимают кожа и глаза. В основе физиологического действия солнечных лучей лежат различные фотохимические реакции, возникновение которых зависит от длины волны и энергии поглощенных квантов действующего излучения.

Инфракрасное излучение

Инфракрасное излучение образуется всяким телом, температура которого выше абсолютного нуля. Чем больше оно нагрето, то есть чем выше его температура, тем выше интенсивность излучения. Инфракрасное излучение проникает сквозь атмосферу, воду, почву, одежду, оконные стекла.

Коэффициент поглощения инфракрасных лучей связан с длиной волны, которая обусловливает глубину проникновения.

По длине волны инфракрасное излучение подразделяется на:

1.длинноволновое (свыше 1400 нм) — задерживается поверхностными слоями кожи и проникает на глубину до 3 мм, в результате ускоряется обмен веществ, усиливается  кровоток, рост клеток и регенерация тканей, но в больших дозах может вызывать чувство жжения.


2.  средневолновое (длина волны 1000 – 1400 нм)

3. коротковолновое (длина волны от 760 до 1000 нм) обладает большой проникающей способностью. Проникает на глубину 4-5 см, 14% лучей в пределах длин волн 1000-1400 нм  — на глубину 3-4 см.

ИК-излучение оказывает:

1. тепловое действие — воздействуя на молекулы и атомы веществ, усиливая их колебательные движения, ИК-излучение приводит к повышению температуры биосубстрата.

2. фотохимическое действие – связано с поглощением энергии тканями и клетками, что ведет к активизации ферментных процессов и, как следствие, к ускорению обмена веществ, образованию БАВ, усилению процессов регенерации, иммуногенеза.

ИК-излучение  оказывает местное и общее воздействие.

При локальном воздействии на ткани ИФ-излучение несколько ускоряет биохимические реакции, ферментативные и иммунобиологические процессы, рост клеток и регенерацию тканей, кровоток, усиливает биологическое действие УФ-лучей.

Общее действие проявляется противовоспалительным, болеутоляющим, общетонизирующим эффектами. Эти эффекты широко используются в физиотерапии — с помощью использования искусственных источников ИК-излучения для лечения заболеваний воспалительного характера с целью уменьшения болевого синдрома при ревматизме, остеохондрозе и т.д.


3. влияет на климат и микроклимат. Вследствие неравномерного нагревания земной поверхности и испарения воды происходит движение воздуха и водных масс, формирование циклонов и антициклонов, теплых и холодных течений, разнообразие климатических зон, погодных условий, которые опосредованно влияют на человека.

При оптимальной интенсивности ИК-излучение вызывает приятное тепловое ощущение.

Отрицательное воздействие ИК-излучения связано с тепловым эффектом, так как возможно перегревание организма с развитием теплового или солнечного удара.

Видимое излучение

Видимое излучение воздействует на кожу (проникает на глубину 2,5 см) и глаза. Кожа неодинаково поглощает видимые лучи. Красные лучи проникают на глубину 2,5 см в количестве 20%, фиолетовые до 1%.

Биологическое действие:

1. вызывает световое ощущение. Связано с фотохимическим действием, которое проявляется в возбуждении молекул зрительных пигментов сетчатки глаза. В результате в сетчатке возникают электрические импульсы, вызывающие ощущение света. Таким образом, видимые лучи имеют информационное значение (информация об объеме, цвете, форме и т.д.)

2. оказывает благоприятное действие на организм, стимулирует его жизнедеятельность, улучшает общее самочувствие, эмоциональное настроение, повышает работоспособность. Плохое освещение отрицательно сказывается на функции зрительного анализатора, в результате чего быстро развивается утомление.

3. усиливает обмен веществ, иммунологическую реактивность, улучшает деятельность других анализаторов, активизирует процессы возбуждения в коре головного мозга.


4. тепловое действие – около 50% общей тепловой энергии солнечного спектра приходится на видимое излучение.

5. оздоровление окружающей среды

6. психогенное значение. Видимое излучение способно создавать гамму цветов, которые оказывают различное действие на человека. Отношение к цветам очень индивидуальное и каждый цвет вызывает у человека определенные ощущения (голубой – чувство прохлады, успокаивающее действие, зеленый – спокойствие, надежность, ярко-желтый – раздражение, красный – возбуждение, фиолетовый и синий – угнетают и способствуют засыпанию, синий способен усиливать состояние депрессии).

7. интенсивность и цвет видимого света на протяжении суток меняется, что имеет сигнальный характер и определяет суточный биологический ритм активности человека, служит источником рефлекторной и условнорефлекторной деятельности.

В процессе эволюции человек стал вести активный образ жизни в светлый период суток. Видимый свет влияет на режим сна и бодрствования, а, следовательно,  и на физиологические функции организма (регуляция температуры тела, уровня гормонов и т. д.). Сейчас существует понятие синдрома «световое голодание», которое характеризуется снижением работоспособности, эмоциональной нестабильностью, повышенным аппетитом и потребностью во сне. Такой синдром возникает у людей в осенне-зимний период, при проживании за Полярным кругом, у работающих в ночную смену и т.д.



