Биологическое действие света

Основным источником теплового излучения и видимого света в природе является Солнце. Поток солнечной энергии на границе земной атмосферы составляет 1382 Вт/м². Эта величина называется солнечной постоянной. Общее количество энергии, получаемой нашей планетой от Солнца за год, равно 3, 84·10²⁴ Дж, что во много раз больше энергии, получаемой человечеством от всех других источников (по данным ООН, в 1975 г. потребление энергии во всем мире было 2, 1·10²⁰ Дж). Все виды энергии, используемые человеком, кроме ядерной (энергия органического топлива, ветра, рек), обязаны своим происхождением Солнцу. Максимум энергии солнечного излучения приходится на видимый свет с длиной волны 470 нм. Однако вследствие селективного поглощения света в земной атмосфере максимум энергии излучения, достигающего земной поверхности, соответствует длине волны 555 нм, и на эту же длину волны приходится максимум чувствительности человеческого глаза.

Свет – важнейший регулятор жизненно важных функций организма, таких, как обмен веществ, размножение, активность защитных механизмов и др. Видимый свет значительно влияет на железы внутренней секреции (половые, щитовидные), но действие это происходит не непосредственно, а от сетчатки через зрительный нерв, головной мозг и гипофиз. Свет, попадая на кожу, нагревает ее и раздражает кожные рецепторы, которые вызывают рефлекторное действие многих других органов. Солнечный свет – это сильнодействующий биологический фактор, более эффективный, чем свет, создаваемый искусственными источниками, так как он содержит ИК и УФ излучения.

В зимний период и при содержании в закрытых помещениях сельскохозяйственные животные испытывают так называемый световой голод, что приводит к снижению их продуктивности к устойчивости к инфекционным заболеваниям. Искусственное освещение при правильной дозировке и подборе спектрального состава устраняет неблагоприятные последствия недостатка естественного света.

Источники света. Для производственных и санитарно-гигиенических целей важны источники света, которые по своему спектру больше соответствуют видимому свету. Таким источником являются созданные на основе фотолюминесценции люминесцентные лампы. В этом источнике ультрафиолетовое излучение преобразуется с помощью люминофора в видимое излучение.

Лампа представляет собой стеклянную колбу (длинный цилиндр) с нанесенным на внутренней поверхности слоем люминофора, рис.:

В торцах колбы укреплены вольфрамовые спиральные электроды. В лампу вводят каплю ртути, которая испаряется при зажигании разряда, и некоторое количество инертного газа (аргон, неон), который способствует увеличению срока службы лампы и улучшению условий возбуждения атомов ртути. При подключении лампы к источнику возникает электрический разряд, возбуждающий излучение паров ртути. Тонкий слой люминофора фотолюминесцирует под воздействием излучения паров ртути. Спектр люминесценции можно менять, подбирая подходящий спектр фотолюминесценции. На рис. показан спектр, резкие максимумы которого соответствуют спектру паров ртути, излучение которых проходит через люминофор.

Среди люминесцентных ламп широко используется лампа дневного света с голубоватым свечением, применяемая для освещения помещений общественных и жилых зданий, промышленных предприятий. Люминесцентные лампы имеют мощность 4-200 Вт, световая отдача до 85 лм/Вт, срок службы до 15 000 часов (для сравнения приведены параметры лампы накаливания: мощность до десятков кВт, световая отдача: 10-35 лм/Вт, срок службы от 5 до 1000 часов).

Рис. Спектр, резкие максимумы которого соответствуют спектру паров ртути

Фотобиологические, процессы – процессы, которые начинаются с поглощения квантов света биологически функциональными молекулами и заканчиваются соответствующей физиологической реакцией в организме или тканях.

Результат таких процессов может быть как позитивным, так и негативным.

К фотобиологическим процессам относятся:

фотосинтез – синтез органических молекул за счет энергии солнечного света;

фототаксис - движение организмов (например, бактерий) к свету или от света;

фототропизм - поворот листьев (стеблей) растений к свету или от него; -

фотопериодизм - регуляция суточных и годовых циклов животных путем циклических воздействий «свет–темнота»;

зрение - восприятие света глазом, сопровождающееся превращением световой энергии в энергию нервного импульса в сетчатке глаза или в аналогичных фоторецепторах; помутнение хрусталика;

световые воздействия на кожу – эритема, эдема, загар, пигментация, ожог, рак кожи.

