Ионизирующее излучение действует на организм как из внешних, так и из внутренних источников облучения (в случае проникания радиоактивных веществ в организм с пищей, водой, воздухом или через кожные покровы). Возможно комбинированное воздействие внешнего и внутреннего облучения.
Повреждающее действие различных видов радиоактивных лучей зависит от их проникающей активности и, следовательно, от плотности ионизации в тканях. Чем короче путь прохождения луча, тем больше плотность ионизации и сильнее повреждающее действие (табл. 7).
Однако физически одинаковые количества поглощенной энергии дают часто разный биологический эффект в зависимости от вида лучистой энергии. Поэтому для оценки степени повреждающего действия ионизирующей радиации на биологические объекты пользуются коэффициентом относительной биологической эффективности (ОБЭ).
Как видно из табл. 8, повреждающее действие альфа-лучей, нейтронов и протонов в 10 раз больше, чем рентгеновых лучей, биологическое действие которых условно принято за 1. Следует, однако, помнить, что эти коэффициенты условны. Многое зависит от выбора показателя, который берется для сравнения биологической эффективности. Например, ОБЭ можно устанавливать по проценту смертности, по степени гематогенных изменений, по стерилизующему действию на половые железы и т. д.
Реакция организма на действие ионизирующего излучения зависит от полученной дозы облучения, продолжительности действия и общего состояния облученного организма (табл. 9).
Для человека абсолютная смертельная доза при однократном облучении составляет около 600 р.
Продолжительность облучения имеет определенное значение в развитии радиоактивного повреждения. При кратковременном воздействии, измеряемом секундами, степень повреждающего действия несколько уменьшается. При воздействии той же дозы излучения, но продолжительностью в несколько десятков минут повреждающее действие увеличивается. Дробное (фракционированное) действие уменьшает смертность. Суммарная доза многократных облучений может значительно превысить однократную смертельную.
Индивидуальная и видовая реактивность организма имеет также большое значение в определении тяжести радиоактивного поражения. В эксперименте на животных отмечаются широкие пределы индивидуальной чувствительности - одни собаки выживают при однократном облучении в 600 р, а другие погибают от 275 р. Молодые, а также беременные животные более чувствительны к ионизирующему облучению. Старые животные также менее резистентны вследствие ослабления у них процессов восстановления.
Механизмы болезнетворного действия ионизирующих излучений . В механизме лучевых повреждений организма человека и животных можно выделить три важных этапа:
- а) первичное действие радиоактивного излучения;
- б) влияние радиации на клетки;
- в) действие радиации на целый организм.
Механизм первичного действия ионизирующих излучений определяется физическими, физико-химическими и химическими процессами, которые возникают в любом биологическом субстрате, находящемся под воздействием радиации.
Физические процессы - ионизирующие излучения, обладая высокой энергией, выбивают на своем пути из атомов и молекул электроны или вызывают их перемещение. Это приводит в течение ничтожно короткого времени (10 -16 секунд) к ионизации и образованию возбужденных атомов и молекул. Физико-химические процессы заключаются в том, что ионизированные и возбужденные атомы и молекулы, обладая большой реактивностью, вызывают образование свободных радикалов. В живых структурах ионизации быстрее всего подвергается вода.
Ионизация сопровождается явлениями рекомбинации возникших частиц. Она особенно сильно выражена при действии таких видов облучения, которые обладают большой плотностью ионизации (альфа-лучи, нейтроны). В процессе радиации воды возникают следующие свободные атомы и радикалы: атомный водород (Н +), гидроксил (ОН +), гидропероксид (НО 2) и перекись водорода (Н 2 О 2).
Действие ионизирующей радиации на растворенные в воде вещества в основном осуществляется за счет продуктов радиолиза воды. Так, известна высокая радиоустойчивость веществ в замороженном состоянии или ферментов в высушенном порошкообразном состоянии.
Процесс ионизации касается и макромолекул. Поглощенная энергия может мигрировать по макромолекуле, реализуясь в наиболее уязвимых ее местах. В белках этими местами могут оказаться SH-группы, в ДНК - хромофорные группы тимина, в липидах - ненасыщенные связи.
Влияние радиации на клетки возникает в результате взаимодействия радикалов белков, нуклеиновых кислот и липидов с водой, кислородом, водородом и др., когда вследствие всех этих процессов образуются органические перекиси и возникают быстропротекающие реакции окисления. Накапливается множество измененных молекул, в результате чего начальный радиационный эффект многократно усиливается. Все это отражается прежде всего на структуре биологических мембран, меняются их сорбционные свойства и повышается проницаемость (в том числе оболочек лизосом и митохондрий). Изменения в мембранах лизосом приводят к освобождению и активации ДНК-азы, РНК-азы, катепсинов, фосфатазы, ферментов гидролиза муконблисахарида и ряда других ферментов.
Высвобождающиеся гидролитические ферменты могут путем простой диффузии достичь любой органеллы клетки, в которую они легко проникают благодаря повышению проницаемости мембран. Под действием этих ферментов происходит дальнейший распад макромолекулярных компонентов клетки, в том числе нуклеиновых кислот и белков. Разобщение окислительного фосфорилирования в результате выхода ряда ферментов из митохондрий в свою очередь приводит к угнетению синтеза АТФ, а отсюда и к нарушению биосинтеза белков.
Таким образом, в основе радиационного поражения клетки лежит нарушение ультраструктур клеточных органелл и связанные с этим изменения обмена веществ. Кроме того, ионизирующая радиация вызывает образование в тканях организма целого комплекса токсических продуктов, усиливающих лучевой эффект - так называемых радиотоксинов. Среди них наибольшей активностью обладают продукты окисления липоидов - перекиси, эпоксиды, альдегиды и кетоны. Образуясь тотчас после облучения, липидные радиотоксины стимулируют образование других биологически активных веществ - хинонов, холина, гистамина - и вызывают усиленный распад белков. Будучи введенными необлученным животным, липидные радиотоксины оказывают действие, напоминающее лучевое поражение.
При достаточно больших дозах облучения изменения в клетках и тканях определяются в основном развитием дегенеративно-деструктивных процессов и структурными изменениями хромосомного аппарата, что ведет к гибели клетки в процессе митоза или к возникновению нежизнеспособного потомства клетки. Угнетение митотической активности клеток является одним из специфических проявлений биологического действия ионизирующей радиации.
Ионизирующее излучение действует на клетки тем сильнее, чем больше их воспроизводящая способность, чем длительнее прохождение митотического процесса, чем клетки моложе и менее дифференцированы. На основании морфологических признаков поражаемости органы и ткани распределяются в следующем нисходящем порядке: лимфоидные органы (лимфатические узлы, селезенка, зобная железа, лимфоидная ткань других органов), костный мозг, семенники, яичники, слизистая оболочка желудочно-кишечного тракта. Еще меньше поражаются кожа с придатками, хрящи, растущие кости, эндотелий сосудов. Высокой радиоустойчивостью обладают паренхиматозные органы: печень, надпочечники, почки, слюнные железы, легкие.
Степень радиационной поражаемости клеток одного и то же типа зависит от ряда факторов:
- 1) степени дифференцировки - эмбриональные и недифференцированные клетки поражаются в большей степени, чем образующиеся из них дифференцированные клетки;
- 2) обмена веществ - усиление интенсивности клеточного метаболизма сопровождается повышением радиочувствительности;
- 3) митотической активности - активно делящиеся клетки, как правило, более чувствительны, чем неделящиеся. Ядро клетки более чувствительно к радиации, чем цитоплазма;
- 4) стадии митоза - чувствительность клеток наиболее высока в стадии профазы и метафазы.
Радиочувствительность резко меняется на разных этапах филогенетического развития. Поражаемость животных излучением уменьшается в следующем порядке, эмбрион, плод, молодое животное, взрослый организм.
Действие ионизирующего излучения на организм в целом . Болезнетворный эффект ионизирующей радиации в целом определяется как непосредственным повреждающим действием на клетки и ткани организма, так и раздражением нервной системы и возникающими отсюда общими реакциями организма, обозначаемыми как лучевая болезнь.