Биологическое действие различных участков спектра солнечного излучения

Ионизирующее излучение. Это излучение включает космические лучи, а также естественную и искусственную радиоактивность. На поверхности Земли эта форма воздействия на организмы связана главным образом с естественным радиоактивным фоном, а в наше время – и с резким возрастанием уровня радиоактивности техногенного происхождения.

Биологическое действие радиации осуществляется, в основном, на субклеточном уровне (ядра, митохондрии, микросомы) Установлена зависимость этого действия от дозы облучения: при малых дозировках повреждающий эффект может сменяться стимулирующим. Известно влияние ионизирующей радиации на генетический аппарат (мутагенный эффект).

Ультрафиолетовые лучи. Наиболее коротковолновая (200-280 нм) зона этой части спектра («ультрафиолет С») активно абсорбируется кожей; она является опасной для живых организмов, но практическим полностью поглощается озоновым экраном. Следующая зона – УФ-В, с длиной волны 280-320 нм – наиболее опасная часть спектра УФ, обладающая канцерогенным действием. УФ-В активирует некоторые микроорганизмы, в то время как другие длины волн УФ губительны для микробов. Большая часть зоны УФ-В также поглощается озоновым экраном.

До поверхности Земли доходят лишь лучи с длиной волны примерно от 300 нм. Эта часть спектра обладает большой энергией и оказывает на живые организмы главным образом химическое действие. В частности, УФ –лучи стимулируют процессы клеточного синтеза.

Под действием этих лучей в организме синтезируется витамин Д, регулирующий обмен кальция и фосфора, а соответственно нормальный рост и развитие скелета. Особенно велико значение этого витамина для растущего организма. Поэтому многие млекопитающие, выводящие детенышей в норах, регулярно (чаще по утрам) выносят их на освещенные солнцем места. «Солнечное купание» свойственно и многим птицам; основная роль этой формы поведения – нормализация обмена, синтез витамина Д и регуляция продукции меланина. Действие УФ зависит от дозы: слишком сильное облучение вредно для организма. Особенно неустойчивы к коротковолновой радиации активно делящиеся клетки. Как приспособление к экранированию организма от передозировки УФ у многих видов, в том числе и у человека, формируются темные пигменты, поглощающие эти лучи. Такова природа загара у человека. У лягушек и некоторых других амфибий и рыб откладываемые на поверхности воды икринки имеют пигментированный верхний полюс. У пустынных грызунов отмечена пигментация мошонки. У сусликов обнаружены пигментированные мозговые оболочки.

УФ-радиация составляет около 5-10% суммарной радиации, достигающей поверхности Земли.

Видимый свет. Эта часть спектра составляет около 40-50% солнечной энергии, достигающей Земли. Для животных видимая часть спектра связана, прежде всего, с ориентированием в окружающей среде. Зрительная ориентация свойственна большинству дневных животных и используется как источник сложной информации о внешних условиях. Эффективность восприятия зрительных сигналов очень различна: от простых светочувствительных клеток, в которых световые воздействия на зрительные пигменты фотохимически трансформируются в нервный импульс, до сложно устроенных глаз, способных к восприятию объемных образов в цветовом варианте. У ряда птиц зрительное восприятие распространяется на часть ультрафиолетовой зоны спектра. Многие животные воспринимают как видимый свет ближнюю область инфракрасного излучения.

Впрочем, и многие ночные виды ориентируются с участием органов зрения, поскольку абсолютная темнота в сфере обитания животных встречается редко. Ослабление интенсивности света вызывает адаптивные перестройки органов зрения (совы, козодои, некоторые ночные млекопитающие).

Обитание в условиях полной темноты, как правило, связано с редукцией органов зрения. Это, в частности, свойственно видам, обитающим в пещерах, а также многим почвенным животным. У почвенных животных часто сохраняются светочувствительные органы, хотя и в редуцированном виде. Они используются для получения информации о выходе на освещенную поверхность.

В океане интенсивность освещения падает с глубиной. Параллельно изменяется и спектральный состав: глубже всего проникает его коротковолновая часть – синие и голубые лучи. Освещенность на мелководье мало отличается от суши, и обитающие здесь рыбы имеют в сетчатке большой процент колбочек, чувствительных к красному цвету. У рыб, обитающих в зеленой воде прибрежной зоны, таких колбочек нет, отсутствуют у них и оранжево-чувствительные клетки. Среди глубоководных рыб большинство имеют в сетчатке лишь один тип палочек, чувствительных к синему цвету.

Известно, что на глубине 800-950 м интенсивность света составляет около 1 % полдневного освещения на поверхности.

