Экология: биология взаимодействия. 5.13. Биологические эффекты электромагнитной радиации

 

5.12. Состав солнечной радиации

Д. Шабанов, М. Кравченко. Экология: биология взаимодействия

Глава 5. Аутэкология и основы средоведения

5.14. Поглощение солнечной радиации атмосферой

5.13. Биологические эффекты электромагнитной радиации

ЭМИ оказывает множество разнообразных воздействий на организмы. Читатель этого текста воспринимает его благодаря зрению. Его тело обменивается инфракрасным излучением с окружающими предметами. Летом он загорел на солнце. От яркого солнечного света у него улучается настроение, а в темноте ему хочется спать. Ему необходимо оберегать себя от контакта с радиоактивными предметами — источниками ионизирующей радиации. Иногда он проходил диагностические процедуры, в ходе которых его тело просвечивали рентгеновскими лучами…

Земные организмы живут в среде, насыщенной ЭМИ разной длины волны и интенсивности. Следует отметить, что к естественным источникам человечество добавило множество искусственных, особенно в радиодиапазоне. Многообразие воздействий этих излучений на организмы еще до конца не изучено.

Не претендуя на полноту, можно назвать следующие биологические эффекты, связанные с электромагнитным излучением Солнца и других источников.

1. Фотосинтез. Синтез органических веществ из неорганических за счет энергии света. В самой общей форме уравнение фотосинтеза может быть записано в виде

6CO2 + 12H2O = C6H12O6 + 6O2 + 6H2O.

Необходимая для этой реакции энергия улавливается и преобразуется молекулой хлорофилла. Хлорофилл имеет максимумы поглощения в красной и синей частях спектра, однако благодаря значительному количеству дополнительных пигментов, улавливающих энергию квантов света и передающих ее хлорофиллу, растения могут использовать весь видимый спектр, а также часть ИК- и УФ-диапазонов.

2. Зрительная рецепция. Зрение — один из главных каналов получения информации для человека и для многих других видов. Эволюция органов зрения начинается от примитивной светочувствительности поверхности тела многих животных и приводит к высокосовершенным глазам-камерам позвоночных и головоногих моллюсков, а также фасеточным глазам членистоногих.

Фоторецепторы могут быть чувствительны ко всему видимому диапазону (у позвоночных они называются палочками) или только к определенной части спектра (колбочки). У ночных животных, для которых важнее общая чувствительность глаз, зрение, как правило, черно-белое. Древесные, а также летающие или плавающие в толще воды при хорошей освещенности животные чаще имеют цветное зрение.

3. Нагревание при поглощении светового и инфракрасного излучения. Важный способ терморегуляции у многих животных. Для гомойотермных животных менее важен, чем для пойкилотермных, но широко распространен и у них (каждому из нас приходилось греться на солнцепеке или в лучах костра или камина).

4. Фототаксисы. Перемещение в направлении к источнику света (при положительном фототаксисе) или от него (при отрицательном).

5. Фототропизмы. Ориентация по отношению к источнику света. Характерны для сидячих животных и растений. Ростовые движения приводят к перемещению в направлении света (при положительном фототропизме, характерном для стеблей) или от него (при отрицательном фототропизме, как для корней). Фотонастии — движения органов растения, вызванные изменением интенсивности света. Связаны с ростовыми процессами и изменением тургора.

6. Компасовые реакции. Многие виды при перемещении стремятся сохранять постоянный угол по отношению к направлению световых лучей. Спиральное движение ночных бабочек на огонь свечи — пример действия таких реакций. Среди различных животных распространена ориентация при движении на Солнце и звезды. Насекомые способны видеть плоскость поляризации светового излучения и, используя ее, ориентироваться по Солнцу даже в условиях сплошной облачности.

7. Регуляция суточной активности. У значительной части животных суточный цикл зависит от уровня освещенности. Динамика смены дня и ночи задает околосуточные (циркадианные) биоритмы. В поддержании этих биоритмов большую роль играют внутренние водители ритма. Смещение циркадианных ритмов в экспериментальных условиях доказывает, что в норме они постоянно корректируются по смене дня и ночи. Не следует путать суточные ритмы с сезонными, зачастую регулируемыми благодаря фотопериодизму.