Лучевая болезнь . По течению различают острую и хроническую лучевую болезнь. Острая лучевая болезнь может протекать в легкой, средней и тяжелой форме. В ее течении выделяют четыре периода.
Первый период - начальный (первичных реакций), наблюдается сразу после облучения, длится от нескольких часов до 1-2 суток. Признаком лучевого поражения в этот период является задержка митотической активности в кроветворных клетках. В этот период усиливаются обменные процессы и повышаются функции основных органов и систем.
Второй период - латентный, скрытый (период кажущегося благополучия), характеризуется изменениями в крови больного, связанными с начинающимся угнетением кроветворения. Длительность этого периода зависит от поглощенной дозы. Так, при дозах 20-100 рад этим периодом может закончиться заболевание. При дозе 150-200 рад скрытый период может длиться несколько недель, при 300-500 рад - всего несколько дней, а при дозе свыше 500 рад скрытый период продолжается всего несколько часов.
Третий период - выраженных явлений, или разгара болезни . В легких случаях он длится несколько дней, в тяжелых - 2-3 недели. Для этого периода характерны кровоизлияния во внутренние органы, резкое подавление кроветворения (рис. 5), повышение проницаемости клеточных мембран, угнетение иммунитета. Именно в этом периоде наступает смерть. Причинами смерти могут быть кровотечения, присоединившаяся инфекция и другие осложнения.
Четвертый период - период исхода или восстановления .
Хроническая лучевая болезнь возникает при слабом длительном облучении организма, может быть также исходом острой лучевой болезни. В течение хронической лучевой болезни выделяют три периода: период ранних изменений, развитие осложнений и период тяжелых, необратимых изменений со смертельным исходом.
Механизм развития лучевой болезни определяется наряду с непосредственным поражением клеток главным образом реакцией организма со стороны нервной, эндокринной и соединительнотканной систем на повреждающее радиоактивное излучение.
Реакцию нервной системы можно наблюдать во всех фазах развития лучевой болезни. В начале ее развития, когда происходит ионизация воды и биосубстратов организма, рецепторы нервной системы реагируют на изменения внутренней среды организма, приводя к возбуждению все звенья нервной системы.
Расстройства функции центральной нервной системы проявляются в нарушениях условнорефлекторных связей, ослаблении процесса внутреннего торможения. Функциональные изменения в коре головного мозга в различные сроки облучения связаны с увеличением импульсации, притекающей в высшие отделы нервной системы через ретикулярную формацию. Меняются функции и всех подкорковых центров. Так, проявлением повреждения вегетативных центров служит нарушение терморегуляции, регуляции тонуса сосудов, сердечного ритма в облученном организме. Таким образом, при лучевых заболеваниях в нервной системе обнаруживаются наиболее ранние и интенсивные функциональные изменения, а структурные нарушения в ней не так выражены, как, например, в костном мозге (П. Д. Горизонтов).
В развитии лучевой болезни немалое значение имеют и эндокринные расстройства. Функции всех эндокринных желез в той или иной мере нарушаются под влиянием ионизирующего излучения. Наиболее выраженные изменения наблюдаются в половых железах, гипофизе и надпочечниках. Эти изменения зависят от дозы излучения и могут проявляться как усилением секреции, так и угнетением ее. Большое значение, по-видимому, имеет и нарушение обычной согласованности в секреции различных эндокринных желез.
Лучевое повреждение половых желез при хронических воздействиях проникающей радиации может возникнуть очень рано - до появления клинических симптомов лучевой болезни. Изменения, наступающие в половых железах, ведут к стерильности, уменьшению потомства, повышению мертворождаемости.
Нарушение функции гипофиза, сопровождаясь изменением секреции ряда тройных гормонов, ведет к разнообразным вторичным последствиям из-за нарушения функции соответствующих желез. Особенно важна недостаточность надпочечных желез, резко снижающая реактивность организма и устойчивость ко всевозможным повреждающим воздействиям внешней среды.
Отдаленные последствия облучения . Среди отдаленных последствий облучения наиболее изучены (кроме хронической лучевой болезни) сокращение средней продолжительности жизни, развитие катаракт, нарушения эмбрионального развития, возникновение злокачественных опухолей.
Облучение повышает число злокачественных опухолей и ускоряет их возникновение (в эксперименте). Чаще всего образуются опухоли кроветворной ткани (лейкозы), молочной железы, кожи, печени, щитовидной железы.
Опухоли могут возникать как при общем, так и местном облучении.
Воздействие ионизирующим излучением применяется и как мощное противоопухолевое средство. Облучение при этом всегда проводится локально. Режим воздействия подбирается таким образом, чтобы большая часть энергии излучения поглощалась в опухоли и вблизи ее. Действие радиоизлучения наиболее эффективно в случае опухолей с повышенной митотической активностью, обладающих пониженной радиорезистентностью.
Солнечные лучи
Ультрафиолетовые лучи (УФЛ) . Ультрафиолетовые лучи (длина волны от 1880 до 3800 А) проникают только в самые поверхностные слои кожи и оказывают биологическое и патологическое действие на организм.
Общее биологическое действие ультрафиолетовых лучей на человека выражается трояко:
2. Под влиянием ультрафиолетовых лучей в коже из провитамина 7-дегидрохолестерина фотохимическим путем образуется витамин D 3 . Минимальное необходимое для этого количество ультрафиолетовых лучей составляет 1/8-1/10 эритемной дозы в день.
3. Бактерицидный эффект ультрафиолетовых лучей наиболее выражен в пределах длины волны от 2000 до 2800 А (коротковолновой ультрафиолет). Бактерицидный эффект сопровождается и стимуляцией иммунологической реактивности: усиливается выработка антител, повышается комплементарная активность сыворотки крови.
1. Реакция со стороны кожи - ультрафиолетовые лучи средневолнового диапазона (2800-3150 А) вызывают эритему. Эритема возникает в результате образования в месте облучения гистамина, являющегося сильным сосудорасширителем. Она имеет резко очерченные границы, наступает через определенный промежуток времени (от десятков минут до нескольких часов) и, как правило, переходит и пигментацию - загар с образованием и отложением в коже пигмента меланина. Загар вызывают преимущественно длинноволновые ультрафиолетовые лучи (3150-3800 А).
Ультрафиолетовые лучи самого короткого диапазона (менее 2000 А) оказывают озонирующее действие (вакуумный ультрафиолет).
Патогенное действие УФЛ проявляется при избыточном облучении организма или при наличии повышенной чувствительности (фотосенсибилизация).
Солнечные ожоги строго на месте облучения возникают в силу химического действия УФЛ - избыточного образования гистамина и других биологически активных веществ в облучаемых тканях и их последующего токсического действия как местного, так и общего характера.
Поражение глаз УФЛ - фотоофтальмия - возникает чаще при отсутствии защиты склеры глаз в условиях усиленной радиации (у электросварщиков, при работе в светолечебных кабинетах, в арктических и высокогорных районах и пр.); появляется через 2-6 часов, выражается в боли в глазах, гиперемии, отеке конъюнктивы и век, снижении остроты зрения. Наблюдается и общая реакция организма - головная боль, разбитость, бессонница, тахикардия. Обычно через 5-6 дней эти симптомы исчезают.
Общее действие УФЛ может проявиться и общими реакциями при ведущей роли местных симптомов, а также как самостоятельная реакция на общее ультрафиолетовое облучение - солнечный удар, где ведущим является нарушение общего состояния организма, прежде всего функции центральной нервной системы и органов кровообращения.
В механизме общего патогенного действия УФЛ наибольшее значение имеют два пути: гуморальный и неврогенный .
Гуморальные механизмы . На месте облучения под влиянием УФЛ образуются токсические продукты - гистамин, ацетилхолин, облученный холестерин, эргостерин, белково-липоидные комплексы, оказывающие токсическое действие на стенку капилляров в месте их образования, на нервные клетки и чувствительные нервные окончания вследствие всасывания в общий кровоток.
Интенсивное облучение кожи УФЛ вызывает гемолиз эритроцитов - так называемый фотогемолиз, который особенно усиливается в присутствии фотосенсибилизаторов. Фотосенсибилизаторы - некоторые краски (эозин, флюоресцеин), порфирины, лецитин, холестерин - усиливают повреждающее действие УФЛ.
