kub
Островок  здоровья

----
  
записная книжка врача акушера-гинеколога Маркун Татьяны Андреевны
----
 
 
 

Свет и биологические процессы, связанные со светом

Свойства и физическую природу света, а также взаимодействие света с веществом рассматривают в разделе физики - физическая оптика.

Свет - это излучение. Тела, от которых исходит свет, являются источниками света. Источники света подразделяются на:

  • естественные - Солнце, звезды, атмосферные разряды, а также светящиеся объекты животного и растительного мира (светлячки, гнилушки и пр.)
  • искусственные - подразделяются в зависимости от способа получения излучения
    • тепловые - электрическая лампочка, пламя газовой горелки, пламя свечи и др.
    • люминисцентные - газосветные и люминисцентные лампы

Представления о природе света в течение длительного времени постоянно изменялись. В настоящее время на основании световых явлений установлено, что свет представляет собой:

  • излучение электромагнитной волны (волновая теория света) [показать] .
  • поток световых частиц - излучение корпускул, именуемых также фотонами или квантами излучения (квантовая теория света) [показать] .

Таким образом, свет переносится в виде отдельных (дискретных) небольших порций энергии, называемых фотонами или квантами, которые лишены электрического заряда. Фотоны - это элементарные физические частицы, подобные протонам и электронам. Одновременно свет проявлет себя и как волна; свету различного цвета (т.е. разным областям спектра) присуща определенная длина волны, или частота.

Все виды электромагнитного излучения - от очень коротковолновых рентгеновских лучей, через ультрафиолет, видимый свет и инфракрасные лучи, до самой длинноволновой области спектра - радиоволн - представляют собой различные формы одного и того же явления, различающиеся только длиной волны и энергией фотона.

Для нашей планеты наиболее важным источником света является лучистая энергия Солнца, которая возникает из ядерной энергии: при очень высоких температурах в недрах Солнца атомы водорода превращаются в атомы гелия, что сопровождается освобождением энергии первоначально в виде гамма-лучей. Реакция протекает согласно уравнению 4Н -> Не4 + 2е + hν,
где h - постоянная Планка, а ν - длина волны гамма-излучения. В конечном счете в результате взаимодействия гамма-лучей с электронами снова выделяется энергия в виде фотонов световой энергии, которая испускается Солнцем.

Достигая поверхности планеты фотоны световой энергии взаимодействуют с молекулами объектов окружающей среды и живыми организмами. В результате этого взаимодействия (столкновения кванта с молекулой) происходит либо испускание электрона, либо его переход на другую орбиталь, более удаленную от ядра (т.е. с большей энергией) [показать] .

Поглощение кванта света, например, металлической пластинкой, приводит к испусканию электронов, причем число испускаемых электронов пропорционально числу фотонов, достигших пластинки (на этом основано определение времени экспозиции в фотографии).

Существует определенное количественное соотношение между числом поглощенных квантов и числом активированных молекул.

Один квант света активирует одну молекулу.

Для перевода 1 моля вещества (6x1023 молекул) в возбужденное состояние необходимо 6x1023 фотонов. Эта величина (т.е. энергия "одного моля" фотонов) получила название Эйнштейна.

Используя соответствующие константы, можно рассчитать, что энергия в 1 эйнштейн равна частному от деления 2854 x 107 кал на длину волны в нанометрах.

Так, для синего света (длина волны 450 нм) один эйнштейн соответствует 64 000 кал, а для красного света (660 нм) - 43 000 кал. Т.о., кванты света разной длины волны обладают различной энергией - кванты синего света имеют большую энергию, чем кванты красного света.

Переход электрона на новую орбиталь вызывает перераспределение электронного заряда в молекуле, химические свойства которой зависят от энергии связей и от плотности заряда в различных ее участках. Поэтому возбуждение электрона приводит к образованию новой молекулы, обладающей обычно большей реакционной способностью по сравнению с молекулой в основном состоянии. Такие молекулы способны участвовать в фотохимических реакциях.