Этого еще достаточно для светоощущения. Дальнейшее увеличение глубины связано у одних видов с редукцией органов зрения, а у других – с развитием гипертрофированных глаз, способных воспринимать очень слабый свет. Последнее в значительной степени определяется наличием на больших глубинах светящихся организмов. Некоторые из них способных создавать освещение выше порога световой чувствительности животных. Голубое свечение (длина волны 400-500 нм) соответствует «настройке» органов зрения глубоководных животных. Биологическое свечение используют и рыбы, образуя симбиотические связи со светящимися микроорганизмами и формируя специальные органы, свет которых используется для подманивания добычи, взаимного опознавания, различения полов и т.п.

Свет как фактор фотосинтеза. В процессе фотосинтеза свет выступает как источник энергии, которая используется пигментной системой (хлорофилл, в некоторых случаях – его аналоги). В результате происходит расщепление молекулы воды с выделением газообразного кислорода, а энергия, полученная фотохимической системой, утилизируется для преобразования диоксида углерода в углеводы:

Спектральный состав солнечного света 6СО2 + 12Н2О хлорофилл С6Н12О6 + 6О2 + 6Н2О

Способность использовать лучистую энергию у хлорофилла и у зрительных пигментов животных очень близка; поэтому в спектре солнечного излучения область фотосинтетически активной радиации (ФАР) практически совпадает с диапазоном видимой части спектра с длиной волны порядка 400-700 нм. Некоторые бактерии, имеющие бактериохлорофиллы, способны поглощать свет в длинноволновой части спектра (максимум в области 800-100 нм).

Зеленый лист поглощает в среднем 75 % падающей на него лучистой энергии. Но коэффициент использования ее на фотосинтез невысок: около 10 % при низкой освещенности и лишь 1-2 % — при высокой. Остальная энергия переходит в тепловую, которая затрачивается на транспирацию и другие процессы.

Наиболее важные внешние факторы, влияющие на уровень фотосинтеза, это – температура, свет, диоксид углерода и кислород. На уровне самого растения на этот процесс влияют содержание хлорофилла и воды, особенности анатомии листа, концентрация ферментов.

Зависимость фотосинтеза от температуры характеризуется кривой, на которой выделяются точки (зоны) максимума, оптимума и минимума. Минимальная температура, при которой возможен фотосинтез, видоспецифична и отражает приспособленность вида к температурным условиям среды. У многих видов она совпадает с температурой замерзания тканевых жидкостей (-1, -2°С), но у наиболее холодолюбивых форм опускается до -5…-7°С. Максимальная температура фотосинтеза в среднем на 10-12°С ниже точки тепловой смерти. Температурный максимум фотосинтеза выше у южных растений. Оптимальной температурной зоной для фотосинтеза принято считать тепловые условия, при которых фотосинтез достигает 90% своей максимальной величины; эта зона зависит от освещенности: повышается при ее увеличении и снижается в условиях затенения. Поэтому при низкой освещенности фотосинтез идет активнее при более низких температурах, а при высокой интенсивность этого процесса увеличивается с повышением температуры.

Освещенность в своем влиянии на фотосинтез характеризуется так называемой кривой насыщения: вначале с повышением освещенности кривая потребления СО2резко идет вверх, затем – по достижении определенного порога освещенности – нарастание фотосинтеза снижается, кривая приобретает форму гиперболы. В этой зависимости хорошо прослеживаются закономерности экологического плана: у тенелюбивых растений насыщение наступает при меньшей освещенности, чем у светолюбивых. В темноте кривые ассимиляции переходят на нулевой уровень: выделение СО2 при дыхании не компенсируется его потреблением для фотосинтеза. Минимальное освещение, при котором поглощение диоксида углерода для фотосинтеза равно выделению его при дыхании, называют точкой компенсации; у светолюбивых растений она располагается выше, чем у тенелюбивых. Кроме того, положение этой точки зависит от концентрации СО2 и от температуры.

Диоксид углерода в процессе фотосинтеза выступает как ресурс для синтеза углеводов. Норма содержания СО2 в атмосфере составляет 0,57 мг/л. Повышение концентрации ведет к усилению фотосинтеза, но лишь до известных пределов; при концентрации 5-10% (против нормальной – 0,03 %) фотосинтез ингибируется. В сочетании с реакцией на другие факторы колебания концентрации СО2 определяет поддержание нормального уровня фотосинтеза в разнообразных природных условиях. Такие колебания обусловлены суточным ритмом фотосинтеза, закономерными изменениями интенсивности почвенного дыхания и некоторыми другими факторами. Например, суточные колебания СО2 в густых растительных сообществах могут достигать 25 % от средних величин.

Вода, тоже участвующая в процессах фотосинтеза редко его лимитирует. Однако непрямым путем недостаток воды (в частности, сезонный) может быть ограничителем. Например, в западной Австралии некоторые виды растений во время засухи снижают фотосинтез на 2/3 по сравнению с весенним периодом.

Биологические ритмы

Специфическое значение светового фактора заключается в том, что закономерная динамика условий освещения играет важную роль в регуляции периодических явлений в жизни растений и животных.