У некоторых людей с нарушенным обменом порфирина (порфирия) уже при незначительном солнечном облучении возникают ожоги и состояние тяжелого коллапса вследствие отравления токсическими продуктами облученного порфирина.
Неврогениые механизмы . Возможно рефлекторное возбуждение некоторых вегетативных центров (сосудодвигательного, вагусного, центров терморегуляции) через рецепторы кожи, раздражаемые химическими веществами на месте их образования.
Возможно и центрогенное действие этих же токсических продуктов на жизненно важные нервные центры в результате всасывания в ток крови, лимфы и спинномозговую жидкость - отсюда расстройства кровообращения типа коллапса, который иногда может закончиться смертью (солнечный удар).
Бластомогенное действие на человека могут оказывать УФЛ с длиной волны от 2900 до 3841 А при длительном воздействии. У животных опухоли могут быть вызваны радиацией с более широким диапазоном волны. Поглощением УФЛ верхними слоями кожи определяется в известной степени локализация развивающихся под их действием опухолей у человека, например плоско- и базальноклеточный рак кожи. У животных, у которых кожа тоньше, в значительном проценте случаев возникают и саркомы. У человека опухоли развиваются на открытых, незащищенных участках тела, а у экспериментальных животных - на частях тела, лишенных шерсти.
Частота опухолей кожи возрастает с увеличением количества поглощенной энергии. Так, подсчитано, что в США между 42° и 30° северной широты частота рака кожи удваивается с приближением к экватору на каждые 4°. Рак кожи под воздействием УФЛ возникает после длительного латентного периода. Появлению рака предшествуют длительные деструктивно-воспалительные изменения кожи, называемые солнечным кератозом.
Механизм бластомогенного действия ультрафиолетовых лучей далеко не ясен. Можно предполагать два пути этого действия:
- а) УФЛ, как и радиоактивная радиация, обладают мутагенным свойством (см. «Роль наследственности, конституции и возраста в патологии»);
- б) под влиянием УФЛ в коже могут образоваться какие-то канцерогенные вещества.
Фиолетовые лучи (3800-4500 А) могут оказывать на организм, наподобие ультрафиолетовых, химическое действие, но значительно менее выраженное.
Видимые лучи солнечного спектра с длиной волны 5000-7000 А значительным повреждающим действием не обладают, так как в основном поглощаются кожей и не проходят в глубь организма.
Через посредство глаза - органа, специализированного для восприятия лучей солнечного спектра в пределах от 4000 до 7600 А, световые раздражения могут оказывать влияние на весь организм. Раздражение зрительных рецепторов световыми лучами передается, кроме зрительных центров, в вегетативные центры гипоталамуса и приводит их в состояние слабого возбуждения, что в свою очередь способствует усилению окислительных процессов, повышению кровяного давления и даже возникновению некоторой эйфории (в яркий, солнечный день люди более улыбчивы и общительны, чем в хмурые, пасмурные дни).
Естественный ритм освещения определяет суточный ритм активности животных и человека, ритм целого ряда физиологических процессов, теснейшим образом связанных рефлекторными и условнорефлекторными механизмами с ритмом смены дня и ночи, ритмом сезонных колебаний освещенности. Нарушения нормального ритма физиологических функций, связанных с ритмом естественной смены дня и ночи, в ряде случаев ведут к развитию болезненных состояний (неврозов), лечение которых требует восстановления нормального ритма световых раздражений. Такие нарушения могут быть результатом неправильного построения рабочего и бытового режима, круглосуточного дня и круглосуточной ночи за полярным кругом и т. д.
Инфракрасные лучи . Инфракрасные лучи оказывают на организм в основном тепловое действие. Лучи длиной волны от 7600 до 14 000 А обладают большой проникающей способностью и прогревают ткани как бы изнутри. Лучи длиной волны более 14 000 А поглощаются поверхностными тканями и могут давать обжигающий эффект.
Повышение температуры в результате поглощения тканями энергии инфракрасных лучей сопровождается ускорением различных физико-химических и физиологических реакций организма как местного (повышение проницаемости сосудов, расширение их - пассивная гиперемия, экссудация и пр.), так и общего (повышение обмена веществ, температуры тела, в тяжелых случаях - нарушения механизмов терморегуляции и тепловой удар) характера.
Излучения лазера
Лазер, или оптический квантовый генератор, - физический прибор, позволяющий излучать монохроматические пучки света необычайной интенсивности с малым углом их расхождения. Нефокусированный луч лазера имеет ширину 1-2 см, а с наведенным фокусом от 1 до 0,01 мм и меньше. Поэтому можно концентрировать огромную световую энергию на площадь в несколько микронов и достигать при этом очень высоких температур. Энергия каждой вспышки лазера может измеряться сотнями и тысячами джоулей. Луч лазера способен плавить алмаз, сталь и другие материалы.
Различают лазеры импульсного и непрерывного действия; и те и другие находят применение в медицине. Действие луча лазера на живые ткани происходит в течение очень коротких интервалов (стотысячные доли секунды), и, по-видимому, поэтому не возникает ощущения боли. Глубина проникания может регулироваться при помощи оптической системы и обычно достигает 20-25 мм.
Степень поглощения лучей лазера зависит от окраски облучаемого объекта. Больше всего они поглощаются пигментированными тканями, эритроцитами, меланомами и пр. Лучи лазера разрушают, расплавляют живые ткани; особенно к ним чувствительны опухолевые ткани.
Механизм повреждающего действия лучей лазера на биологические объекты складывается из ряда факторов:
- 1) термическое действие самого луча и вторичное повышение температуры подлежащих тканей в результате поглощения тепловой энергии;
- 2) механическое действие в результате возникновения упругих колебаний типа ультразвуковых или даже ударной волны. Возникает своеобразный «взрывной эффект» вследствие мгновенного перехода твердых и жидких веществ организма в газообразное состояние и резкого повышения внутритканевого давления (до нескольких десятков и сотен атмосфер):
- 3) биологическое действие - в тканях и клетках после действия на них луча лазера образуются токсические вещества. Возможно, от них зависит прогрессирующий некроз клеток после облучения;
- 4) инактивация или изменение специфического действия тканевых энзимов.
Допускается возможность ионизации составных элементов тканей и возникновение магнитных полей.
Степень и результат воздействия луча лазера зависят от особенностей самого излучения (тип лазера, мощность, длительность действия, плотность излучения, частота импульсов), физико-химических и биологических особенностей облучаемых тканей (степень пигментации, кровообращение, гетерогенность тканей, их эластичность, теплопроводность и пр.).
Вследствие своих биологических и физико-химических особенностей опухолевые клетки более чувствительны к лучу лазера, чем здоровые. Именно в онкологии этот вид излучения и находит пока наибольшее применение. Кроме того, лазер используется для бескровных операций в хирургии, офтальмологии и др.
Из излучаемой солнцем энергии электромагнитных волн до поверхности земли доходит только 1% ультрафиолетовых лучей, 39% видимых световых лучей и 60% инфракрасных лучей. Остальная часть отражается, рассеивается или воспринимается атмосферой. Напряжение солнечной радиации зависит от угла падения света и прозрачности атмосферы, от времени дня и года. При загрязнении атмосферного воздуха пылью, дымом задерживается до 20 — 40%, а оконным стеклом - до 90% наиболее ценного ультрафиолетового излучения.
Биологическое действие солнечной радиации на организм животного связано с ее качественным составом у поверхности Земли. Лучи Солнца оказывают тепловое и химическое воздействие. Тепловое воздействие больше исходит от инфракрасных, а химическое - от ультрафиолетовых лучей. Эти лучи имеют различную глубину проникновения в кожу и ткани организма животных. Наиболее глубоко (до 2 — 5 см) проникают инфракрасные лучи. Их используют в терапии для глубокого прогревания тканей или обогрева новорожденных и молодых животных.
Световые лучи проникают в толщу на несколько миллиметров, а ультрафиолетовые - только в кожу на десятые доли миллиметров.
