|
|
|||
|
БІОСИСТЕМИ. БІОСФЕРА
ЕКОСИСТЕМИ. ПОПУЛЯЦІЇ
ОРГАНІЗМИ У ДОВКІЛЛІ
ЛЮДСТВО ТА ЙОГО ДОЛЯ
|
|||
|
V-11. Склад сонячної радіації |
V-12. Поглинання сонячної радіації атмосферою та парниковий ефект → |
||
V-11. Склад сонячної радіації і її біологічні ефекти
Будь-яке тіло, температура якого відрізняється від абсолютного нуля, випромінює електромагнітне випромінювання (ЕМВ). Що вища температура цього тіла, то більше енергії воно випромінює. Крім того, зі збільшенням температури зменшується довжина хвилі, на якій випромінюється основна кількість енергії. Так, температура зовнішньої поверхні Сонця становить близько 6000 К (кельвінів, градусів від абсолютного нуля), і максимум випромінювання Сонця припадає на видиму область спектра, з довжиною хвилі близько 550 нм. Світність Сонця (сумарно по всіх довжинах хвиль) становить 3,8×1026 Вт.
Земля набагато холодніша, і температура її поверхні складає всього близько 300 К. Звісно, Земля випромінює набагато менше енергії, ніж Сонце, і її максимум припадає на довжину хвилі 10 000 нм, що відповідає далекому інфрачервоному випромінюванню.
За межами Землі кожен квадратний сантиметр перпендикулярної сонячним променям поверхні отримує близько 2 калорій за хвилину (точніше — 1,93 кал/см2 за хв.). Ця величина називається сонячною сталою величиною. Інакше її можна виразити як 1400 Дж на 1м2 за секунду, а щільність потоку енергії сонячного випромінювання становить 1,4 кВт/м2. 40% енергії відбивається в космос, 15% поглинається атмосферою. Зрештою, надходження енергії від Сонця компенсується тепловим випромінюванням Землі.
Загалом спектр електромагнітного випромінювання складається з таких частин (рис. V-11.1):
< 150 нм — іонізувальне випромінювання, рентгенівське та гамма-випромінювання;
150–400 нм — ультрафіолетове випромінювання (УФ);
400–800 нм — видиме світло;
800–1000 нм — інфрачервоне випромінювання (ІЧ);
> 1000 нм — дальнє інфрачервоне випромінювання, за ним надвисокі частоти (НВЧ) або ж мікрохвилі (ті самі, що використовані в мікрохвильовках), а ще далі — радіодіапазон (аж до 100 м).
Рис. V-11.1. Спектр частот електромагнітних коливань
Електромагнітне випромінювання (ЕМВ) має безліч різноманітних впливів на організми. Читач цього тексту сприймає його завдяки зору. Його тіло обмінюється інфрачервоним випромінюванням із навколишніми предметами. Влітку він засмаг 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 іонізуючої радіації. Час від часу він проходив діагностичні процедури, під час яких його тіло просвічували рентгенівськими променями. Земні організми живуть у середовищі, насиченому ЕМВ різної довжини хвилі та інтенсивності. Слід зазначити, що до природних джерел людство додало безліч штучних, особливо в радіодіапазоні. Різноманітність впливів цих випромінювань на організми ще до кінця не вивчена. Не претендуючи на повноту, можна перелічити наступні біологічні ефекти, пов'язані з електромагнітним випромінюванням Сонця та інших джерел.
1. Фотосинтез. Синтез органічних речовин із неорганічних завдяки енергії світла. У загальній формі рівняння фотосинтезу може бути записано у вигляді
6CO2 + 12H2O = C6H12O6 + 6O2 + 6H2O.
Необхідна для цієї реакції енергія вловлюється і перетворюється на молекулу хлорофілу. Хлорофіл має максимуми поглинання в червоній та синій частинах спектра, проте завдяки значній кількості додаткових пігментів, що вловлюють енергію квантів світла і передають її хлорофілу, рослини можуть використовувати весь видимий спектр, а також частину ІЧ- та УФ-діапазонів.
2. Зорова рецепція. Зір — один із головних каналів отримання інформації для людини та багатьох інших видів. Еволюція органів зору починається від примітивної світлочутливості поверхні тіла багатьох тварин і призводить до високо досконалих очей-камер хребетних і головоногих молюсків, а також фасеткових очей членистоногих.
Фоторецептори можуть бути чутливими 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. Деревні, а також літаючі або плаваючі в товщі води при гарному освітленні тварини частіше мають кольоровий зір.
3. Нагрівання при поглинанні світлового та інфрачервоного випромінювання — важливий спосіб терморегуляції у багатьох тварин. Для гомойотермних тварин менш важливий, ніж для пойкілотермних, але широко поширений і в них (кожному з нас доводилося грітися на сонці або в променях вогнища або каміна).
4. Фототаксиси. Переміщення у напрямку джерела світла (при позитивному фототаксисі) або від нього (при негативному).