С самого возникновения жизни на Земле она осуществлялась в условиях ритмически меняющейся среды. Закономерная смена дня и ночи, регулярно повторяющиеся сезонные изменения комплекса факторов – все это требовало приспособления со стороны живых организмов. В процессе эволюции выработалось наиболее кардинальная форма такого приспособления: согласованность ритмов биологической активности различных живых форм с масштабами суточной и сезонной цикличности комплекса условий среды. Ритмичность общих проявлений жизнедеятельности и ее отдельных форм свойственна всем живым существам. В основе ее лежит специфика биохимических и физиологических реакций составляющих сущность жизни и имеющих ритмичный характер. Длительность ритмов отдельных процессов, идущих на суборганизменном уровне, очень различна: от долей секунды (например, активность нейрона) до нескольких часов (секреторная деятельность желез) и даже более.

Суточные ритмы. Суточная периодичность свойственна большинству видов растений и животных. Имеются формы с дневной или ночной активностью; у некоторых видов вспышки активности проявляются спонтанно, независимо от времени суток, некоторым животным присуще проявление активности в сумеречное время. Время открытия и закрытия цветков у высших растений, начала или окончания бодрствования (или, наоборот, сна) у животных видоспецифично и отличается большим постоянством в своем соотношении с суточным ходом освещенности.

Общий характер активности животных определяется такими условиями:

1) тип питания;

2) взаимоотношения с хищниками и конкурентами;

3) суточные изменения комплекса абиотических факторов и т.д.

Так, суточная активность пойкилотермных животных во многом определяется режимом температуры среды; у амфибий – сочетанием температуры и влажности. Среди грызунов виды, поедающие грубые, богатые клетчаткой корма, отличаются, как правило, круглосуточной активностью. Семеноядные формы, употребляющие более концентрированную пищу, приурочивают время ее добывания к ночному периоду, когда слабее воздействие хищников. Особенно ярко это выражено у представителей открытых пространств степей и пустынь.

Циклические изменения общего уровня жизнедеятельности на протяжении суток связаны с ритмами физиологических процессов. Активный период характеризуется большими энергозатратами и соответственно повышенной активностью комплекса физиологических реакций.

Солнечная радиация

Но суточные колебания метаболизма не являются только прямым следствием повышения общей активности, так как существуют закономерные изменения уровня обмена веществ и в покое.

Режим освещенности выступает в роли сигнального фактора, который определяет время начала и окончания активности. У дневных животных утреннее нарастание освещенности по достижении определенного порога стимулирует начало активной деятельности.

У ночных видов начало активности коррелирует с определенной степенью снижения освещенности, а утреннее повышение ее определяет окончание активного периода.

Пороговые величины освещенности определяют время начала и окончания активности. На протяжении активной части суток интенсивность деятельности животных обычно имеет пульсирующий, фазовый характер. Так, воробьиные птицы в период размножения наиболее активны в утренние часы, затем их активность снижается и вновь повышается вечером. Неравномерное проявление активность свойственно очень многим видам животных.

Циркадианные ритмы. Сигнальная, синхронизирующая роль фотопериода отчетливо проявляется в условиях эксперимента, когда на фоне неизменной освещенности (чаще всего – при содержании в темноте) у подопытных организмов проявляется суточный ритм, свойственный данному виду в естественной обстановке. Например, в норме некоторые растения опускают листья или складывают их на ночь и расправляют днем. После помещения в полную темноту в эксперименте эти растения сохраняли суточный ритм движения листьев. В опытах было показано также, что этот цикл складывания и распрямления листьев составляет не точно сутки, а несколько меньше – 22-22,5 час.

В основе суточных ритмов жизнедеятельности лежат наследственно закрепленные эндогенные циклы физиологических процессов с периодом, близким к 24 час. Циклические процессы такого рода называются циркадианными или циркадными (от лат. circa – около, dies – день) ритмами. В наиболее «чистом» виде циркадианные ритмы выявляются лишь при содержании животных в строго постоянных условиях, то есть без контроля со стороны меняющихся факторов среды. Выявленные таким образом, они показывают высокую степень автономности. В то же время эти свободно текущие эндогенные ритмы легко синхронизируются какими-либо внешними датчиками времени (изменения освещенности, температуры и т.д.).

Характерная особенность циркадианных ритмов – некоторое несовпадение их периода с полными астрономическими сутками.

Определенное влияние на характер циркадианных ритмов оказывают различные условия освещения. Увеличение интенсивности непрерывного освещения вызывает у ночных видов уменьшение общей активности, некоторое удлинение цикла и укорочение его активной части; при уменьшении освещенности наблюдаются сдвиги противоположного характера. Дневные животные соответственно демонстрируют обратные реакции.