Влияние на животных солнечного света очень важно и многообразно. Его лучи вызывают раздражение зрительного нерва, а также чувствительных нервных окончаний, заложенных в коже и слизистых оболочках. Кроме того, они возбуждают нервную систему и эндокринные железы и через них действуют на весь организм. Под влиянием солнечного освещения у животных возрастает активность окислительных ферментов, углубляется дыхание, они поглощают больше кислорода, выделяют больше углекислоты и водяных паров. В периферической крови увеличивается количество эритроцитов и гемоглобина. Усиливается также переваривание корма и отложение в тканях белка, жира и минеральных веществ.
При недостатке света организм испытывает световое голодание, что сильно отражается на обмене веществ. В результате значительно снижается продуктивность и сопротивляемость к болезням, отмечают вялое заживления ран, появление кожных заболеваний, отставание в росте у молодняка. Ранней весной в связи с ослаблением защитных сил организма, вызванным резким снижением интенсивности солнечного освещения в предшествующие зимние месяцы, у животных увеличивается число заболеваний органов дыхания, наблюдается распространение некоторых инфекций. Поэтому в зимние месяцы животных регулярно выпускают на прогулки под открытым небом в наиболее солнечные часы дня. Реже всего световое голодание наблюдается при беспривязном содержании крупного рогатого скота и свободновыгульном содержании свиней. Световые лучи оказывают существенное влияние и на воспроизводительные способности животных.
Однако не безразлично для животных и очень сильное освещение, поэтому откармливаемых животных содержат в умеренно освещенных и даже затемненных помещениях.
Слишком яркий солнечный свет оказывает на не привыкших к нему животных неблагоприятное воздействие в виде ожогов, а иногда и солнечного удара. Для защиты животных от солнечного удара устраивают теневые навесы, используют тень деревьев, отменяют тяжелые работы на лошадях в жаркие часы дня.
Животные, особенно птица, очень чувствительны к продолжительности и интенсивности светового режима. Поэтому в практике промышленного птицеводства четко отработан световой режим в соответствии с физиологическим состоянием птицы.
Большое значение для животных имеет ультрафиолетовая часть солнечного спектра. Ультрафиолетовые лучи улучшают функционирование органов дыхания и кровообращения, кислородное питание тканей. Они вызывают также общее стимулирующее действие за счет расширения кровеносных сосудов кожи. При этом усиливается рост волос, активизируется функция потовых и сальных желез, утолщается роговой слой, уплотняется эпидермис. В связи с этим повышается сопротивляемость кожи, усиливается рост и регенерация тканей, заживление ран и язв. Ультрафиолетовые лучи нормализуют фосфорно-кальциевый обмен, способствуют образованию витамина D. Ультрафиолетовое излучение служит мощным адаптогенным фактором, широко используемым в животноводческой практике для сохранения здоровья и повышения продуктивности животных и птицы.
Ультрафиолетовые лучи обладают бактерицидным - бактериоубивающим действием. Поэтому солнечную радиацию издавна считают мощным, надежным и бесплатным естественным дезинфектором внешней среды. Некоторые формы микробов и вирусов под прямыми лучами солнца погибают через 10 — 15 минут.
Большое значение в предупреждении светового голодания имеет искусственное ультрафиолетовое облучение с помощью ртутно-кварцевых ламп и использование для обогревания животных ламп инфракрасного излучения. Режим их использования, дозировки и порядок работы должны контролироваться зооветеринарными специалистами. Работникам, обслуживающим животных в момент облучения, необходимо соблюдать соответствующие меры безопасности. Разработаны и используются соответствующие нормативы применения ламп инфракрасного и ультрафиолетового излучения.
Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter .
Значительная часть сонечной радиации, поступающей на Землю, охватывает диапазон волн в пределах 0,15 - 4,0 ммк. Количество солнечной энергии, поступающее на поверхность Земли под прямым углом, называется солнечной постоянной. Оно равно 1,4·10-3 дж (м2/с).
Земной поверхности достигает большая часть излучения видимой области спектра, 30
% - инфракрасной и длинноволновая ультрафиолетовой. Поверхности Земли достигают:
Инфракрасные лучи (f - 3·10в11 Гц, - 3·10в12, λ от 710 - 3000 нм) – 45% (ИК-
излучение составляет 50% излучения Солнца).
Видимые лучи (3·10в12 – 7,5·10в 16, λ 400 – 710 нм,) – 48%
Ультрафиолетовые лучи (7,5·10в 16 -10в17, λ 400-10 нм) -7%.
Небольшая часть солнечной радиации уходит обратнл в атмосферу. Количество отражённой радиации зависит от от отражающей способности (альбедо) поверхности. Так, снег может отражать 80 % солнечного излучения, поэтому он нагревается медленно. Травянистая поверхность отражает 20 %, а тёмные почвы – лишь 10 5 приходящей радиации.
Большая часть поглощаемой почвой и водоёмами солнечной энергии затрачивается на испарение воды. При конденсации воды выделяется тепло, которое нагревает атмосферу. Нагрев атмосферы происходит и за счёт поглощения 20-25 % солнечной радиации.
Инфракрасное излучение.
Инфракрасное излучение (ИК-излучение) – это невидимое человеческим злазом электромагнитное излучение. Оптические свойства вещества в ИК-излучении значительно отличаюися от таковых в видимом спектре. Напимер, слой воды в несколько см непроницаем для ИК-излучения с λ >1 мкм.
Около 20% инфракрасного излучения солнечного спектра поглощается пылью, углекислым газом и водяным паром в 10-километровом слое атмосферы, примыкающей к поверхности Земли. При этом поглощённая энергия превращаентся в тепло.
ИК-излучение составляет большую часть излучения ламп накаливания (невыносимая жара при съёмках в павильонах), газоразрядных ламп. ИК-излучения испускают рубиновые лазеры.
Длинноволновая часть инфракрасного излучения (> 1,4 мкм) задерживается в основном поверхностными слоями кожи, вызывая жжение (калящие лучи). Средне- и коротковолновая часть ИК-лучей и красная састь оптического излучения протникает на глубину до 3х см. При больших колическтвах энергии могут вызвать перезревания. Солнечный удар – результат местного перегревания головного мозга.
Видимое излучение – свет.
Примерно половина радиации приходится на волны с длиной волны между 0,38 и 0,87 ммк. Это видимый человеческим глазом спектр, воспринимаемый как свет.
Одна из видимых сторон воздействия лучистой энергии – освещённость. Известно, что свет оздоравливает среду (в том числе бактерицидное действие). Половина всей тепловой энергии солнца содержиться в оптической части лучистой энергии Солнца. Свет необходим для нормального протекания физиологических процессов.
Влияние на организм:
Стимулирует жизнедеятельность;
Усиливает обмен веществ;
Улучшает общее самочувствие;
Уличшает настроение;
Повышает работоспособность.
Недостаток света:
Отрицательное влияние на функции нервного анализатора (повышается его утомляемость):
Повышается утомляемость ЦНС;
Снижается производительность труда;
Повышается производственный травмвтизм;
Развиваются депрессивные состояния.
С недостаточной освешённостью в настоящее время связывают заболевание, имеющее несколько названий: «осенне-зимняя депрессия», «эмоциональное сезонное заболевание», «аффективное сезонное расстройство» (Seasonal Affective Disorder – SAD). Чем меньше естественная освещённость местности, тем чаще встречается это расстройство. По статистическим данным 5-10% людей имеют признаки этого симптомокомплекса (75% - женщины).
Темнота ведёт к синтезу мелатонина, который у здоровых регулирует время циклов ночного сна, чтобы он был целебным и способствующим длительной жизни. Однако, если продукция мелатонина не прекращается в утренне время благодаря влиянию света на эпифиз, в течение дня из-за неадекватно высоких дневному времени уровням этого гормона развиваются летаргия и депрессия.
Признаки SAD:
Признаки депрессии;
Трудности с просыпанием;
Снижение продуктивности в работе;
Уменьшение социальных контактов;
Увеличение потребности в углеводах;
Увеличение веса.
Может тыть снижение активности иммунной системы, что проявляется увеличением восприимчивости к инфекционным (вирусным и бактериальным) заболеваниям.
Эти признаки исчезают в весенне и летнее время, когда значительно увеличивается продолжительность светового дня.
