Экология: биология взаимодействия. 5.13. Биологические эффекты электромагнитной радиации

Українська мова (найновіша версія) / російська версія (оновлення припинено)

5.12. Склад сонячного випромінювання

Д. Шабанов, М. Кравченко. Екологія: біологія взаємодії
Глава 5. Аутекологія і основи середовища

5.14. Поглинання сонячного випромінювання атмосферою

5.13. Біологічні ефекти електромагнітного випромінювання
ЕМІ чинить безліч різноманітних впливів на організми. Читач цього тексту сприймає його завдяки зору. Його тіло обмінюється інфрачервоним випромінюванням з навколишніми предметами. Влітку він загорів на сонці. Від яскравого сонячного світла у нього покращується настрій, а в темряві йому хочеться спати. Йому необхідно оберігати себе від контакту з радіоактивними предметами — джерелами іонізуючого випромінювання. Іноді він проходив діагностичні процедури, під час яких його тіло просвічували рентгенівськими променями…
Земні організми живуть у середовищі, насиченому ЕМІ різної довжини хвилі та інтенсивності. Слід зазначити, що до природних джерел людство додало безліч штучних, особливо у радіодіапазоні. Різноманітність впливів цих випромінювань на організми ще до кінця не вивчена.
Не претендуючи на повноту, можна назвати наступні біологічні ефекти, пов’язані з електромагнітним випромінюванням Сонця та інших джерел.
1. Фотосинтез. Синтез органічних речовин з неорганічних за рахунок енергії світла. У найзагальнішій формі рівняння фотосинтезу може бути записане у вигляді
6CO2 + 12H2O = C6H12O6 + 6O2 + 6H2O.
Необхідна для цієї реакції енергія улавлюється і перетворюється молекулою хлорофілу. Хлорофіл має максимуми поглинання в червоній і синій частинах спектра, проте завдяки значній кількості додаткових пігментів, що улавлюють енергію квантів світла і передають її хлорофілу, рослини можуть використовувати весь видимий спектр, а також частину ІК‑ і УФ‑діапазонів.
2. Зорове сприйняття. Зір — один із головних каналів отримання інформації для людини і для багатьох інших видів. Еволюція органів зору починається від примітивної світлочутливості поверхні тіла багатьох тварин і приводить до високосовершених очей‑камер хребетних і головоногих молюсків, а також фасеточних очей членистоногих.
Фоторецептори можуть бути чутливі до всього видимого діапазону (у хребетних вони називаються паличками) або лише до певної частини спектра (колбочки). У нічних тварин, для яких важливіша загальна чутливість очей, зір, як правило, чорно‑білий. Дерев’яні, а також літаючі або плаваючі у товщі води при хорошому освітленні тварини частіше мають кольорове зір.
3. Нагрівання при поглинанні світлового та інфрачервоного випромінювання. Важливий спосіб терморегуляції у багатьох тварин. Для гомойотермічних тварин менш важливий, ніж для пойкілотермічних, але широко поширений і у них (кожному з нас доводилося грітися на сонячному промені або в променях вогнища чи каміна).
4. Фототаксис. Переміщення в напрямку до джерела світла (при позитивному фототаксисі) або від нього (при негативному).
5. Фототропізми. Орієнтація щодо джерела світла. Характерні для сидячих тварин і рослин. Рістові рухи приводять до переміщення в напрямку світла (при позитивному фототропізмі, характерному для стебел) або від нього (при негативному фототропізмі, як для коренів). Фотонастії — рухи органів рослини, викликані зміною інтенсивності світла. Пов’язані з ростовими процесами і зміною тургору.
6. Компасні реакції. Багато видів при переміщенні прагнуть зберігати постійний кут щодо напрямку світлових променів. Спіральний рух нічних метеликів до вогню свічки — приклад дії таких реакцій. Серед різних тварин поширена орієнтація при русі до Сонця і зірок. Комахи здатні бачити площину поляризації світлового випромінювання і, використовуючи її, орієнтуватися за Сонцем навіть за умов сплошної хмарності.
7. Регуляція добової активності. У значної частини тварин добовий цикл залежить від рівня освітленості. Динаміка зміни дня і ночі задає околосуткові (циркадичні) біоритми. У підтриманні цих біоритмів велику роль відіграють внутрішні драйвери ритму. Зміщення циркадичних ритмів в експериментальних умовах доводить, що в нормі вони постійно коригуються за зміною дня і ночі. Не слід плутати добові ритми з сезонними, часто регульованими завдяки фотоперіодизму.