Сезонные ритмы. Большинство организмов, обитающих в условиях сезонной смены климатических режимов, характеризуются наличием периодических сезонных процессов, охватывающих комплекс физиологических систем и обеспечивающих биологически значимые изменения форм деятельности. У растений это связано с сезонным характером репродукции, определенными сроками образования семян, формированием клубней и других форм запасания питательных веществ перед наступлением зимы и т.д. Эти процессы имеют эндогенный, генетически запрограммированный характер; конкретные погодные условия только модифицируют их протекание. Установлена важная роль фотопериода в регуляции сезонных периодических явлений у растений.

У большинства животных различные физиологические и биологические процессы также проявляются сезонно: размножение, линька, спячка, миграции и т.д. Эволюционно сезонность этих явлений возникла как приспособление к циклическим изменениям климатических условий. Закономерная повторяемость сезонных состояний формируется в результате взаимодействия врожденных эндогенных сезонных циклов с информацией о состоянии внешних условий. Эти взаимодействия синхронизируют проявления эндогенной программы с периодами благоприятного для данной формы деятельности сочетания факторов среды и обеспечивают адаптацию организма к сезонному состоянию внешних условий.

Цирканнуальные ритмы. Эндогенные биологические циклы с окологодовой периодичностью называются цирканнуальными или цирканными ритмами (от лат. circa – около, annus – год). Как и циркадианные, они основываются на системе свободного отсчета времени по принципу биологических часов. В природных условиях эта система находится под контролем внешних факторов-синхронизаторов, среди которых у нетропических животных главная роль принадлежит фотопериоду.

Проявления цирканнуальных ритмов может быть достаточно сложным, но в любом случае в них заложен механизм свободнотекущей временной программы и контроль со стороны естественного режима освещения.

В искусственных условиях, полностью исключающих действие внешних датчиков времени, обнаружено, что собственный ход цирканнуального ритма чаще всего бывает несколько меньше астрономического года. Так, две славки – садовая и черноголовка в возрасте 6 недель были помещены в условия постоянного фотопериода (10 час. света и 14 час. темноты) и содержались в этих условиях соответственно 10 и 8 лет. Периоды линек у этих птиц регулярно повторялись с периодичностью 9,4-9,7 мес. Аналогичные опыты с другими птицами дали сходные результаты.

Источник: magictemple.ru

С наступлением теплых летних дней нас так и тянет погреться на солнышке. Солнечный свет улучшает настроение, стимулирует образование в коже жизненно необходимого витамина D, но в то же время, к сожалению, способствует появлению морщин и увеличивает риск развития рака кожи. Значительная часть как полезных, так и вредных эффектов связана с той частью солнечного излучения, которая невидима для человеческого глаза, — ультрафиолетом.

Солнце служит главным источником энергии для нашей планеты, а поступает эта энергия в виде излучения — инфракрасного, видимого и ультрафиолетового. Ультрафиолетовая область расположена за коротковолновой границей видимого спектра. Когда речь идет о влиянии на живые организмы, в ультрафиолетовом спектре солнца обычно выделяют три области: ультрафиолет А (УФ-А; 320-400 нанометров), ультрафиолет В (УФ-В; 290-320 нм) и ультрафиолет С (УФ-С; 200-290 нм). Деление это достаточно произвольно: граница между УФ-В и УФ-С выбрана из тех соображений, что свет с длиной волны менее 290 нм не достигает поверхности Земли, поскольку земная атмосфера, благодаря кислороду и озону, выполняет роль эффективного природного светофильтра. Граница между УФ-В и УФ-А основана на том, что излучение короче 320 нм вызывает гораздо более сильную эритему (покраснение кожи), чем свет в диапазоне 320-400 нм.

Спектральный состав солнечного света во многом зависит от времени года, погоды, географической широты и высоты над уровнем моря. Например, чем дальше от экватора, тем сильнее коротковолновая граница сдвигается в сторону длинных волн, поскольку в этом случае свет падает на поверхность под косым углом и проходит большее расстояние в атмосфере, а значит, сильнее поглощается. На положение коротковолновой границы влияет и толщина озонового слоя, поэтому под «озоновыми дырами» на поверхность Земли попадает больше ультрафиолета.

В полдень интенсивность излучения на длине волны 300 нм в 10 раз выше, чем за три часа до этого или три часа спустя. Облака рассеивают ультрафиолет, но только темные тучи способны блокировать его полностью. Ультрафиолетовые лучи хорошо отражаются от песка (до 25%) и снега (до 80%), хуже от воды (менее 7%). Поток ультрафиолета возрастает с высотой, приблизительно на 6% с каждым километром. Соответственно в местах, расположенных ниже уровня моря (например, у берегов Мертвого моря), интенсивность излучения меньше.

ЖИЗНЬ ПОД СОЛНЦЕМ

Без света жизнь на Земле не могла бы существовать. Растения используют солнечную энергию, запасают ее с помощью фотосинтеза и обеспечивают энергией через пищу всех остальные живые существа. Человеку и другим животным свет обеспечивает возможность видеть окружающий мир, регулирует биологические ритмы организма.

