Підручник з Природничих наук. 1 частина. 10 клас. Гільберг - Нова програма

ДЕ ПРАЦЮЄ СВІТЛО НА ЗЕМЛІ? ФОТОБІОЛОГІЯ

Світло є одним з найважливіших зовнішніх чинників, що впливає на організми. Вивчає дії світла на організми фотобіологія. Ця наука досліджує фізичні та фізико-хімічні етапи фотобіологічних процесів. Дії світла на організми досить різноманітні. До них належать (мал. 6.10):

• фотосинтез — синтез молекул органічних речовин за рахунок енергії сонячного світла;

• фототаксис — рух організмів до чи від світла (наприклад, бактерії);

• фототропізм — повертання листя чи стебла до світла або від нього;

• зорове сприйняття — перетворення світлової енергії на енергію нервового імпульсу або в аналогічних фоторецепторах;

• дія ультрафіолетових променів (від бактерицидного й терапевтичного ефектів, утворення вітаміну D до мутагенної та канцерогенної дії).

Мал. 6.10. Дія світла на організми

Усі ці процеси зумовлені дією світла. Особливістю біологічної дії світла оптичного діапазону, що включає в себе ультрафіолетове (200—400 нм) та видиме (400—750 нм) світло, є залежність біологічного ефекту від довжини хвилі випромінювання. Зміна довжини хвилі дає змогу керувати тими чи тими фотобіологічними процесами.

До фотобіологічних відносять процеси, які починаються з поглинання кванта світла біологічно важливою молекулою, а закінчуються певною фізіологічною реакцією (позитивною або негативною) на рівні організму. Наприклад, сонячне світло може зумовити такі характерні ефекти, як еритема, рак шкіри, терапевтичні ефекти при псоріазі. Отже, фотобіологічний процес запускається лише внаслідок поглинання кванта світла певною молекулою-акцептором. Наприклад, бактерицидний ефект виникає в результаті поглинання світла молекулами ДНК в клітинах бактерій.

Розрізняють позитивні (корисні) та негативні (шкідливі) фотобіологічні процеси.

До позитивних ефектів відносять:

• зорове сприйняття (мал. 6.11);

• фотоперіодизм — регуляцію добових і річних життєвих циклів тварин циклічними впливами «світло-темрява». Процес відбувається під дією видимого світла. У людини та ссавців фотоперіодичним рецептором є очі, у деяких видів птахів — гіпоталамус, у риб — епіфіз, у комах — мозок.

Мал. 6.11. Зорове сприйняття в організмів

Утворення вітаміну D з провітамінів відбувається під дією ультрафіолетового світла. У незначних дозах це опромінення є необхідним для людини. Кінцеві стадії біосинтезу цих вітамінів мають фотохімічну природу.

У рослин важливими фотобіологічними процесами є фотосинтез, фототаксис, фототропізм, фотоперіодизм.

Негативні ефекти в організмі людини та тварин поділяють на два типи: фототоксичні й фотоалергічні.

Фототоксичні — світлові пошкодження шкіри чи очей без алергічних реакцій. Їхні клінічні вияви — еритеми, едеми, пігментації, помутніння кришталика ока тощо.

Фотоалергічні ефекти включають у себе первинний імунологічний механізм алергічної сенсибілізації.

За характером біологічної дії на організм людини та тварин увесь спектральний діапазон розбивають на декілька частин, які відповідають за індукцію певних ефектів.

Інфрачервоний (довжина хвиль понад 750 нм): теплові ефекти в лікуванні різних захворювань.

Видимий (400—750 нм): зір, фотоперіодизм.

Ультрафіолетовий (200—400 нм) розбивають на три області. Цей розподіл базується на реєстрації спектрів дії еритеми.

УФ-А (315—400 нм): засмага, синтез вітаміну D з провітамінів, фотоалергічні та сенсибілізувальні фототоксичні ефекти.

УФ-В (280—315 нм): еритема, едема, засмага, опік очей, канцерогенез, синтез вітаміну D.

УФ-С (200—280 нм): еритема, засмага, канцерогенез, мутації, бактерицидний ефект.

Біологічно активним є весь діапазон оптичного випромінювання (200—800 нм), та найгостріші ефекти зумовлені світлом ультрафіолетового спектра (200—400 нм). Ультрафіолетові промені практично повністю поглинає епідерміс, тож вони ледве проникають у шкіру.

Ультрафіолетова радіація відіграє вирішальну роль в основному біологічному процесі — фотосинтезі — процесі перетворення світлової енергії на хімічну. Механізм цього процесу можна описати так. Квант ультрафіолетового випромінювання, віддавши енергію електрону в молекулі хлорофілу, змушує його залишити молекулу. Унаслідок цього утворюється вільний радикал, і реакційна здатність молекули хлорофілу різко підвищується. Для відновлення початкового стану молекула хлорофілу забирає електрон, якого не вистачає, у молекули води, у результаті чого з останньої вивільняється кисень. Тобто хлорофіл відновлюється, а енергія кванта перетворюється на енергію хімічного зв’язку й під час наступних біохімічних реакцій переноситься та накопичується в інших хімічних сполуках.

