«Итак, роль свободного кислорода в развитии и современном функционировании биосферы не только универсальна, но и двойственна: свободный кислород ...»

Урок 15. СОЛНЕЧНАЯ РАДИАЦИЯ И БИОСФЕРА.

Цели:

1. Определить степень воздействия солнечной радиации на биосферу.

2. Расширить знания о биосфере и солнечной радиации.

За счет притока определенного количества солнечной радиации жизнь на Земле существует в той или иной форме в течение большей части истории Земли, насчитывающей примерно 4,5 млрд. лет. Современная биосфера, как предполагают специалисты, возникла около 2 млрд. лет назад благодаря морским организмам, которые были способны не только фиксировать солнечную энергию в синтезируемых ими органических веществах, но и расщеплять при этом молекулу воды с выделением свободного кислорода.

Молекулярный кислород, выделявшийся морскими организмами, накапливался сотни миллионов лет. Так постепенно сформировался современный состав атмосферы, которая обеспечила защиту живых организмов от ультрафиолетового излучения, тем самым позволив им существовать на Земле.

Итак, роль свободного кислорода в развитии и современном функционировании биосферы не только универсальна, но и двойственна: свободный кислород поддерживает жизнь, но и сам он - продукт жизнедеятельности организмов.

Почти весь кислород атмосферы имеет биологическое происхождение. Ежегодно в ходе фотосинтеза усваивается около 200 млрд. т углекислого газа и выделяется около 145 млрд. т свободного кислорода.

По предлагаемой схеме вспомните, как протекает процесс фотосинтеза. Что поддерживает его на Земле и в результате чего он может прекратиться? Что произойдет с биосферой?

По мере развития жизни на Земле шло накопление кислорода в атмосфере. Лишь малая часть солнечного излучения, достигающего Земли, улавливается и используется в фотосинтезе, но именно она служит источником жизни для всей биосферы.

Определите по рисунку, сколько солнечного излучения необходимо для этого.

Влияние солнечной радиации на биосферу, в том числе и на человека, изучал Александр Леонидович Чижевский (1897-1964 гг.). Его труды о влиянии космических факторов на процессы в биосфере и обоснование положения о зависимости между циклами Солнца и многими явлениями в живой природе заложили основы отечественной космической биологии.

Наиболее детально им была исследована связь между солнечной активностью и распространением инфекционных болезней, проявлениями нервно-психических заболеваний и смертностью населения главным образом от острых сердечно-сосудистых заболеваний, частотой неинфекционных заболеваний, травматизма, миграцией животных, размножением патогенных и непатогенных микробов. Им установлено, что до восхода Солнца у человека повышается реакция флюккуляции - осаждение белков-альбуминов в сыворотке крови, что связано с воздействием на кровь потока элементарных частиц. Обнаружена зависимость между солнечными вспышками и относительным увеличением лейкоцитов, что особенно выражено в приполярных областях увеличением частоты сердечно-сосудистых и сосудисто-мозговых нарушений. Замечено, что повышение солнечной радиации увеличивает процент аварий на транспорте, число первичных проявлений психических заболеваний, ухудшает общее состояние у болеющих людей и т. д.

Наиболее активной в биологическом отношении является ультрафиолетовая часть солнечного спектра. Ультрафиолетовые лучи, попадая на кожу, которая является обширным рецепторным полем, вызывают местные изменения тканевых и клеточных белков, а, воздействуя на рецепторы кожи, рефлекторным путем влияют на весь организм. Под действием ультрафиолетовых лучей, оказывающих фотохимический эффект, образуются биологически активные вещества (гистамин, серотонин и др.) - они стимулируют многие физиологические функции, что проявляется в обще оздоровительном, тонизирующем и профилактическом действии солнечного излучения на организм.

Общестимулирующее действие ультрафиолетовых лучей связано с их воздействием на белковый обмен в организме. В результат этого воздействия стимулируется противомикробная защита организма, увеличивается содержание гемоглобина, улучшаются бактерицидные свойства крови и т. д.