5. Фототропізми. Орієнтація стосовно джерела світла. Характерні для сидячих тварин та рослин. Ростові рухи призводять 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 та зміною тургору.
6. Компасові реакції. Багато видів при переміщенні прагнуть зберігати постійний кут щодо напрямку світлових променів. Спіральний рух нічних метеликів на вогонь свічки є прикладом дії таких реакцій. Серед різних тварин під час руху поширена орієнтація на Сонце та зірки. Комахи здатні бачити площину поляризації світлового випромінювання і, використовуючи її, орієнтуватися по Сонцю навіть за умов суцільної хмарності.
7. Регулювання добової активності. У значної частини тварин добовий цикл залежить від рівня освітленості. Динаміка зміни дня та ночі задає колодобові (циркадні) біоритми. У підтримці цих біоритмів велику роль відіграють внутрішні коригувальники ритму. Усунення циркадних ритмів в експериментальних умовах доводить, що в нормі вони постійно коригуються зі зміною дня та ночі. Не слід плутати добові ритми із сезонними, часто регульованими завдяки фотоперіодизму.
8. Фотореакція. У багатьох випадках видиме світло є фактором, що стимулює проростання насіння або формування плодових тіл у грибів.
У людини, як, певно, і в інших хребетних, існують реакції, що залежать від загального рівня освітленості, а не динаміки зміни дня та ночі або довжини світлового дня. У темряві збільшується активність епіфіза (пінеальної залози, рудименту тім'яного ока). У багатьох хребетних рептильного рівня організації тім'яне око оцінює потік світлової та теплової енергії, що розігріває тіло. Епіфіз виділяє гормон мелатонін, що впливає на гіпоталамо-гіпофізарну систему та пригнічує через неї активність репродуктивної системи.
9. Фітохромне регулювання у рослин. У регуляції фізіологічних процесів багатьох рослин ключову роль грає білок фітохром. Він є «перемикачем», що змінює перебіг реакцій у клітинах рослин (наприклад, забезпечуючи перехід від зростання до розмноження). Під дією червоного світла фітохром активується і запускає багато клітинних реакцій. Перехід у неактивну форму відбувається у темряві чи під впливом далекого червоного світла.
10. Іонізація під впливом випромінювання. Взаємодіючи з молекулами речовини, короткохвильовий квант випромінювання віддає їм свою енергію, іонізуючи їх. Іонізувальний ефект випромінювання суттєво залежить від його довжини хвилі. У малих дозах іонізувальне випромінювання необхідне, і без нього навіть не відбувається розподіл клітин. Його оптимальний рівень відповідає природному тлу. Малі дози, що перевищують фон, при короткостроковій дії мають чіткий стимулювальний вплив. Великі дози викликають променеву хворобу, що супроводжується загибеллю в тканинах клітин, які інтенсивно діляться, і порушенням багатьох життєвих функцій через накопичення у клітинах іонізованих молекул.
11. Фотохімічні реакції. У широкому значенні фотохімічні реакції повинні включати й фотосинтез, проте через важливість цього процесу для біосфери загалом, ми розглянули його окремо. За рахунок енергії світла або ультрафіолетового випромінювання можуть йти також інші реакції, найважливішою з яких є синтез вітаміну D (ергокальциферолу) з відповідного попередника. Таким чином, за рахунок енергії кванта ультрафіолету цей важливий регулятор обміну кальцію і фосфору утворюється не тільки в шкірі людини, але навіть у тканинах рослин.
12. Дезінфекція ультрафіолетом. УФ-випромінювання є слабо іонізувальним і має невисоку проникливу здатність. У макроорганізмів ультрафіолет проникає лише в поверхневі шари покривів, а мікроорганізми просвічуються їм наскрізь. Тому дози ультрафіолету, відносно безпечні для великих організмів, мають сильну дезінфекційну дію. Це використовують у лікарнях, здійснюючи дезінфекцію за допомогою ультрафіолетової лампи.
13. Загар і сонячні опіки шкіри від ультрафіолету. Хоча ультрафіолет затримується в шкірі, він все ж здатний проникати на ту глибину, де знаходяться живі клітини, що діляться. Саме з цією його здатністю пов'язано утворення в шкірі людини вітаміну D. Шкіра європейців біла саме для того, щоб в умовах невисокого ультрафіолетового опромінення в ній все-таки міг утворюватися цей вітамін. Водночас надлишкове УФ-опромінення клітин шкіри може пошкоджувати генетичний апарат і стати причиною раку шкіри. Саме тому організм сам знищує (шляхом запрограмованої клітинної загибелі, апоптозу) ті клітини, які зазнали надмірної дії ультрафіолетового випромінювання. Місцева реакція, пов'язана із загибеллю клітин, називається сонячним опіком. Коли організм отримав достатню кількість вітаміну D, щоб зменшити несприятливі наслідки опромінення ультрафіолетом, у шкірі посилюється синтез темного пігменту меланіну, що забезпечує засмагу і затримує ультрафіолет.