Коли вивчають первинні стадії фотобіологічних процесів, вимірюють спектри фотобіологічної дії.

Умовно виокремлюють такі основні стадії фотобіологічних процесів:

• кожний процес починається з поглинання квантів світла молекулою-хроматофором;

• частина електронно-збуджених молекул змінюється з утворенням фотопродуктів;

• фотопродукти вступають у темнові біохімічні реакції. Ці реакції можуть зумовлювати локальні (на рівні окремих органів чи тканин) або системні (на рівні організму) фізіологічні ефекти.

Оптичне випромінювання широко використовують у медицині:

• ультрафіолетове опромінення (опромінення шкіри, крові);

• лікування лазером (лазерна хірургія, фотодинамічна терапія, лазерна терапія);

• лікування хвороб шкіри.

ПОДУМАЙТЕ Й ВІДПОВІДАЙТЕ

1. Які основні властивості фотона?

2. У чому полягає корпускулярно-хвильовий дуалізм світла?

3. Які речовини дають суцільний спектр? Які — лінійчатий?

4. Чим відрізняються лінійчаті спектри різних газів?

5. Які суперечності було виявлено між закономірностями фотоефекту та хвильовою теорією світла?

6. Як з позицій квантової фізики пояснюють особливості фотоефекту?

7. Проаналізуйте уривок з книги Ігоря Акімушкіна «Стежиною легенд»:

«Звичайна спорохнівка, а як чудово світиться! Принесемо її додому. У першу ніч вона світитиметься й у кімнаті. Потім світло її меркне. А через добу згасне зовсім. Якщо ж у приміщенні буде задушно, то спорохнівка не світитиметься й першої ночі. У тропічних країнах у нашого опенька багато світніх родичів, і світиться в них не «коріння», а спори. З-під капелюшків струмує м’яке тьмяне світло, і міріади нічних комах злітаються на ці вогники. Сяйво, що випромінює гриб, немов світло маяка, указує дорогу крилатим мандрівникам, які шукають гриби, щоб відкласти в них свої яйця. А гриби також отримують користь із відвідин комах». Поясніть, чому: а) світло спорохнівки поступово згасає та чому вона не світиться в задушному приміщенні; б) яку саме користь отримує гриб.

8. Поясніть, навіщо личинки грибних комариків Arachnocampa плетуть гніздо з шовку на стелі в печерах, звішують донизу нитки з крапельками липкої рідини, а потім підсвічують їх власним тілом.

Шкільний учитель і винахідник Девід Бушнелл (1740—1824, США) створив під час війни за незалежність одномісний підводний човен «Черепаха». Освітлення всередині човна не було, і, щоб бачити покази барометра та компаса, Бушнелл наніс на стрілки цих приладів невеликі шматочки світнього гриба. Щоправда, під час випробувань у листопаді 1775 р. він виявив, що за низької температури біолюмінесценція зникає, тож Бушнеллу довелося відмовитися від використання човна взимку. Висловте припущення щодо причини зникнення біолюмінесценції за низької температури й обґрунтуйте його.

9. Поясніть, про які фотобіологічні процеси та ефекти йдеться: а) «Уранці, коли сонце зійшло, я бачив, як кульбабки розкривають свої долоні, і від цього луг ставав знову золотим. Відтоді кульбаба стала для нас однією з найцікавіших квіток, тому що спати кульбаби лягали разом з нами, дітьми, і разом з нами прокидалися». М. М. Пришвін. Золотий луг; б) «І дивляться соняхи, тягнуться, ніжні, До сонця у небо, до сонця, та й годі!» Андрій Малишко. Соняшники; в) «Жменька метеликів і комарів танцює навколо останнього світла». Еріх Марія Ремарк. Тріумфальна арка.

ПРАКТИЧНА ЧАСТИНА

ПРАКТИЧНІ РОБОТИ

Спостереження суцільного й лінійчатого спектрів речовини

Обладнання (мал. 6.12): генератор високої напруги «Спектр», спектральні трубки з різними газами, джерело постійного струму, лампа розжарювання (ці прилади є загальними для всього класу), скляна призма (або призма прямого зору, або скляна пластинка зі скошеними гранями).

Maл. 6.12: а — скляна призма; б — спектральні трубки; в — генератор високої напруги «Спектр».

1. Спостерігайте крізь призму нитку лампи розжарювання (грані призми, на яких заломлюється світло, мають бути вертикальними). Переконайтеся, що спостерігаєте суцільний спектр. Запишіть, у якому порядку ви спостерігаєте кольори в цьому спектрі.

2. Спостерігайте крізь призму по черзі світло від кількох спектральних трубок. Переконайтеся, що в одноатомних газів лінійчаті спектри.

3. Спостерігайте лінійчаті спектри й визначте:

• чи бачите ви однакові спектральні лінії в спектрах різних речовин;

• чи відрізняється порядок кольорів у лінійчатих спектрах від порядку кольорів у суцільному спектрі.

ЗАХИСТ НАВЧАЛЬНИХ ПРОЕКТІВ

• Побудова саморобного спектроскопа (мал. 6.13) й порівняння спектрів доступних джерел світла.

Maл. 6.13. Саморобний спектроскоп