8. Фотореакції. У багатьох випадках видиме світло є фактором, що стимулює проростання насіння або формування плодових тіл у грибів.
У людини, як, вірогідно, і інших хребетних, існують реакції, що залежать від загального рівня освітленості, а не динаміки зміни дня і ночі або тривалості світлового дня. У темряві збільшується активність епіфізу (шишкоподібної залози, рудимента теменного ока). У багатьох хребетних рептильного рівня організації теменне око оцінює потік нагріваючої тіло світлової та теплової енергії. Епіфіз виділяє гормон мелатонін, що впливає на гіпоталамо‑гіпофізарну систему і придушує через неї активність репродуктивної системи.
9. Фітохромна регуляція у рослин. У регуляції фізіологічних процесів багатьох рослин ключову роль відіграє білок фітохром. Він є «перемикачем», що змінює протікання реакцій у клітинах рослин (наприклад, забезпечуючи перехід від росту до розмноження). Під дією червоного світла фітохром активується і запускає багато клітинних реакцій. Перехід у неактивну форму відбувається в темряві або під дією далекого червоного світла.
10. Іонізація під дією випромінювання. Взаємодіючи з молекулами речовини, коротковолновий квант випромінювання віддає їм свою енергію, іонізуючи їх. Іонізуючий ефект випромінювання суттєво залежить від його довжини хвилі. У малих дозах іонізуюче випромінювання абсолютно необхідне, і без нього навіть не відбувається поділ клітин. Його оптимальний рівень відповідає природному фону. Малі дози, що перевищують фон, при короткостроковій дії проявляють виразний стимулюючий вплив. Великі дози викликають променеву хворобу, супроводжувану загибеллю клітин у інтенсивно ділячих тканинах і порушенням багатьох життєвих функцій через накопичення в клітинах іонізованих молекул.
11. Фотохімічні реакції. У широкому сенсі фотохімічні реакції мають включати і фотосинтез, проте через важливість цього процесу для біосфери в цілому ми розглянули його окремо. За рахунок енергії світла або ультрафіолетового випромінювання можуть відбуватись і інші реакції, найважливішою з яких є синтез вітаміну D (ергокальциферолу) з відповідного попередника. Таким чином, за рахунок енергії кванту ультрафіолету, цей важливий регулятор обміну кальцію і фосфору утворюється не лише у шкірі людини, а й навіть у тканинах рослин.
12. Дезінфекція ультрафіолетом. УФ‑випромінювання є слабоіонізуючим і має низьку проникаючу здатність. У макроорганізмів ультрафіолет проникає лише у поверхневі шари покривів, а мікроорганізми просвічуються ним наскрізь. Тому дози ультрафіолету, відносно безпечні для великих організмів, мають сильний дезінфекційний ефект. Це використовують у лікарнях, здійснюючи дезінфекцію за допомогою ультрафіолетової лампи.
13. Загар і сонячні опіки шкіри від ультрафіолету. Хоча ультрафіолет затримується у шкірі, він все ж може проникати на ту глибину, де знаходяться живі та ділячі клітини. Саме з цією його здатністю пов’язано те, що у шкірі людини може утворюватись вітамін D. Шкіра європейців біла саме для того, щоб за умов низького ультрафіолетового опромінення в ній все ж мог би утворюватись цей вітамін. Водночас надмірне УФ‑опромінення клітин шкіри може пошкоджувати в них генетичний апарат і стати причиною раку шкіри. Саме тому організм сам знищує (шляхом самопровідної клітинної смерті, апоптозу) ті клітини, які піддалися надмірному впливу ультрафіолетового випромінювання. Місцева реакція, пов’язана зі загибеллю клітин, називається сонячним опіком. Коли організм отримав достатню кількість вітаміну D, для того, щоб зменшити несприятливі наслідки опромінення ультрафіолетом, у шкірі посилюється синтез темного пігменту меланіну, що забезпечує загар і затримує ультрафіолет.
Додаткові матеріали:
Учбова модель: Дія ЕМІ на організми
Учбова модель: Досвід Енгельмана
Учбова модель: Фотосинтетичні пігменти рослин
Колонка: Про колір шкіри: досвід обговорення однієї адаптації людини з обґрунтуванням далекоідних висновків про специфіку дії екологічних факторів
Колонка: І ще про колір шкіри: чому ми білі і чому ми загоряємо

5.12. Склад сонячного випромінювання

Д. Шабанов, М. Кравченко. Екологія: біологія взаємодії
Глава 5. Аутекологія і основи середовища

5.14. Поглинання сонячного випромінювання атмосферою