Осенне-зимняя депресси в настоящий момент лечится светом. Хороший эффект даёт светотерапия с интенсивностью 10 000 люкс в утренние часы. Это превышает примерно в 20 раз обычную внутреннюю освещённость. Выбор длительности терапии индивидуально для каждого человека. Чаще всего длительность процедуры длиться 15 минут. В течение этого времени можно заниматься любым делом (читать, принимать пищу, убирать квартиру и т.д.). Положительный эффект отмечается уже через несколько дней. Вся симптоматика полностью прекращается через несколько недель. Побочным эффектом могут быть головные боли.
Эффект лечения связан с регуляцией активности эпифиза, который модулирует продукции мелатонина и серотонина. Мелатонин ответственен за засыпание, а серотонин – за пробуждение.
Показаны также:
Психотерапия;
Антидепрессанты.
В то же время в настоящее время может наблюдаться другой тип нарушения биологических ритмов, связанный с современным образом жизни. Длительный искусственный свет ведёт к снижению ингибиторного эффекта мелатонина на активность половых желез. Это способствует ускорению полового созревания.
Ультрафиолетовое (УФ) излучение
Ультрафиолетовое излучение относиться к коротковолновой части солнечного спектра. Граничит с одной стороны с самой мягкой частью ионизирующего излучения (рентгеновское), с другой - с видимой частью спектра. Составляет 9% всей энергии излучаемой Солнцем. На границе с атмосферой сосатляет 5% естественного солнечного света, до поверхности Земли доходит 1%.
Ультрафиолетовок излучение Солнца ионизирует газы верхних слоёв атмосферв Земли, что приводит к образованию ионосферы. Короткие УФ-лучи задерживаются слоем озона на высоте около 200 км. Поэтому до земной поверхности доходят лишь лучи 400-290 нм. Озоновые дыры способствуют проникновению коротковолновой части спектра Уф-лучей.
Интенсивность действия зависит от:
Географического местоположения (широты);
Времени суток,
Метеоусловий.
Биологические свойства УФ-тзлучения зависит от длины волны. Выделяют 3 диапазона УФ-излучения:
1. Область А (400-320 нм) - флюоресцентная, загарная.Это длинноволновое излучение, являющееся доминирующей частью Практически не поглощается в атмосфере, поэтому достигает поверхности Земли. Испускается также специальными лампами, применяемыми в соляриях.
Действие:
Вызывает свечение некоторых веществ (люминофоров, некоторых витаминов);
Слабое общестимулирующее действие;
Превращение тирозина в меланин (защита организма от избытка УФизлучения).
Превращение тирозина в меланин происходит в меланоцитах. Эти клетки расположены в базальном слое эпидермиса. Меланоциты – это пигментные клетки нейроэктодермального происхождения. Они распределены по телу неравномерно. Например, в коже лба их в 3 раза больше, чем в верхних конечностях. Бледные люди и смуглые содержат одинаковое количество пигментных клеток, однако содержание меланина в них разное. Меланоциты содержат фермент тиразиназу, участвующий в превращении тирозина в меланин.
2. Область В (320 – 280 нм) – средневолновое, загарное УФ-излучение. Значительная часть этого диапозона поглощается стратосферным озоном.
Действие:
Улучшение физической и умственной работоспособности;
Повышение неспецифического иммунитета;
Повышение сопротивляемости организма к действию инфекционных, токсических, канцерогенных агентов.
Усиление регенерации тканей;
Усиление роста.
Это связано с возбуждением аминокислот (тирозин, триптофан, фенилаланин и др.), приримидиновых и пуриновых оснований (тимин, цитозин и др.). Это ведёт к распаду белковых молекул (фотолиз) с образованием БАВ (холин, ацетилхолин, гистамин и др.). БАВ активируют обменные и трофические процессы.
3. Область С (280 – 200 нм) – коротковолновое, бактерицидное излучение. Активно поглощается озоновым слоем атмосферы.
Действие:
Синтез витамина D;
Бактерицидное действие.
Бактерицидным действием, хотя и менее выраженным, обладают другие диапахоны УФ-излучения, а также видимое излучение.
N!B! УФ-лучи среднего и котротковолнового спектра в больших дозировках могут вызвать изменения в нуклеиновых кислотах и привести к клеточным мутациям. В то же время длинноволновое излучение способствует восстановлению нуклеиновых кислот.
4. Выделяется также область D (315 – 265 нм), обладающая выраженным антирахи-
тическим действием.
Показано, что для удовлетворения суточной потребности в ивтамине D необходимо около 60 минимальных эритемных доз (МЭД) на открытые участки тела (лицо, шея, руки). Для этого необходимо пребывать ежедневно на солнечном свету в течение 15 минут.
Недостаток УФ-излучения ведёт к:
Рахиту;
Снижению общей резистентности;
Нарушению обменных процессов (в том числе остеопорозу?).
Избыток УФ-излучения ведёт к:
Повышенной потребности организма в незаменимых аминокислотах, витаминах, солях Са и т.д.;
Инактивации витамина D (перевод холекальцеферола в индефферентные и токсические вещества);
Образование перекисных соединений и эпоксидных веществ, которые могут вызвать хромосомные абберацтт, мутагенный и канцерогенный эффект.
Обострение некоторых хронических заболеваний (туберкулёз, ЯБЖ, ревматизм, гломерулонефрит и др.);
Развитие фотофтальмии (фотоконъюнктивитов и фотокератитов) через 2 – 14 часов после облучения. Развитие фотофтальмии может быть в результате действия: А – прямого солнечного света, В – рассеянного и отражённого (снег, песок в пустыне), С
– при работе с искусственнными источниками;
Димеризации белка хрусталина (кристаллина), что индуцирует развитие катаракты;
Повышенному риску повреждения сетчатки у лиц с удалённым хрусталиком (даже областью А).
У лиц с ферментопатиями к дерматитам;
Развитию злокачественных новообразований кожи (меланомы, базадьноклеточной карциномы, сквамозно-клеточной карцины),
Иммуннодепрессии (измению соотношения субпопудяций лимфоцитов, уменьшению числа клеток Лангерганса в коже и снижению их функциональной активности) → к снижению устойчивости к инфекционным заболеваниям,
Ускоренному старению кожи.
Естественная защита организма от УФО:
1. Образование загара, связанного с появлением меланина, который:
способен поглощать фотоны и таким образом ослаблять действие излучения;
является ловушкой для свободных радикалов, образующихся при облучении кожи.
2. Ороговение верхнего слоя кожи с последующим шелушением.
3. Образование транс-цис-формы урокановой (урокаиновой) кислоты. Это соединение способно захватывть кванты УФ-излучения. Выделяется с потом человека. В темноте происходит обратная реакция с выделением тепла.
Критерием чувствительности кожи к УФ-излучению является ожоговый порог загара. Он характеризуется временем первичного воздействия УФ-излучения (то есть до формирования пигментации), после которого возможна безошибочная репарация ДНК.
В средних широтах выделяют 4 типа кожи :
5. Особо чувствительная светлая кожа. Быстро краснеет, плохо загарает. Индивидуумы отличаются голубым или зелёным цветом глаз, наличием веснушек, иногда рыжим цветом волос. Ожоговый порог загара – 5-10 минут.
6. Чувствительная кожа. У людей данного типа голубые, зелёные или серые глаза, светло-русые или каштановые волосы. Ожоговый порог загара – 10-20 минут.
7. Нормальная кожа (20-30 мин.). Люди с серыми или светло-карими глазами, тёмно-русыми или каштановыми волосами.
8. Нечувствительная кожа (30-45 мин.). Индивидуумы с тёмными глазами, смуглой кожей и тёмным цветом волос.
Возможна модификация светочувствительности кожи. Вещества, увеличивающие светочувствительность кожи, называются фотосенсибилизаторами.
Фотосенсибилизаторы : аспирин, бруфен, индоцид, либриум, бактрим, лазикс, пенициллин, фуранокумарины растений (сельдерей).
Группы риска по развитию опухолей кожи:
светлая, слабо пигментированная кожа,
солнечные ожоги, полученные в возрасте до 15 лет,
наличие большого количества родимых пятен,
наличие родимых пятен более 1.5 см в диаметре.