Малые дозы ультрафиолетовых лучей улучшают умственную работоспособность, физическую активность, способствуют заживлению ран, усиливая эпителизацию раневой поверхности, а также активизируют ферментативные процессы, основной обмен веществ, повышают устойчивость к инфекциям и т. д.

Ультрафиолетовые лучи способствуют образованию витамина D, который участвует в фосфорно-кальциевом обмене, обеспечивая проницаемость слизистой оболочки кишечника для ионов кальция, их всасывание и усвоение. Кальций определяет проницаемость клеточных мембран, принимает участие в свертываемости крови, является необходимым материалом для роста костей. Фосфор входит в состав нуклеиновых кислот, фосфопротеидов, многих клеточных компонентов. Дефицит витамина D вызывает нарушение свертывания крови, слабость мышечной системы, ломкость костей, нарушение процесса окостенения, близорукость.

Велико бактерицидное действие ультрафиолетовых лучей. К. А. Тимирязев проделал следующий опыт. На пластинке желатина - питательной среде для микробов - делается посев бактерий, например тифа. Пластинка покрывается непрозрачной для солнечных лучей пленкой, на которой вырезается какое-либо слово, например «тиф». Затем пластинку выставляют на солнце. В тех местах, где непрозрачная пленка мешает доступу солнечных лучей, бактерии активно размножаются, благодаря чему желатин делается мутным и покрывается налетом. А там, где сквозь прорези букв на пластинку попадают лучи солнца, бактерии погибают, желатин остается прозрачным и на пленке явственно выступает написанное слово.

Каков же механизм действия ультрафиолетовых лучей? Вначале заметно раздражение бактерий, утрата способности к многократному воспроизведению вследствие нарушения обмена нуклеиновых кислот, затем происходят коагуляция белков и - гибель. Молодые бактерии более чувствительны к ультрафиолетовым лучам. Под их действ, погибают стафилококки, стрептококки, вирусы гриппа, холерный вибрион, палочка туберкулеза, грибы и их споры, кишечная палочка. Лучи разрушают токсины, т. е. продукты жизнедеятельности столбняка, дизентерии, брюшного тифа, золотистого стафилококка.

Это замечательное свойство ультрафиолетовых лучей относят к одному из механизмов самоочищения окружающей среды. Бактерицидный эффект ультрафиолетовых лучей имеет большое общебиологическое значение.

Естественное ультрафиолетовое излучение способствует санации (от лат. sanatio - лечение, оздоровление) воздуха, воды и почвы. Этот эффект широко используется в практических целях: с помощью специальных бактерицидных ламп, дающих пучок лучей бактерицидного спектра, санируется воздух больничных помещений, школьных и дошкольных учреждений, обеззараживаются продукты питания (например, молоко), питьевая вода.

Действие ультрафиолетовых лучей зависит от длины волн. Так, при длине волн от 400 до 320 нм2 (Нм (нанометр) - единица измерения, равная одной миллиардной доле исходной единицы, 1 нм равен 109 м) проявляется эритемно-загарное действие. Покраснение возникает и при воздействии инфракрасного излучения (ИКИ). Отличие эритемы (Эритема от греч. erythematic - краснота) - распространенное или ограниченное покраснение кожи), полученной от ультрафиолетовых лучей, от эритемы, полученной от инфракрасного излучения, заключается в строгой очерченности контуров. Как правило, эта эритема через некоторое время переходит в загар. Эритема же, развивающаяся от воздействия инфракрасного излучения, в загар не переходит.

Волны с диапазоном от 320 до 275 нм обладают противорахитическим и слабым бактерицидным действием.

В условиях сильного загрязнения атмосферного воздуха ультрафиолетовое излучение легко рассеивается и поглощается загрязнителями. Поэтому нередко жители промышленных городов могут испытывать ультрафиолетовое голодание.

Недостаточность естественного ультрафиолетового излучения наблюдается при работе в темных помещениях, в угольной и горнорудной промышленности, на Крайнем Севере и др.