Эту жизнерадостную картину немного осложняет ультрафиолет, поскольку его энергии достаточно, чтобы вызвать серьезные повреждения ДНК. Ученые насчитывают более двух десятков различных болезней, которые возникают или усугубляются под действием солнечного света, среди них пигментная ксеродерма, плоскоклеточный рак кожи, базалиома, меланома, катаракта.

Конечно, в процессе эволюции наш организм выработал механизмы защиты от ультрафиолета. Первый барьер, который преграждает потенциально опасному излучению доступ в организм, — кожа. Практически весь ультрафиолет поглощается в эпидермисе, наружном слое кожи толщиной 0,07-0,12 мм. Чувствительность к свету во многом определяется наследственной способностью организма производить меланин, темный пигмент, который поглощает свет в эпидермисе и тем самым защищает более глубокие слои кожи от фотоповреждений. Меланин вырабатывают особые клетки кожи — меланоциты. Ультрафиолетовое облучение стимулирует выработку меланина. Наиболее интенсивно этот биологический пигмент образуется при облучении светом УФ-В диапазона. Правда, эффект проявляется не сразу, а спустя 2-3 дня после пребывания на солнце, зато сохраняется в течение 2-3 недель. При этом ускоряется деление меланоцитов, возрастает число меланосом (гранул, содержащих меланин), увеличивается их размер. Свет УФ-А диапазона тоже способен вызывать загар, но более слабый и менее стойкий, поскольку число меланосом не увеличивается, а происходит лишь фотохимическое окисление предшественника меланина в меланин.

По восприимчивости к солнечным лучам выделяют шесть типов кожи. Кожа типа I очень светлая, она легко обгорает и совсем не покрывается загаром. Кожа типа II легко обгорает и покрывается слабым загаром. Кожа типа III быстро покрывается загаром и обгорает в меньшей степени. Кожа типа IV еще более устойчива к солнечным лучам. Кожа типов V и VI темная от природы (например, у коренных жителей Австралии и Африки) и почти не подвержена повреждающему действию солнца. У представителей негроидной расы риск развития немеланомного рака кожи ниже в 100 раз, а меланомы — в 10 раз по сравнению с европейцами.

Наиболее уязвимы к действию ультрафиолета люди с очень светлой кожей. У них даже кратковременное пребывание на ярком солнце вызывает эритему — покраснение кожи. За возникновение эритемы отвечает в основном УФ-В излучение. В качестве меры действия ультрафиолета на организм часто используют такое понятие, как минимальная эритемная доза (МЭД), то есть такая, при которой глазом заметно слабое покраснение. На самом деле величина МЭД различна не только у разных людей, но и у одного человека на разных участках тела. Например, для кожи живота белого незагорелого человека величина МЭД составляет около 200 Дж/м2, а на ногах — в три с лишним раза выше. Эритема обычно возникает через несколько часов после облучения. В тяжелых случаях развивается настоящий солнечный ожог с волдырями.

Какие вещества в эпидермисе кроме меланина поглощают ультрафиолет? Нуклеиновые кислоты, аминокислоты триптофан и тирозин, уроканиновая кислота. Наиболее опасны для организма повреждения нуклеиновых кислот. Под действием света в диапазоне УФ-В образуются димеры за счет ковалентных связей между соседними пиримидиновыми (цитозином или тимином) основаниями. Поскольку пиримидиновые димеры не вписываются в двойную спираль, эта часть ДНК теряет способность к выполнению своих функций. Если повреждения небольшие, специальные ферменты вырезают дефектный участок (и это еще один довольно эффективный механизм защиты). Однако, если ущерб больше, чем способность клетки к ремонту, клетка гибнет. Внешне это проявляется в том, что обожженная кожа «слезает». Повреждение ДНК может приводить к мутациям и как следствие — к раковым заболеваниям. Происходят и другие повреждения молекул, например образуются сшивки ДНК с белками. Кстати, видимый свет способствует залечиванию повреждений нуклеиновых кислот (это явление называется фотореактивацией). Предотвращать опасные последствия фотохимических реакций помогают антиоксиданты, содержащиеся в организме.

Еще одно следствие ультрафиолетового облучения — подавление иммунитета. Возможно, такая реакция организма призвана ослабить воспаление, вызванное солнечным ожогом, однако при этом снижается устойчивость к инфекциям. Сигналом для подавления иммунитета служат фотохимические реакции уроканиновой кислоты и ДНК.

МОДА НА ЗАГАР — СИМВОЛ ИНДУСТРИАЛЬНОГО ОБЩЕСТВА

Долгое время белая кожа считалась отличительной чертой знатных и богатых: сразу было видно, что ее обладателям не приходится с утра до ночи работать в поле. Но в ХХ веке все изменилось, бедные слои населения теперь проводили целые дни на заводах и фабриках, а богатые могли позволить себе отдыхать на свежем воздухе, у моря, демонстрируя красивый золотистый загар. После Второй мировой войны мода на загар приобрела массовый характер; загорелая кожа стала считаться признаком не только достатка, но и отменного здоровья. Разрослась туристическая индустрия, предлагающая отдых у моря в любое время года. Но прошло некоторое время, и врачи забили тревогу: оказалось, у любителей загара частота рака кожи возросла в несколько раз. И в качестве спасительного средства было предложено всем без исключения пользоваться солнцезащитными кремами и лосьонами, в состав которых входят вещества, отражающие или поглощающие ультрафиолет.