Хотя УФО имеет приорететное значение в в развитии злокачественных новообразова-
ний кожи, существенным фактором риска является контакт с канцерогенными вещества-
ми , такими как содержащимся в атмосфенной пыли никелем и его подвижными формами в почве.
Защита от избыточного действия УФИ:
1. Необходимо ограничить время пребывания под интенсивными солнечными лучами, особенно в промежутке времени 10.00 – 14.00 часов, пикового для активности УФИ. Чем короче тень, тем разрушительней активность УФИ.
2. Следует носить солнцезащитные очки (стекляные или пластмассовые с защитой от УФИ).
3. Применение фотопротекторов.
4. Применение солнцезащитных кремов.
5. Питание с высоким содержанием незаменимых аминокислот, витаминов, макро- и микроэлементов (в первую очередь нутринтов с антиоксидантеой активностью).
6. Регулярное обследование у дерматолога лицами из группы риска по развитию рака кожи. Сигналоми для немедленного обращения к врачу служат появление новых ро-
димых пятен, потеря чётких границ, изменяющаяся пигментация, зуд и кровоточивость.
Необходимо помнить о том, что УФИ интенсивно отражается от песка, снега, льда, бетона, что может увеличить интенсивность воздействия УФИ на 10-50 %. Следует помнить о том, что УФИ, особенно УФА оказывает воздействие на человека даже в облачные дни.
Фотопротекторы – вещества с защитным действием против повреждающего УФИ. Защитное действие связано с поглощением или рассеиванием энергии фотонов.
Фотопротекторы;
Парааминобензойная кислота и её эфиры;
Меланин, полученный из природных источников (например, грибы). Фотопротекторы добавляются в солнцезащитные кремы и лосьёны.
Солнцезащитные кремы.
Имеются 2 типа – с физическим эффектом и с химическим эффектом. Крем следует наносить за 15-30 минут до принятия солнечной ванны, а также повторно – каждые 2 последующих часа.
Солнцезащитные кремы с физическим эффектом содержат соединения типа диоксида титана, окиси цинка и талька. Их присутствие ведёт к отражению УФА и УФВ лучей.
К солнцезащитным кремам с химическим эффектом относятся изделия, содержащие 2-5 % бензофенона или его производных (оксибензон, бензофенон-3). Эти соединения поглощают УФИ и в результате распадаются на 2 части, что ведёт к поглощению энергии УФИ. Побочным эффектом является образование двух свободно-радикальных фрагментов, которые могут повреждать клетки.
Солнцезащитный крем SPF-15 отфильтровывает около 94% УФИ, SPF-30 задерхивает 97% УФИ, преимущественно УФВ. Фильтрация УФА в химических солнцезащиных кремах мала и составляет 10% от поглощения УФВ.
Мы не случайно начинаем обзор именно с данного экологического фактора. Лучистая энергия солнца, или солнечная радиация,- основной источник тепла и жизни на нашей планете. Только благодаря этому в далеком прошлом на Земле органическая материя могла зародиться и в процессе эволюции достигнуть тех степеней совершенства, которые мы наблюдаем в природе в настоящее время. Основные свойства лучистой энергии как экологического фактора определяются длиною волн. На этой основе в пределах всего светового спектра различают видимый свет, ультрафиолетовую и инфракрасную его части (рис. 10). Ультрафиолетовые лучи оказывают химическое действие на живые организмы, инфракрасные - тепловое.
Рис. 10. Спектры солнечного излучения в. различных условиях (по: Одум, 1975).
1 - не измененное атмосферой; 2 - на уровне моря в ясный день; 3 - прошедшее через сплошную облачность; 4 - прошедшее через полог растительности.
К основным параметрам экологического воздействия данного фактора принадлежат следующие: 1) фотопериодизм - закономерная смена светлого и темного времени суток (в часах); 2) интенсивность освещения (в люксах); 3) напряжение прямой и рассеянной радиации (в калориях на единицу поверхности в единицу времени); 4) химическое действие световой энергии (длина волн).
Солнце непрерывно излучает огромное количество лучистой энергии. Ее мощность, или интенсивность радиации, на верхнем пределе атмосферы составляет от 1,98 до 2,0 кал/см 2 -мин. Этот показатель называют солнечной постоянной. Впрочем, солнечная постоянная, по-видимому, может несколько изменяться. Отмечено, что за последние годы яркость Солнца увеличилась приблизительно на 2%. По мере приближения к поверхности Земли солнечная энергия претерпевает глубокие преобразования Большая ее часть задерживается атмосферой. Далее на пути световых волн встает растительность, и если она представляет многоярусное сомкнутое древесное насаждение, то тогда до поверхности почвы доходит очень небольшая часть первоначальной солнечной энергии. Под пологом густого букового леса это количество в 20-25 раз меньше, чем на открытом месте. Но дело не только в резком уменьшении количества света, но и в том, что в процессе проникновения в глубь леса меняется спектральный состав света. Следовательно, он претерпевает качественные изменения, весьма существенные для растений и животных.
Говоря об экологическом значении света, надо подчеркнуть, что самое главное здесь -его роль в фотосинтезе зеленых растений, ибо результатом является создание органического вещества, растительной биомассы. Последняя представляет первичную биологическую продукцию, от использования и трансформации которой зависит все остальное живущее на Земле. Интенсивность фотосинтеза сильно изменяется в разных по географическому положению районах и зависит от сезона года, а также от местных экологических условий. Дополнительное освещение позволяет существенно повышать прирост даже древесно-кустарниковых пород, не говоря о травянистых растениях. И. И. Никитин в течение 10 дней проращивал желуди при непрерывном освещении, затем 5 мес. выращивал проростки на свету яркостью 4 тыс. лк. В итоге дубки достигли высоты 2,1 м. После пересадки в грунт 8-летний подопытный дуб давал годовой прирост в высоту 82 см, тогда как контрольные деревца - только 18 см.
Примечательно, что хотя жизнедеятельность и продуктивность животных находятся в прямой (у фитофагов) или косвенной (у зоофагов) зависимости от первичной продукции растений, тем не менее связь менаду последними и животными носит далеко не односторонний характер. Установлено, что животные-фитофаги, например лоси, поедая зеленую растительную массу и повреждая при этом фотосинтезирующие органы, способны
заметно снизить интенсивность фотосинтеза и продуктивность растений. Так, в Центрально-Черноземном заповеднике (Курская обл.) лоси съели всего 1-2% фитомассы молодых дубняков, но их продуктивность упала на 46%. Таким образом, в системе кормовое растение - фитофаг налицо и прямая, и обратная связи.
Огромную роль в жизни всех живых существ играет фотопериодизм. По мере изучения этого фактора выясняется, что фотопериодическая реакция лежит в основе очень многих биологических явлений, будучи прямым определяющим их фактором или же выполняя сигнальные функции. Выдающееся значение фотопериодической реакции в большой мере обусловлено ее астрономическим происхождением и в силу этого высокой степенью стабильности, чего, например, не скажешь о температуре среды, которая тоже чрезвычайно важна, но крайне неустойчива.
Уже самый факт разделения животных на две больших группы по времени активности - на дневных и ночных - наглядно свидетельствует об их глубокой зависимости от фотопериодических условий. О том же говорит установленная в 1920 г. американскими учеными У. Гарнером и Г. Аллардом закономерность, согласно которой растения по отношению к свету и температуре делятся на виды длинного и короткого дня. Позднее было выяснено, что аналогичная фотопериодическая реакция свойственна также животным и, следовательно, носит общеэкологический характер.
Закономерное изменение по сезонам года продолжительности светового дня обусловливает время начала состояния диапаузы многочисленных видов насекомых и других членистоногих, в частности клещей. Путем тонких экспериментов А. С. Данилевский с сотрудниками доказали, что диапауза стимулируется именно сокращением дня, а не понижением температуры воздуха, как считалось ранее (рис. 11). Соответственно этому закономерное увеличение продолжительности светового дня весною служит четким сигналом для прекращения состояния диапаузы. При этом видовые популяции, обитающие на разных широтах, отличаются специфическими фотопериодическими требованиями. Например, для бабочки щавелевой стрельчатки (A crony eta rumicis) , в Абхазии необходима продолжительность дня не менее 14 ч 30 мин, в Белгородской области-16 ч 30 мин, в Витебской области-18 ч и под Ленинградом-19 ч. Иными словами, с продвижением к северу на каждые 5° широты продолжительность дня, необходимая для выхода из диапаузы, у данного вида удлиняется примерно на полтора часа.