Для фотохимических реакций особенно большое значение имеют неподеленные пары электронов, содержащиеся в молекулах с атомом азота и кислорода и не участвующие в образовании связей. Эти два электрона, расположенные на одной и той же орбитали, должны быть спарены, т. е. должны иметь противоположные спины. Когда один из них активируется за счет поглощения фотона и переходит на одну из внешних орбиталей (на более высокий энергетический уровень), то их спины могут иметь противоположное (синглетное состояние) или одинаковое (триплетное состояние) направление.

Вероятность прямого перехода из основного состояния в триплетное чрезвычайно мала. Обычно триплетное состояние достигается путем внутренней конверсии из синглетного состояния той же электронной конфигурации. Переход возбужденной молекулы, находящейся в синглетном состоянии, в основное состояние сопровождается флуоресценцией. Время затухания флуоресценции очень мало (10-8 с) и не зависит от температуры. Переход из возбужденного синглетного состояния в триплетное состояние сопровождается фосфоресценцией. Это значительно более длительный процесс, продолжающийся от 10-4 до 1 с.

Однако наиболее важные с биологической точки зрения биохимические реакции не связаны с испусканием света; они представляют собой безызлучательные переходы из триплетного состояния в основное, при которых энергия не выделяется в виде света, а передается химическим соединениям, реагирующим в какой-то другой системе. Участие в химических реакциях молекул, находящихся в триплетном состоянии и имеющих большое время жизни, значительно более вероятно, чем участие в них синглетного состояния. При фотосинтезе такой безызлучательный переход из триплетного состояния в основное претерпевает лишь одна молекула - молекула хлорофилла.

Энергия, необходимая для перехода электрона с одной орбитали на другую, определяется разностью между энергетическими уровнями, соответствующими этим двум орбиталям. Поскольку энергия фотона должна быть использована целиком (квант не может быть использован частично), поглощаются только те фотоны, энергия которых вызывает переход электронов на соответствующую орбиталь.

Различные объекты имеют различные спектры поглощения, по которым можно идентифицировать вещества, входящие в состав объекта (выделенные из растительной или животной клетки) и определить энергию перехода электрона с заполненной внутренней орбитали на незаполненную внешнюю. Для этого пропускают свет разной длины волны через раствор исследуемого вещества и отмечают длины волн, которые при этом поглощаются. Таким образом устанавливают спектр поглощения данного вещества. Если, например, максимум поглощения приходится на 660 нм (красная область), то это значит, что для перехода электрона с заполненной внутренней орбитали на незаполненную внешнюю необходимо около 43 000 кал на 1 моль.

Живые организмы для своей жизнедеятельности поглощают лучистую энергию солнечного света и используют ее в различных фотобиологических процессах:

  1. процессе фотосинтеза биологически важных соединений [показать] .
  2. процессе, не связанном с увеличением энергии системы и химическим синтезом [показать] .
  3. процессе, результатом которого является поражение живой структуры, деструкция биологически важных соединений [показать] .
  4. процессе, результатом которого является стимулирующее действие света [показать] .
  5. процессе фотореактивации [показать] .

Реализация фотобиологического процесса осуществляется за счет фотохимических реакций [показать] для запуска которых необходимым условием является поглощение света объектом.

Стадии фотохимической реакции

  • Первая стадия - световая

    Эта стадия представляет собой чисто физический процесс - поглощение одного фотона (одного кванта излучения) одной молекулой. Молекула переходит при этом в возбужденное состояние:

    А + hv -> А*,


    где А - молекула вещества, поглощающая свет (часто этой молекулой является молекула пигмента, например молекула родопсина или хлорофилла); А* - та же молекула, но в возбужденном состоянии после поглощения кванта излучения hv.

    Процесс возбуждения представляет собой акт запасания энергии молекулой. Электроны молекулы, участвующие в поглощении квантов, переходят при этом с основного энергетического уровня на более высокий уровень. Общая энергия молекулы повышается при этом на величину энергии поглощенного кванта.

    Процесс возбуждения молекулы обратим. Молекула может за очень короткое время (10-12-10-8 с) растратить запасенную энергию в тепло или высветить квант люминесценции и перейти в исходное невозбужденное состояние. Возбужденная молекула, обладая избыточным запасом энергии, может вступить в фотохимические реакции, которые в темноте термодинамически невозможны.