Известно, что еще во времена Колумба индейцы имели обыкновение раскрашивать себя красной краской, чтобы защититься от солнца. Возможно, древние греки и римляне использовали для этих целей смесь песка с растительным маслом, поскольку песок отражал солнечные лучи. Применение химических солнцезащитных средств началось в 1920-х годах, когда в качестве солнцезащитного средства была запатентована парааминобензойная кислота (ПАБК). Однако она растворялась в воде, так что защитный эффект исчезал после купания, и к тому же раздражала кожу. В 1970-е годы на смену ПАБК пришли ее эфиры, почти нерастворимые в воде и не вызывающие сильного раздражения. Настоящий бум в области солнцезащитной косметики начался в 1980-е годы. Поглощающие ультрафиолет вещества (в косметологии за ними закрепилось название «УФ-фильтры») стали добавлять не только в специальные «пляжные» кремы, но и почти во все косметические продукты, предназначенные для использования в дневное время: крем, жидкую пудру, губную помаду.

По принципу действия УФ-фильтры можно разделить на две группы: отражающие свет («физические») и поглощающие («химические»). К отражающим средствам относятся разного рода минеральные пигменты, прежде всего диоксид титана, оксид цинка, силикат магния. Принцип их действия прост: они рассеивают ультрафиолет, не давая ему проникнуть в кожу. Окись цинка захватывает область длин волн от 290 до 380 нм, остальные — несколько меньше. Основной недостаток отражающих средств тот, что они представляют собой порошок, непрозрачны и придают коже белый цвет.

Естественно, что производителей косметики больше привлекали прозрачные и хорошо растворимые «химические» УФ-фильтры (известные в фотохимии как УФ-абсорберы). К ним относятся уже упоминавшаяся ПАБК и ее эфиры (сейчас их почти не используют, так как появились сведения, что они разлагаются с образованием мутагенов), салицилаты, производные коричной кислоты (циннаматы), антраниловые эфиры, оксибензофеноны. Принцип действия УФ-абсорбера заключается в том, что, поглотив квант ультрафиолета, его молекула изменяет свою внутреннюю структуру и преобразует энергию света в тепло. Наиболее эффективные и светостойкие УФ-абсорберы работают по внутримолекулярному циклу переноса протона.

Большинство УФ-абсорберов поглощают свет только в УФ-В области. Обычно солнцезащитные средства содержат не один УФ-фильтр, а несколько, как физических, так и химических. Общее содержание УФ-фильтров может превышать 15 процентов.

Для характеристики защитной эффективности кремов, лосьонов и прочей косметической продукции стали использовать так называемый солнцезащитный фактор (по-английски «sun protection factor», или SPF). Идея солнцезащитного фактора была впервые предложена в 1962 году австрийским ученым Францем Грайтером и принята представителями косметической и фармацевтической промышленности. Солнцезащитный фактор определяется как отношение минимальной дозы ультрафиолета, необходимой для возникновения эритемы при действии на защищенную кожу, к дозе, вызывающей такой же эффект при незащищенной коже. Получила широкое распространение популярная интерпретация: если без защиты вы обгораете за 20 минут, то, намазав кожу кремом с защитным фактором, скажем, 15, получите солнечный ожог только пробыв на солнце в 15 раз дольше, то есть через 5 часов.

ОБМАНЧИВОЕ ЧУВСТВО ЗАЩИТЫ

Казалось бы, решение проблемы ультрафиолета найдено. Но на деле все не так просто. В научной литературе стали появляться сообщения, что у людей, которые постоянно пользуются солнцезащитными препаратами, частота возникновения таких разновидностей рака кожи, как меланома и базалиома, не только не снизилась, но и возросла. Было предложено несколько объяснений этого обескураживающего факта.

Первым делом ученые предположили, что потребители неправильно пользуются солнцезащитными средствами. При тестировании кремов принято наносить на кожу 2 мг крема на 1 см2. Но, как показали исследования, люди часто наносят более тонкий слой, в 2-4 раза меньше, соответственно уменьшается и фактор защиты. Кроме того, кремы и лосьоны частично смываются водой, например во время купания.

Нашлось и другое объяснение. Как уже отмечалось, большинство химических УФ-абсорберов (а именно они наиболее широко используются в косметике) поглощают свет только в УФ-В области, предотвращая развитие солнечного ожога. Но, по некоторым данным, меланома возникает под действием УФ-А излучения. Не пропуская УФ-В излучение, солнцезащитные средства блокируют природный предупреждающий сигнал — покраснение кожи, замедляют образование защитного загара, и в результате человек получает избыточную дозу в области УФ-А, которая как раз и может спровоцировать рак.

