Глава 29. Излучение и поглощение энергии атомами и молекулами

Огромное количество разных явлений происходит потому, что изменяется энергия атомов и молекул. В одних случаях для практики нет необходимости в атомно-молекулярном подходе к анализу явлений. В других - эффективное использование явления оказывается возможным только с непременным учетом его молекулярной (атомной) природы.

В этой главе излагаются особенности излучения и поглощения энергии атомами и молекулами, а также некоторые практически важные явления, знание атомарной природы которых существенно для их использования. Некоторые вопросы этой обширной темы рассматриваются в следующей главе.

29.1. ОСОБЕННОСТИ ИЗЛУЧЕНИЯ И ПОГЛОЩЕНИЯ ЭНЕРГИИ

АТОМАМИ И МОЛЕКУЛАМИ

Атом и молекула могут находиться в стационарных энергетических состояниях. В этих состояниях они не излучают и не поглощают энергии. Энергетические состояния схематически изображают в виде уровней (см., например, рис. 28.13). Самый нижний уровень энергии - основной - соответствует основному состоянию.

При квантовых переходах атомы и молекулы скачкообразно переходят из одного стационарного состояния в другое, с одного энергетического уровня на другой.

Изменение состояния атомов связано с энергетическими переходами электронов. В молекулах энергия может изменяться не только в результате электронных переходов, но и вследствие изменения колебания атомов и переходов между вращательными уровнями.

При переходе с более высоких энергетических уровней на нижние атом или молекула отдает энергию, при обратных переходах - поглощает. Атом в основном состоянии способен только поглощать энергию.

Различают два типа квантовых переходов:

1) без излучения или поглощения электромагнитной энергии атомом или молекулой. Такой безызлучательный переход происходит при взаимодействии атома или молекулы с другими частица-

ми, например в процессе столкновения. Различают неупругое столкновение, при котором изменяется внутреннее состояние атома и осуществляется безызлучательный переход, и упругое - с изменением кинетической энергии атома или молекулы, но с сохранением внутреннего состояния; 2) с излучением или поглощением фотона.

Энергия фотона равна разности энергий начального и конечного стационарных состояний атома или молекулы:

Формула (29.1) выражает закон сохранения энергии.

В зависимости от причины, вызывающей квантовый переход с испусканием фотона, различают два вида излучения. Если эта причина внутренняя и возбужденная частица самопроизвольно переходит на нижний энергетический уровень, такое излучение называют спонтанным (рис. 29.1, а). Оно случайно и хаотично по времени, частоте (могут быть переходы между разными подуровнями), по направлению распространения и поляризации. Обычные источники света испускают в основном спонтанное излучение. Другое излучение вынужденное, или индуцированное (рис. 29.1, б). Оно возникает при взаимодействии фотона с возбужденной частицей, если энергия фотона равна разности уровней энергий. В результате вынужденного квантового перехода от частицы будут распространяться в одном направлении два одинаковых фотона: один - первичный, вынуждающий, а другой - вторичный, испущенный.

Излучаемая атомами или молекулами энергия формирует спектр испускания, а поглощаемая - спектр поглощения.

Интенсивность спектральных линий определяется числом одинаковых переходов, происходящих в секунду, и поэтому зависит от количества излучающих (поглощающих) атомов и вероятности соответствующего перехода.

Квантовые переходы осуществляются не между любыми энергетическими уровнями. Установлены правила отбора, или запрета, формулирующие условия, при которых переходы возможны и невозможны или маловероятны.

Энергетические уровни большинства атомов и молекул достаточно сложны. Структура уровней и, следовательно, спектров зависит не

только от строения одиночного атома или молекулы, но и от внешних причин.

Электромагнитное взаимодействие электронов приводит к тонкому расщеплению¹ энергетических уровней (тонкая структура). Влияние магнитных моментов ядер вызывает сверхтонкое расщепление (сверхтонкая структура). Внешние по отношению к атому или молекуле электрические и магнитные поля также вызывают расщепление энергетических уровней (явления Штарка и Зеемана; см. 30.2).

Спектры являются источником различной информации.

Прежде всего по виду спектра можно идентифицировать атомы и молекулы, что входит в задачи качественного спектрального анализа. По интенсивности спектральных линий определяют количество излучающих (поглощающих) атомов - количественный спектральный анализ. При этом сравнительно легко находят примеси в концентрациях 10^-5- 10^-6 % и устанавливают состав образцов очень малой массы - до нескольких десятков микрограммов.

По спектрам можно судить о строении атома или молекулы, структуре их энергетических уровней, подвижности отдельных частей больших молекул и т.п. Зная зависимость спектров от полей, воздействующих на атом или молекулу, получают информацию о взаимном расположении частиц, ибо воздействие соседних атомов (молекул) осуществляется посредством электромагнитного поля.

Изучение спектров движущихся тел позволяет на основании оптического эффекта Доплера определить относительные скорости излучателя и приемника излучения.

Если учесть, что по спектру вещества удается сделать выводы о его состоянии, температуре, давлении и т.п., то можно высоко оценить использование излучения и поглощения энергии атомами и молекулами как исследовательский метод.

В зависимости от энергии (частоты) фотона, испускаемого или поглощаемого атомом (или молекулой), классифицируют следующие виды спектроскопии: радио-, инфракрасная, видимого излучения, ультрафиолетовая и рентгеновская².