    Вступая во взаимодействие с окружающими молекулами, воспринимая или отдавая электрон, возбужденная молекула превращается в радикал, ион или ион-радикал. Образовавшиеся радикалы и ион-радикалы называются первичными восстановителями или первичными окислителями. На этом условно световая стадия фотохимической реакции заканчивается.

  • Вторая стадия - темновая

    Образовавшиеся первичные восстановители и первичные окислители - радикалы - содержат неспаренные электроны на внешних орбитах и поэтому обладают высокой химической активностью. Они способны уже в темноте осуществлять окислительно-восстановительные реакции.

    Первичные восстановители и первичные окислители вступают в сопряжение с биохимическими реакциями и изменяют их. Изменение биохимических реакций приводит к изменению общефизиологического состояния организма и к совершению какого-либо физиологического акта.

Таким образом, всякий фотобиологический процесс можно представить следующей схемой: поглощение квантов - фотохимические реакции - химические и биохимические реакции - физиологический акт. В качестве физиологических актов можно назвать следующие: выделение кислорода при фотосинтезе, движение листьев у растений навстречу солнцу, реакция животного на освещение, гибель организма при сильном облучении и т.д.

Приведенный путь фотобиологического процесса является не единственным. Энергия возбужденной молекулы может расходоваться еще по нескольким направлениям (рис. 3.), кроме основного, рассмотренного выше:

  1. высвечиваться (люминесценция);
  2. переходить в тепло;
  3. передаваться другой молекуле (миграция энергии);
  4. молекула может переходить в триплетное состояние. После миграции энергии или перехода молекулы в триплетное состояние снова могут происходить дальнейшие фотохимические превращения.

Страница 1 2 3 4 5 6 всего страниц: 6



 
 

Куда пойти учиться



 

Виртуальные консультации

На нашем форуме вы можете задать вопросы о проблемах своего здоровья, получить поддержку и бесплатную профессиональную рекомендацию специалиста, найти новых знакомых и поговорить на волнующие вас темы. Это позволит вам сделать собственный выбор на основании полученных фактов.

Медицинский форум КОМПАС ЗДОРОВЬЯ

Обратите внимание! Диагностика и лечение виртуально не проводятся! Обсуждаются только возможные пути сохранения вашего здоровья.

Подробнее см. Правила форума  

Последние сообщения



Реальные консультации


Реальный консультативный прием ограничен.

Ранее обращавшиеся пациенты могут найти меня по известным им реквизитам.

Заметки на полях


навязывание услуг компании Билайн, воровство компании Билайн

Нажми на картинку -
узнай подробности!

Новости сайта

Ссылки на внешние страницы

20.05.12

Уважаемые пользователи!

Просьба сообщать о неработающих ссылках на внешние страницы, включая ссылки, не выводящие прямо на нужный материал, запрашивающие оплату, требующие личные данные и т.д. Для оперативности вы можете сделать это через форму отзыва, размещенную на каждой странице.
Ссылки будут заменены на рабочие или удалены.

Тема от 05.09.08 актуальна!

Остался неоцифрованным 3-й том МКБ. Желающие оказать помощь могут заявить об этом на нашем форуме

05.09.08
В настоящее время на сайте готовится полная HTML-версия МКБ-10 - Международной классификации болезней, 10-я редакция.

Желающие принять участие могут заявить об этом на нашем форуме

25.04.08
Уведомления об изменениях на сайте можно получить через раздел форума "Компас здоровья" - Библиотека сайта "Островок здоровья"

Островок здоровья

 
----
Чтобы сообщить об ошибке на данной странице, выделите текст мышью и нажмите Ctrl+Enter.
Выделенный текст будет отправлен редактору сайта.
----
 
Информация, представленная на данном сайте, предназначена исключительно для образовательных и научных целей,
не должна использоваться для самостоятельной диагностики и лечения, и не может служить заменой очной консультации врача.
Администрация сайта не несёт ответственности за результаты, полученные в ходе самолечения с использованием справочного материала сайта
Перепечатка материалов сайта разрешается при условии размещения активной ссылки на оригинальный материал.
© 2008 blizzard. Все права защищены и охраняются законом.



 
----