Солнечный луч
Шрифт:
Какое значение для жизни на Земле имеют волны ультрафиолетового спектра? Вся наиболее коротковолновая область спектра, начиная с вакуумной радиации, легко поглощается молекулами воздуха, воды, стекла, кварца и не достигает биосферы. В диапазоне 4000—1800 А роль лучей различных участков спектра не одинакова. Наиболее богатые энергией коротковолновые лучи сыграли, как мы знаем, существенную роль в образовании первых сложных органических соединений на Земле. Однако эти лучи способствуют не только образованию, но и распаду сложных веществ. Поэтому значительный прогресс форм жизни на Земле наступил лишь после того, как благодаря деятельности зеленых растений наша атмосфера обогатилась кислородом и образовала защитный озоновый шатер. Под его сводами и развернулась эволюция живого, в которой определенную роль играют наиболее длинноволновые ультрафиолетовые лучи (4000—2950 А).
Итак, если иметь в виду не только излучение Солнца, но и земные источники ультрафиолетовых лучей, то интерес и важность для нас представляет
Ультрафиолетовые лучи действуют на вещество, в том числе и живое, по тем же законам, что и видимый свет. Какая-то часть поглощенной лучистой энергии постоянно превращается в тепло, но тепловой эффект ультрафиолетовых лучей не оказывает на организм серьезного влияния. Более распространенный и важный путь отдачи поглощенной энергии ультрафиолетовых лучей — люминесценция. Фотохимические реакции под влиянием этих лучей совершаются особенно легко. Энергия фотонов ультрафиолетового света очень велика, поэтому при их поглощении молекула может распадаться на части. Иногда фотон выбивает электрон за пределы атома. Но чаще всего происходит возбуждение атомов и молекул, облегчающее вступление их в химические реакции. При поглощении одного кванта лучей с длиной волны 2537 А энергия молекулы возрастает до уровня, соответствующего энергии теплового движения молекул при температуре 38 000° С.
В живых организмах нас больше всего интересует влияние ультрафиолетовых лучей на биополимеры — белки и нуклеиновые кислоты. Участие фотосенсибилизаторов в этом случае пока точно не установлено. Вероятно, оно невелико, ибо белки и нуклеиновые кислоты сами интенсивно поглощают ультрафиолетовые лучи. Очень хорошо поглощают свет молекулы, в которых атомы углерода и азота образуют кольцевые структуры. Такие кольца имеются и в молекулах биополимеров. В нуклеиновых кислотах — это азотистые основания, в первую очередь пиримидиновые (тимин, урацил, цитозин) и пуриновые (аденин, гуанин), поглощающие в основном лучи с длиной волны 2600—2650 А. В белках циклические аминокислоты триптофан, тирозин, фенилаланин, гистидин хорошо поглощают лучи длиной 2800 А.
Группировки атомов
образующие пептидные связи между аминокислотами, поглощают более коротковолновые лучи (1800—2300 А), а дисульфидные мостики цистина — лучи промежуточной энергии — 2537 А.
Поглощенная энергия может мигрировать (перемещаться) по цепи атомов, образующих данную молекулу, без существенной потери, пока не достигнет слабых связей между атомами. Мигрирующая энергия расходуется на разрыв слабых связей. При разрыве пептидных и дисульфидных связей размеры молекулы белка уменьшаются. В ходе данного процесса, называемого фотолизом, образуются осколки молекул, оказывающие сильное действие на организм. Так, из аминокислоты гистидина после отделения группировки — СОО— образуется гистамин — вещество, расширяющее кровеносные капилляры и увеличивающее их проницаемость. Образование гистамина, по-видимому, играет важную роль в действии ультрафиолетовых лучей на организм.
Кроме фотолиза в биополимерах под действием ультрафиолетовых лучей происходят и другие изменения. Обычно молекулы белка имеют одинаковый электрический заряд. При облучении заряд молекул уменьшается, они легко слипаются, выпадают в осадок, теряют свою активность — ферментную, гормональную, антигенную и др. Все эти сдвиги, вместе взятые, носят название денатурации.
Процессы фотолиза и денатурации белков идут параллельно и независимо друг от друга. Они вызываются ультрафиолетовыми лучами разной длины волны: лучи 2800—3020 А вызывают главным образом фотолиз, лучи 2500—2650 А — преимущественно денатурацию. Различное сочетание этих процессов определяет картину действия на организм ультрафиолетовых лучей.
Самая чувствительная к действию ультрафиолетовых лучей функция клетки — деление. Лучи в дозе 10 эрг/мм 2уже вызывают остановку деления примерно 90% бактериальных клеток. Но рост и жизнедеятельность клеток при этом не прекращаются. Со временем восстанавливается и деление. Чтобы вызвать гибель 90% клеток, подавление синтеза нуклеиновых кислот и белков, образование мутаций, нужно довести дозу излучения до 100 эрг/мм 2.