Ультрафиолетовые лучи с длиной волны от 275 до 180 нм вызывают повреждения тканей. Чрезмерное солнечное облучение может привести к отрицательным явлениям - к поражению кожи (их называют фото токсикозы); органов зрения (возникает так называемая фотоофтальмия - воспаление слизистой глаз, слезотечение, светобоязнь).

Подобное нарушение органов зрения может возникнуть за счет отражения лучей Солнца от поверхности снега (снеговая слепота).

Инфракрасное излучение - другая часть солнечного спектра. Она представлена коротковолновым диапазоном (760-1400 нм) и длинноволновым (1500-2500 нм). Инфракрасное излучение оказывает на организм тепловое воздействие, которое в значительной степени определяется степенью поглощения лучей кожей. Чем короче волны, тем глубже проникновение их в ткани. Длинноволновый спектр инфракрасных лучей в основном действует на терморецепторы кожи. При непродолжительном воздействии на ткани инфракрасное излучение вызывает расширение сосудов, ускоряет рост клеток, усиливает их питание. При длительном воздействии могут возникнуть ожоги, рак кожи; лучи с длиной волны от 1300-1700 нм вызывают поражение органов зрения, может развиться так называемая тепловая катаракта.

Кроме ультрафиолетового и инфракрасного излучений, солнечный спектр включает мощный поток видимого света (400-760 нм). Он оказывает специфическое действие не только на органы зрения, но и на функциональное состояние центральной нервной системы, на реактивность организма.

Наиболее оптимальные условия для работы органов зрения создают длинные волны в диапазоне зеленого и желтого участков. Угнетающее действие оказывает сине-фиолетовый участок спектра. Естественное освещение очень важно для создания соответствующих гигиенических условий, как в быту, так и в производственной деятельности человека. Если через окно не просматривается небосвод, то данное помещение не проникают прямые солнечные лучи. В этих условиях помещение освещается рассеянными лучами, что ухудшается работу органов зрения. Загрязненные окна снижают естественную освещенность до 50-70 %.

Американские ученые установили, что средняя годовая доза облучения от естественной радиации составляет около 100 мбэр, что эквивалентно трем рентгеновским обследованиям грудной клетки. 1-3 % всех случаев рака в год вызывается фоновой радиацией, а от 0,5 до 2 % случаев - облучением в медицинских целях. Увеличение облучения по сравнению с фоновым в 10 раз может привести к появлению дополнительно 2400-9400 заболеваний раком на миллион женщин и 1200 – 4200 случаев на миллион мужчин.

Различаются три группы поражений вследствие радиации:

- соматические (телесные) поражения как результат непосредственного действия облучения;

- соматические поражения как результат отдаленных последствий облучения, которые иногда сказываются спустя десятки лет; поражения генетического характера, которые проявляются в последующих поколениях.

Медико-географические исследования дают возможность выделить районы с повышенной естественной радиацией. Изучение особенностей заболеваемости в этих районах представляет особый интерес, т. к. повышенная радиация способствует возникновению некоторых болезней, в частности, лейкоза.

Вопросы и задания для самоконтроля:

• Какова роль свободного кислорода в развитии и функционировании биосферы?

• Используя схему, докажите биологическое происхождение кислорода атмосферы.

• Что происходит в биологических системах при поглощении лучистой энергии?

• В чем выражается благоприятное действие ультрафиолетовых лучей на организм?

• В чем проявляется неблагоприятное действие на организм ультрафиолетовых лучей?

• От чего зависит действие ультрафиолетовых лучей? Какое влияние это оказывает на организм?

• Как используется в практических целях бактерицидный эффект ультрафиолетовых лучей?

• Что такое эритема? Чем различаются эритемы, развивающиеся от воздействия ультрафиолетовых и инфракрасных лучей?

• Какое действие оказывают инфракрасные лучи на организм?

• Какое действие на организм оказывает поток видимого света?