Квантовый выход фотохимической реакции j_х, показывающий, какая часть молекул, поглотивших фотоны, вступила в фотохимическую реакцию (число прореагировавших молекул): j_x =(N/N_n) 100 %, где N – число молекул, которые после поглощения фотона вступили в фотохимическую реакцию; N_n – общее число молекул, поглотивших фотоны. Если бы каждый поглощенный фотон вызывал реакцию, то квантовый выход равнялся бы 100%. Однако обычно j_x не превышает нескольких процентов или долей процента.

ИК

Инфракрасным (ИК) называют электромагнитное излучение, занимающее область между красной границей видимого света (760 нм) и коротковолновым радиоизлучением (l = 1–2 мм). ИК излучение обычно условно разделяют на ближнюю (0, 76–2, 5 мкм), среднюю (2, 5–50 мкм) и дальнюю (50–2000 мкм) области. В соответствии с законом Вина, чем меньше температура нагретого тела, тем на большую длину волны приходится максимум его излучения и тем большая часть спектра находится в инфракрасной области. Так, в спектре излучения Солнца (температура его поверхности –6000 К) на долю ИК излучения приходится около 50% общей энергии, а в спектре излучения ламп накаливания (температура вольфрамовой спирали 2800 К) –около 90%. При еще меньших температурах видимое излучение вообще отсутствует, и все •свечение приходится на ИК область. Например, ИК лучи испускают горячий утюг, тела человека и животных и т. п. Пользуясь законом Вина, можно вычислить температуры, при которых максимум излучения приходится на ИК область: Т = 0, 289·10^–2 м·К ê l _М – постоянная Вина. Подставляя сюда значения граничных волн ИК спектра, т.е. l _1М = 760 нм и l _2М = 2 мм, получаем: Т ₁ = 3800 К и Т ₂ = 1, 45 К.

Для регистрации и измерения ИК излучения используют приемники двух типов: тепловые и фотоэлектрические, а также специальные фотоэмульсии. В различных областях науки и народного хозяйства широко применяют инфракрасную фотографию.

В зависимости от типа излучателя ИК спектр может быть сплошным или линейчатым. Непрерывный спектр излучают нагретые твердые тела, а линейчатые образуются возбужденными атомами газа. Инфракрасную спектроскопию используют для исследования биологических объектов, в частности живых клеток. Поглощение и отражение ИК излучения различными веществами иные, чем видимого излучения. Вода, прозрачная для видимого света, хорошо поглощает инфракрасные лучи, особенно если в ней растворить немного медного купороса. Поэтому, когда необходимо предупредить нагрев какого-нибудь освещаемого предмета, между ним и источником света помещают кювету с водой. Напротив, если нужно поглотить видимый свет, а инфракрасный пропустить, то берут черные растворы йода в сероуглероде. Обычное стекло не пропускает ИК лучи с длиной волны более 1, 5–2 мкм. Непрозрачные для видимого света полупроводники прозрачны для ИК лучей. Так, кремний прозрачен для длин волн более 1 мкм. Излучение с длинами волн от 100 мкм до 1 мм хорошо проходит через полиэтилен, полистирол, парафин, и из этих веществ изготавливают приборы для инфракрасной оптики – призмы, линзы и пр.

Значительное поглощение ИК излучения водой и ее парами имеет важное значение для теплового баланса нашей планеты. Благодаря сильному поглощению водяными парами земной атмосферы лишь небольшая часть теплового излучения Земли уходит в космическое пространство, и поэтому атмосфера представляет собой своеобразную теплоизолирующую оболочку, препятствующую охлаждению Земли за счет излучения.

Аналогичное явление лежит в основе парникового эффекта. Внутренний объем парника и грунт нагреваются светом, проникающим через стеклянные рамы, специальными нагревателями, а также теплом, выделяющимся в результате происходящих в почве биопроцессов. Нагретый грунт испускает ИК излучение, которое поглощается стеклом, превращается опять в теплоту и возвращается в парник. Таким образом, стеклянные рамы предотвращают потери тепла с ИК излучением. В последнее время на смену стеклу приходят полиамидные пленки, которые в отличие от стекла пропускают внутрь парника не только видимый свет, но и ультрафиолетовое излучение, поглощая вместе с тем ИК лучи. Легкие полиамидные пленки удобнее в применении, чем стекло, и парниковый эффект проявляется сильнее.

Большое применение нашли инфракрасные лучи для промышленной сушки разнообразных изделий: свежепокрашенных автомобилей, мебели, пороха, а также фруктов, овощей, влажного зерна. При сушке предметов, пропитанных влагой, ИК лучи поглощаются водой и мало поглощаются самими предметами. Вода испаряется, а предметы почти не нагреваются, а следовательно, не испытывают механических деформаций или химических превращений.