8. Фотореакции. Во многих случаях видимый свет является фактором, стимулирующим прорастание семян или формирование плодовых тел у грибов.

У человека, как, видимо, и других позвоночных, существуют реакции, зависящие от общего уровня освещенности, а не динамики смены дня и ночи или длины светового дня. В темноте увеличивается активность эпифиза (пинеальной железы, рудимента теменного глаза). У многих позвоночных рептильного уровня организации теменной глаз оценивает поток разогревающей тело световой и тепловой энергии. Эпифиз выделяет гормон мелатонин, влияющий на гипоталамо-гипофизарную систему и подавляющий через нее активность репродуктивной системы.

9. Фитохромная регуляция у растений. В регуляции физиологических процессов многих растений ключевую роль играет белок фитохром. Он является «переключателем», изменяющим протекание реакций в клетках растений (например, обеспечивая переход от роста к размножению). Под действием красного света фитохром активируется и запускает многие клеточные реакции. Переход в неактивную форму происходит в темноте или под действием дальнего красного света.

10. Ионизация под действием излучения. Взаимодействуя с молекулами вещества, коротковолновой квант излучения отдает им свою энергию, ионизируя их. Ионизирующий эффект излучения существенно зависит от его длины волны. В малых дозах ионизирующее излучение совершенно необходимо, и без него даже не происходит деление клеток. Его оптимальный уровень соответствует естественному фону. Малые дозы, превышающие фон, при краткосрочном действии оказывают отчетливое стимулирующее воздействие. Большие дозы вызывают лучевую болезнь, сопровождающуюся гибелью клеток в интенсивно делящихся тканях и нарушением многих жизненных функций из-за накопления в клетках ионизированных молекул.

11. Фотохимические реакции. В широком смысле фотохимические реакции должны включать и фотосинтез, однако из-за важности этого процесса для биосферы в целом мы рассмотрели его отдельно. За счет энергии света или ультрафиолетового излучения могут идти и другие реакции, самой важной из которых является синтез витамина D (эргокальциферола) из соответствующего предшественника. Таким образом, за счет энергии кванта ультрафиолета, этот важный регулятор обмена кальция и фосфора образуется не только в коже человека, но даже в тканях растений.

12. Дезинфекция ультрафиолетом. УФ-излучение является слабоионизирующим и обладает невысокой проникающей способностью. У макроорганизмов ультрафиолет проникает только в поверхностные слои покровов, а микроорганизмы просвечиваются им насквозь. Поэтому дозы ультрафиолета, относительно безопасные для крупных организмов, обладают сильным дезинфицирующим действием. Это используют в больницах, осуществляя дезинфекцию при помощи ультрафиолетовой лампы.

13. Загар и солнечные ожоги кожи от ультрафиолета. Хотя ультрафиолет задерживается в коже, он все-таки способен проникать на ту глубину, где находятся живые и делящиеся клетки. Именно с этой его способностью связано то, что в коже человека может образовываться витамин D. Кожа европейцев белая именно для того, чтобы в условиях невысокого ультрафиолетового облучения в ней все-таки мог бы образовываться этот витамин. В то же время избыточное УФ-облучение клеток кожи может повреждать в них генетический аппарат и стать причиной рака кожи. Именно поэтому организм сам уничтожает (путем самопроизвольной клеточной гибели, апоптоза) те клетки, которые подверглись избыточному действию ультрафиолетового излучения. Местная реакция, связанная с гибелью клеток, называется солнечным ожогом. Когда организм получил достаточное количество витамина D, для того, чтобы уменьшить неблагоприятные последствия облучения ультрафиолетом, в коже усиливается синтез темного пигмента меланина, обеспечивающего загар и задерживающего ультрафиолет.

 

Дополнительные материалы:

Учебная модель: Действие ЭМИ на организмы

Учебная модель: Опыт Энгельмана

Учебная модель: Фотосинтетические пигменты растений

Колонка: О цвете кожи: опыт обсуждения одной адаптации человека с обоснованием далекоидущих выводов о специфике действия экологических факторов

Колонка: И ещё о цвете кожи: почему мы белые и почему мы загораем

 

5.12. Состав солнечной радиации

Д. Шабанов, М. Кравченко. Экология: биология взаимодействия

Глава 5. Аутэкология и основы средоведения

5.14. Поглощение солнечной радиации атмосферой