Рис. 11. Фотопериодическая реакция длиннодневного типа - бабочки-капустницы (1) и кароткодневного типа - тутового шелкопряда (2) (по: Данилевский, 1961).
Таким образом, фотопериодизм является основным фактором сезонной активности членистоногих. Более того, аналогичные исследования ботаников показали, что многие явления в сезонной жизни растений, динамика их роста и развития тоже относятся к фотопериодическим реакциям. Например, фотопериодический фактор служит сигналом для заблаговременной подготовки растений к зиме, независимо от состояния погоды. Все это делает фотопериодизм весьма существенным фактором при интродукции сельскохозяйственных растений в новые районы, при их культивировании в теплицах и т. д.
Наконец, сопоставление результатов экспериментов по фотопериодизму насекомых-фитофагов и их кормовых растений выявило глубокую между ними взаимозависимость. На воздействие одного и того же экологического фактора те и другие отвечают сходным образом, следовательно, их трофические связи имеют под собой глубокую эколого-физиологическую основу.
Изучение фотопериодических реакций высших позвоночных животных принесло тоже чрезвычайно интересные результаты. Так, у пушных зверей осенью развивается все более густой и пышный волосяной покров. Зимой он достигает наибольшего развития и максимальных термоизолирующих свойств. Эти защитные функции меха усиливаются толстым слоем жира, образующимся под кожей в конце лета и осенью. Зимой упомянутые морфофизиологические адаптации функционируют в полной мере. Издавна считалось, что основным фактором, определяющим сезонное развитие меха и жира, является температура воздуха, ее падение в осенне-зимние месяцы. Однако эксперименты продемонстрировали, что пусковой механизм данного процесса связан не столько с температурой, сколько с фотопериодизмом. В лабораторном виварии и даже на пушной ферме можно поместить американских норок или других зверей в клетки с регулируемым освещением и начиная с середины лета искусственно сокращать световой день. В результате процесс линьки у подопытных животных начинается значительно раньше, чем в природе, пойдет интенсивнее и, соответственно, завершится не к зиме, а в начале осени.
На фотопериодической основе покоится и важнейшее сезонное явление в жизни перелетных птиц - их миграции и тесно с ними связанные процессы линьки оперения, накопления жира под кожей и на внутренних органах и др. Конечно, все это - приспособления к перенесению неблагоприятных температурных и кормовых условий путем «избегания» их. Однако и в данном случае основную сигнальную роль играют изменения не температурного, а светового режима - сокращение продолжительности дня, что можно доказать путем экспериментов. В лаборатории, действуя на фотопериодическую реакцию птиц, не слишком трудно привести их в специфическое предмиграционное состояние, а затем - в миграционное возбуждение, хотя температурные условия останутся стабильными.
Оказывается, фотопериодический характер носит также цикличность половой деятельности животных, цикличность их размножения. Пожалуй, это особенно удивительно, поскольку биология размножения принадлежит к свойствам организма, наиболее тонко сформированным, обладающим наиболее сложной координацией взаимосвязей.
Опытами над многими «идами птиц и млекопитающих доказано, что путем увеличения продолжительности светового дня можно активизировать гонады (рис. 12), привести животных в состояние полового возбуждения и добиться продуктивного спаривания даже в осенне-зимние месяцы, если, конечно, положительную реакцию на световое воздействие обнаружат оба пола. Между тем самки у некоторых видов (например, воробьев) в этом отношении оказываются значительно более инертными, чем самцы, и требуют дополнительной стимуляции этологического порядка.
Рис. 12. Влияние света на развитие гонад у самцов и самок домового воробья, забитых после содержания при разных условиях (по: Поликарпова, 1941).
а - с воли 31 января; б - из камеры с комнатной температурой 29 января; в - из камеры с добавочным светом 28 января.
Некоторым млекопитающим - соболю, кунице, ряду других видов куньих, а также косуле - свойственна интересная особенность биологии размножения. У них оплодотворенное яйцо сначала не имплантируется в стенку матки, а <в течение длительного времени находится в состоянии покоя, так называемой латентной стадии. У соболя эта стадия продолжается несколько месяцев и лишь приблизительно за полтора месяца до рождения щенков происходит имплантация яйца и очень быстрое эмбриональное развитие. Таким образом, беременность распадается как бы на длительный период предбеременности, или латентный, и короткий, порядка 35-45 дней, период вынашивания, т. е. собственно эмбрионального развития. Благодаря этому замечательному приспособлению животные получают возможность с минимальными энергетическими затратами переживать тяжелое зимнее время. Оказывается, что продолжительность латентного периода также регулируется фотопериодической реакцией и, если воспользоваться последней, может быть существенно сокращена.
Весьма велико влияние соотношения периодов освещения и темноты и изменения на протяжении суток интенсивности освещения на активность животных. Например, дневные птицы на рассвете пробуждаются при определенной по своей интенсивности «освещенности пробуждения», зависящей от высоты солнца по отношению к горизонту. Наступление надлежащей «освещенности пробуждения» служит сигналом, стимулирующим активизацию птиц. Дрозды начинают подавать признаки жизни при 0,1 лк, когда в лесу еще почти совсем темно; кукушка требует для своего пробуждения 1 лк, славка-черноголовка - 4, зяблик-12, домовый воробей - 20 лк. В соответствии с этим при хорошей погоде птицы в данной местности пробуждаются в определенное время и в известном порядке, что позволяет говорить о существовании «птичьих часов». Например, в учлесхозе «Лес на Ворскле» Белгородской области в мае-июне первые голоса птиц раздаются в среднем в следующее время: соловей - в 2 ч 31 мин, черный и певчий дрозды - 2 ч 31 мин, кукушка - 3 ч 00 мин, славка-черноголовка - 3 ч 30 мин, большая синица - 3 ч 36 мин, полевой воробей- 3 ч 50 мин.
Суточные изменения режима освещенности оказывают глубокое влияние на жизнедеятельность растений,и прежде всего на ритм и интенсивность фотосинтеза, который прекращается в темные часы суток, в непогоду и в зимнее время (рис. 13).
Наконец, солнечная энергия может играть очень важную роль как источник тепла, воздействуя на живые существа непосредственно или глубоко влияя на их среду обитания в локальном или глобальном масштабах.
В общем из приведенных выше фрагментарных сведений видно, что световой фактор играет в жизни организмов чрезвычайно важную и разностороннюю роль.
Рис. 13. Зависимость фотосинтеза от световой энергии у разных растительных популяций (по: Одум, 1975).
1 - деревья в лесу; 2 - листья, освещенные солнцем; 3 - затененные листья.
Лучистая энергия Солнца , поступающая на Землю, представляет собой самый значительный источник энергии, которым располагает человечество. Солнце, как и другие звезды, является раскаленным газом. Внутри Солнца существует область высокого давления, где температура достигает 15 - 20 млн. град. На Солнце имеется в незначительном количестве кислород и поэтому процессы горения, понимаемые в обычном смысле, не протекают сколько-нибудь заметно. Огромная энергия образуется на Солнце за счет синтеза легких элементов водорода и гелия.
Лучистая энергия солнца , поглощаясь поверхностью почвы, превращается в тепловую и передается в нижележащие слои почвы. Часть солнечной энергии отражается поверхностью почвы. Если температура поверхности почвы ниже, чем температура приземного слоя атмосферы, то почва отдает тепло, аккумулированное за счет поступившей солнечной радиации.
Лучистая энергия Солнца , поступающая на Землю, представляет собой самый значительный источник энергии, которым располагает человечество. Солнце, как и другие звезды, является раскаленным газом. Внутри Солнца существует область высокого давления, где температура достигает 15 - 20 млн град.
Лучистая энергия солнца , преобразуемая в тепло, может быть использована, минуя электролиз, непосредственно для термохимического разложения воды. Ранее было показано, что двухстадийные термохимические циклы мало вероятны при использовании тепла атомных реакторов. Но необходимые для двухстадийного термохимического цикла разложения воды температуры могут быть достигнуты при использовании солнечной энергии.