Результаты опросов показывают, что те, кто пользуется кремами с более высоким фактором защиты, проводят на солнце больше времени, а значит, неосознанно подвергают себя большему риску.

Нельзя забывать и о том, что смесь химических веществ, которые входят в состав защитных кремов, при длительном воздействии ультрафиолета может стать источником свободных радикалов — инициаторов окисления биомолекул. Некоторые из УФ-фильтров потенциально токсичны либо вызывают аллергию.

«СОЛНЕЧНЫЙ» ВИТАМИН

Настало время вспомнить о том, что поми-мо многочисленных негативных эффектов ультрафиолета есть и позитивные. И самый яркий пример — фотосинтез витамина D3.

В эпидермисе содержится довольно много 7-дигидрохолестерола, предшественника витамина D3. Облучение светом УФ-В диапазона запускает цепочку реакций, в результате которых и получается холекальциферол (витамин D3), пока еще не активный. Это вещество связывается с одним из белков крови и переносится в почки. Там оно превращается в активную форму витамина D3 — 1, 25-дигидроксихолекальциферол. Витамин D3 необходим для всасывания кальция в тонком кишечнике, нормального фосфорно-кальциевого обмена и образования костей, при его недостатке у детей развивается тяжелое заболевание — рахит.

После облучения всего тела в дозе 1 МЭД концентрация витамина D3 в крови возрастает в 10 раз и возвращается к прежнему уровню через неделю. Применение солнцезащитных средств подавляет синтез витамина D3 в коже. Дозы, необходимые для его синтеза, невелики. Считается достаточным ежедневно проводить на солнце примерно по 15 минут, подставляя солнечным лучам лицо и руки. Суммарная годовая доза, необходимая для поддержания уровня витамина D3, составляет 55 МЭД.

Хронический дефицит витамина D3 приводит к ослаблению костной ткани. К группе риска относятся темнокожие дети, живущие в северных странах, и пожилые люди, которые мало бывают на свежем воздухе. Некоторые исследователи считают, что увеличение частоты заболеваемости раком при использовании солнцезащитных средств связано именно с блокировкой синтеза витамина D3. Не исключено, что его дефицит приводит к возрастанию риска рака толстой кишки и молочной железы.

Другие полезные эффекты ультрафиолета связаны в основном с медициной. Ультрафиолетом лечат такие заболевания, как псориаз, экзема, розовый лишай. Датский врач Нильс Финсен в 1903 году получил Нобелевскую премию за применение ультрафиолета в лечении волчаночного туберкулеза кожи. Метод облучения крови ультрафиолетом сейчас успешно применяют для лечения воспалительных и других заболеваний.

СОЛОМЕННАЯ ШЛЯПКА ОТ ЗАГАРА

Вопрос о том, полезен или вреден ультрафиолет, не имеет однозначного ответа: и да, и нет. Многое зависит от дозы, спектрального состава и особенностей организма. Избыток ультрафиолета безусловно опасен, но на защитные кремы полностью полагаться нельзя. Требуются дополнительные исследования, чтобы установить, в какой степени употребление солнцезащитных средств может способствовать развитию раковых заболеваний.

Лучшее средство уберечь кожу от солнечного ожога, преждевременного старения, а заодно и снизить риск развития рака — одежда. Для обычной летней одежды характерны защитные факторы выше 10. Хорошими защитными свойствами обладает хлопок, правда в сухом виде (при намокании он пропускает больше ультрафиолета). Не забудьте про шляпу с широкими полями и солнцезащитные очки.

Рекомендации достаточно просты. Избегайте бывать на солнце в самые жаркие часы. Будьте особенно осторожны с солнцем, если принимаете лекарства, обладающие свойствами фотосенсибилизаторов: сульфаниламиды, тетрациклины, фенотиазины, фторхинолоны, нестероидные противовоспалительные препараты и некоторые другие. Фотосенсибилизаторы входят и в состав некоторых растений, например зверобоя (см. «Наука и жизнь» № 3, 2002 г.). Усиливать действие света могут ароматические вещества, входящие в состав косметики и духов.

Учитывая, что у ученых есть сомнения в эффективности и безопасности солнцезащитных кремов и лосьонов, не пользуйтесь ими (а также дневной косметикой с высоким содержанием УФ-фильтров) без особой необходимости. Если такая необходимость возникла, отдавайте предпочтение тем средствам, что обеспечивают защиту в широком спектре — от 280 до 400 нм. Как правило, такие кремы и лосьоны содержат окись цинка или другие минеральные пигменты, поэтому имеет смысл внимательно прочесть состав на этикетке.

Защита от солнца должна быть индивидуальной, в зависимости от места жительства, сезона и типа кожи.

Источник: www.nkj.ru


You May Also Like

About the Author: admind

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Этот сайт использует Akismet для борьбы со спамом. Узнайте как обрабатываются ваши данные комментариев.