На рис. 16 видно, что кривые бактерицидного и генетического действия ультрафиолетовых лучей, их влияния на рост и деление клеток очень сходны между собой и почти совпадают с кривой поглощения лучей нуклеиновыми кислотами. Значит, ультрафиолетовые лучи вызывают в нуклеиновых кислотах изменения, которые влияют и на рост, и на деление, и на наследственность клеток, и на их существование, т. е. на основные проявления
Значение нуклеинового компонента в механизме действия этих лучей на организм объясняется особой ролью нуклеиновых кислот в клетке. Если любой белок присутствует в клетке в виде десятков и сотен совершенно одинаковых молекул, то каждая молекула ДНК (дезоксирибонуклеиновой кислоты) уникальна. ДНК — это наследственная память клетки. В структуре ее молекул зашифрована информация о строении и свойствах всех клеточных белков, а значит — об устройстве клетки в целом, о характере и направлении процессов обмена веществ в ней. Понятно, что нарушения структуры молекул ДНК особенно важны, особенно опасны, выход из строя любого участка «наследственной» молекулы может оказаться непоправимым или привести к серьезному нарушению жизнедеятельности.
Итак, повреждение ДНК — главное в механизме действия ультрафиолетовых лучей. Но какова природа этих изменений? Мы уже знаем, что поглощают ультрафиолет циклические структуры азотистых оснований, входящих в состав ДНК. Если основную цепочку — нить этой молекулы, самой большой в органическом мире (молекулярный вес ДНК достигает 12—30 млн.), образуют чередующиеся группировки сахара-дезоксирибозы и фосфорной кислоты, то азотистые основания присоединены к каждому звену этой цепи, образуя как бы ступеньки лестницы. Молекула ДНК состоит из двух нитей, спирально закрученных друг возле друга. Лестница, таким образом, витая. А ступеньки ее — это пары азотистых оснований. Они-то и связывают нити ДНК непрочными, но зато многочисленными водородными связями. При самоудвоении ДНК (а именно с него начинается деление клетки) водородные связи разрываются, и каждая из двух нитей ДНК достраивает недостающую часть.
Квант ультрафиолетового излучения приносит с собой столь значительный запас энергии, что прежняя структура азотистого основания становится «тесной» для него. Обычно избыток энергии расходуется на разрыв двойной связи в наиболее слабом месте молекулы — между 5 и 6 атомами углерода в тимине. В результате образуются две свободные валентности, которые нуждаются в заполнении. Чаще всего разорванная двойная связь восстанавливается. Но если разрыв произойдет одновременно в двух расположенных по соседству азотистых основаниях — валентные связи могут замкнуться не внутри оснований, а между ними. И тогда возникает димер тимина — основной фотопродукт облучения ДНК. Если уподобить двойную спираль ДНК застежке-молнии, то каждый димер будет соответствовать слившимся зубцам застежки, препятствующим расхождению нитей. В результате нарушается процесс удвоения ДНК, а затем и деление клеток. С увеличением дозы облучения растет количество димеров, а с ним и нарушения жизнедеятельности, которые на определенном уровне становятся несовместимыми с жизнью. Наряду с образованием димеров определенное значение имеет и окислительное разрушение, дезаминиро-вание азотистых оснований, например превращение аде-нина в гипоксантин под влиянием ультрафиолета, что также искажает смысл наследственной информации.
В отличие от других физических и химических агентов ультрафиолетовые лучи даже в больших дозах не убивают облученную клетку сразу. Обычно клетка на некоторое время (на 1—2 суток) теряет способность к делению. Затем наступает мнимое выздоровление, и клетка успевает 2—4 раза разделиться, прежде чем наступает окончательная гибель.
Процесс образования димеров (тимина, а также цитозина, димеров тимин-цитозин) лежит в основе не только задержки роста и деления, не только гибели клеток, но и мутагенного, генетического действия. Возникновение прочных валентных связей между азотистыми основаниями нарушает генетический код, искажает смысл наследственной информации. Ведь наследственный язык клетки — четырехбуквенный, именно азотистые основания — его буквы. Точнее, тройка (триплет) азотистых оснований — простейшая единица генетического кода. Если прочная связь возникает (благодаря энергии ультрафиолета) между соседними тиминами в пределах одной нити ДНК, то процесс самоудвоения ДНК и деления клетки не нарушается. Зато дочерние клетки получат по наследству шифровку с опечатками — их жизненная программа будет запутана, опасные абракадабры могут послужить и причиной смерти где-то через 2—3 поколения, либо жизнедеятельность клетки окажется серьезно нарушенной. Так атомно-молекулярные перегруппировки, ставшие возможными благодаря избыточной энергии квантов ультрафиолетовых лучей, сами становятся причиной нарушения жизни клеток, тканей, органов, всего организма.