Лучистая энергия солнца , в первую очередь ультрафиолетовая часть солнечного спектра, обладает значительным биологическим действием. Мод ее влиянием в коже образуется витамин I), необходимый для правильного обмена в организме фосфора и кальция, важнейших составных частей костной и мозговой тканей.
Количество лучистой энергии Солнца , которая поступает за 1 мин на площадку в 1 см2, поставленную вне земной атмосферы перпендикулярно к солнечным лучам на среднем расстоянии от Земли до Солнца, называется солнечной постоянной. Предполагают, что при максимуме солнечной активности излучение Солнца несколько увеличива -, ется, однако оно не превышает долей процента. I Солнечная активность существенно влияет на земные процессы, проявляющиеся через солнечно-земные связи в ответной реакции Земли (ее внешних оболочек, включая биосферу) на изменение указанной активности.
С лучистой энергией Солнца связана освещенность земной поверхности, определяющаяся продолжительностью и интенсивностью светового потока. Вследствие вращения Земли происходит периодическое чередование темного и светлого времени суток, а также изменение продолжительности светового дня. Поскольку данный фактор имеет правильную периодичность, то его значение для жизни исключительно велико.
При фотосинтезе лучистая энергия Солнца преобразуется в химическую и в виде потенциальной энергии находится в растительной органической массе - продукте фотосинтеза.
Радиацией называют лучистую энергию солнца , попадающую на облучаемую поверхность.
Повышение плотности потока лучистой энергии Солнца , как уже отмечалось, может осуществляться зеркальными и линзовыми системами, однако в дальнейшем основное внимание будет уделено зеркальным концентрирующим системам, что не снижает общности принципиальных положений развиваемого подхода к формализованному описанию рассматриваемого процесса.
Источником естественного освещения является лучистая энергия солнца . Естественная средняя наружная освещенность в течение года по Месяцам и часам дня резко колеблется, дости-гая в средней полосе нашей страны максимума в июне и минимума в декабре.
Неисчерпаемым источником тепловой энергии является лучистая энергия солнца , которая вызывает также образование ветра, потоков воды и других видов энергии. Однако промышленное использование энергии солнечной радиации в виде теплоты является пока огра.
СОЛНЕЧНАЯ ПОСТОЯННАЯ - полное количество лучистой энергии Солнца , падающее вне атмосферы Земли на площадку единичной площади, расположенную перпендикулярно солнечным лучам на ср.
Источник естественного освещения - поток лучистой энергии солнца , доходящий до земной поверхности в виде прямого и рассеянного света. Оно наиболее гигиенично - имеет благоприятный спектральный состав. В зависимости от географической широты, времени года, состояния погоды уровень естественного освещения может резко изменяться и в довольно широких пределах.
ГЕЛИОУСТАНОВКА - устройство, улавливающее лучистую энергию Солнца и преобразующее ее в другие, удобные для практич.
Основным источником тепла для почвы является лучистая энергия солнца . Некоторое значение может иметь тепло, выделяющееся при экзотермических реакциях, вызываемых в почвенном слое микроорганизмами.
Первый термический фактор обусловлен неравномерным распространением лучистой энергии Солнца по поверхности Земли. В приполярных районах до 95 % лучей Солнца отражается от снега и льдов. Это объясняется тем, что в высоких широтах лучи входят в атмосферу под косым углом, а значит, их световая энергия распределяется на большую площадь земной поверхности. Скользящие солнечные лучи, проникающие в атмосферу не под прямым углом, проходят через более толстый слой воздуха. Поэтому здесь всегда холодно, формируется постоянно высокое давление. И наоборот, в экваториальной зоне солнечные лучи падают на поверхность Земли под прямым углом, сильно ее нагревая. В результате здесь формируется зона низкого давления. Поэтому происходит перемещение воздуха из приполярных районов в область экватора, т.е. из зон высокого в зоны низкого давления. Экваториальные воздушные массы, интенсивно и быстро нагреваясь, поднимаются и в высоких слоях атмосферы расходятся к северу и югу и охлаждаются.
ГЕЛИОЭЛЕКТРЙЧЕСКАЯ СТАНЦИЯ - гелиоустановка, преобразующая лучистую энергию Солнца в электрич.
Допустим, что мы можем собрать лучистую энергию солнца , которая падает на поверхность земли за год; если эту лучистую энергию мы сможем превратить в такую энергию, которая была бы для нас полезна, то оказывается, что при таком превращении мы покроем все источники энергии, которые в настоящее время имеются на земле.
Все большее практическое применение находит использование таких источников энергии, как лучистая энергия Солнца в полупроводниковых установках и фотоэлементах, использование внутреннего тепла Земли, энергии морских приливов и пр. Все это, вместе взятое, наряду с освоением управляемых термоядерных реакций позволит во много раз увеличить количество вырабатываемой электрической энергии по сравнению с современным уровнем.
Такой режим (постоянство QI) реально осуществляется в термогенераторах, использующих лучистую энергию солнца или тепло распада радиоактивных изотопов.
Покрытия с высоким значением степени черноты находят широкое применение в установках, использующихлучистую энергию Солнца . Практическая гелиотехника в настоящее время развивается бурными темпами.
Среди климатических факторов важное место в жизни растений занимают свет и тепло, связанные с лучистой энергией солнца ; вода; состав и движение воздуха. Атмосферное давление и еще некоторые явления, входящие в понятие климата, существенного значения в жизни и распределении растений не имеют.
В будущем возможно строительство более экономичных гелио-станций с использованием полупроводников (солнечных батарей) для непосредственного превращения лучистой энергии Солнца в электрическую энергию. ]
Свет - главный экологический фактор, определяющий основу жизнедеятельности растительного организма - фотосинтез, процесс превращения зелеными растениями лучистой энергии солнца в энергию химических связей органических веществ. Этот процесс происходит с поглощением углекислого газа и выделением свободного кислорода. При участии поглощающих свет пигментов - хлорофилла и некоторых других - углекислый газ и вода, вступая в реакцию, образуют основную пищу растений - углеводы.]
В своих исследованиях мы исходим из соображений, что, изменяя оптические свойства поверхности почвы, можно увеличить поглощение лучистой энергии Солнца днем и уменьшить излучение тепловой энергии ночью. Наши прошлогодние опыты с аце-тилцеллюлозной пленкой показали, что эта пленка может служить прекрасной защитой от излучения, но пока она слишком дорога для полеводства.
В широких масштабах развертываются работы в направлении создания солнечных электростанций, основанных либо на применении солнечных концентраторов совместно с термодинамическим (паротурбинным) циклом, либо на использовании технологии прямого преобразования лучистой энергии Солнца в электричество.
Таким образом, энергия, доставляемая Солнцем, может быть использована для получения работы в ветряном двигателе только при условии, что имеется разность температур отдельных частей атмосферы, создаваемая поглощением лучистой энергии Солнца и частичным испусканием ее в мировое пространство. Итак, на совершение работы идет не вся теплота, полученная от нагревателя, а только ее часть, остальная же теплота отдается холодильнику.
Атмосфера определяет световой и регулирует тепловой режимы Земли, способствует перераспределению тепла на земном шаре. Лучистая энергия Солнца - практически единственный источник тепла для поверхности Земли - частично поглощается атмосферой. Достигшая поверхности Земли энергия частично поглощается почвой и водоемами, морями и океанами, частично отражается в атмосферу.
Электромагнитная радиация ( лучистая энергия Солнца ) - электромагнитные волны, распространяющиеся со скоростью 300 тыс. км / с. Корпускулярная радиация состоит в основном из протонов, движущихся со скоростью 300 - 1500 км / с и практически полностью улавливаемых магнитосферой Земли.
Солнечная радиация является существенным фактором формирования климата. Ввиду запыленности городовлучистая энергия Солнца поглощается частичками пыли. По данным американских и английских исследователей, большие города получают на 15 % меньше солнечной радиации, на 10 % больше дождя, на 10 % больше облачных дней, причем за последние 80 лет частота возникновения туманов увеличилась в два раза.