По типу вещества (источника спектра) различают атомные, молекулярные спектры и спектры кристаллов.

¹ Термин «расщепление» здесь означает не процесс, а некоторое уже образовавшееся состояние.

² Здесь не указана γ-спектроскопия, обусловленная ядерными квантовыми переходами.

29.2. ПОГЛОЩЕНИЕ СВЕТА

Интенсивность света, распространяющегося в среде, может уменьшаться из-за поглощения и рассеяния его молекулами (атомами) вещества.

Поглощением света называют ослабление интенсивности света при прохождении через любое вещество вследствие превращения световой энергии в другие виды энергии.

Установим закон поглощения света веществом. Если выбрать небольшой слой вещества толщиной dx (рис. 29.2), то ослабление интенсивности dI света этим слоем при поглощении будет тем больше, чем больше толщина слоя и интенсивность света, падающего на этот слой:

где k - натуральный показатель поглощения (коэффициент пропорциональности, зависящий от поглощающей среды и не зависящий в определенных пределах от интенсивности света); знак «-» означает, что интенсивность света при прохождении через вещество уменьшается, т.е. dI <0. Интегрируя (29.2) и подставляя соответствующие пределы (рис. 29.2), получаем:

Эта формула выражает закон поглощения света Бугера. Как видно, натуральный показатель поглощения k является величиной, обратной расстоянию, на котором интенсивность света ослабляется в результате поглощения в среде в е раз.

Натуральный показатель поглощения зависит от длины волны света, поэтому целесообразно закон (29.3) записать для монохроматического света:

где k_x - монохроматический натуральный показатель погощения.

Так как поглощение света обусловлено взаимодействием с молекулами, закон поглощения можно связать с некоторыми характеристиками молекул.

Пусть п - концентрация молекул, поглощающих кванты света. Эффективное сечение поглощения молекулы обозначим σ (некоторая площадь, при попадании фотона в которую происходит его захват молекулой).

Если считать, что площадь сечения прямоугольного параллелепипеда (рис. 29.2) равна S, то объем выделенного слоя Sdx, a количество молекул в нем nSdx.

Общая площадь эффективного сечения молекул этого слоя равна σnSdx. На этот слой падает поток фотонов Ф = IS. Доля площади эффективного сечения молекул в общей площади сечения:

Можно считать, что такая же, как и (29.5), часть попавших на слой фотонов поглощается молекулами, ибо отношение площадей определяет вероятность взаимодействия одного фотона с молекулами выделенного слоя.

Доля поглощенных слоем фотонов может быть выражена через поток ^Ф/Ф) или интенсивность (dI/I) света. На основании изложенного можно записать:

29.3. РАССЕЯНИЕ СВЕТА

Рассеянием света называют явление, при которомраспространяющий-ся в среде световой пучок отклоняется по всевозможным направлениям.

Необходимое условие для возникновения рассеяния света - наличие оптических неоднородностей, т.е. областей с иным, чем основная среда, показателем преломления.

Рассеянию и дифракции света присущи некоторые общие черты, оба явления зависят от соотношения преграды или неоднородности и длины волны. Отличие между этими явлениями заключается в том, что дифракция обусловливается интерференцией вторичных волн, а рассеяние - сложением (а не интерференцией!) излучений, возникающих при вынужденных колебаниях электронов в неоднородностях под воздействием света.

Различают два основных вида таких неоднородностей:

1) мелкие инородные частицы в однородном прозрачном веществе. Такие среды являются мутными: дым (твердые частицы в газе), туман (капельки жидкости в газе), взвеси, эмульсии и т.п. Рассеяние в мутных средах называют явлением Тиндаля;

2) оптические неоднородности, возникающие в чистом веществе из-за статистического отклонения молекул от равномерного распределения (флуктуации плотности). Рассеяние света на неоднородностях этого типа называют молекулярным; например, рассеяние света в атмосфере.

Уменьшение интенсивности света вследствие рассеяния, как и при поглощении, описывают с помощью показательной функции:

где m - показатель рассеяния (натуральный).

При совместном действии поглощения и рассеяния света ослабление интенсивности также является показательной функцией:

где μ - показатель ослабления (натуральный). Как нетрудно видеть, μ = m + k.

Рэлей установил, что при рассеянии в мутной среде на неоднород-ностях, приблизительно меньших 0,2λ, а также при молекулярном рассеянии интенсивность рассеянного света обратно пропорциональна четвертой степени длины волны (закон Рэлея):

Это означает, что из белого света веществом, например в точке д (рис. 29.3), будут преимущественно рассеиваться голубые и фиолетовые лучи (направление А), а красные - проходить в направлении б падающего света. Аналогичное явление наблюдается и в природе: голубой цвет неба - рассеянный свет, красный цвет заходящего Солнца - изменение спектра белого света из-за значительного рассеяния

голубых и фиолетовых лучей в толще атмосферы при наклонном падении (см. пояснение к рис. 27.3).

Меньшее рассеяние красных лучей используют в сигнализации: опознавательные огни на аэродромах, наиболее ответственный свет светофора - красный и т.п. Инфракрасные лучи рассеиваются еще меньше. На рис. 29.4 изображены две фотографии пейзажа: на левой, снятой обычным методом, туман сильно ограничил видимость: на правой, снятой в инфракрасном излучении на специальной пластинке, туман не мешает, он оказался прозрачным для более длинных волн.

Если взвешенные частицы велики по сравнению с длиной волны, то рассеяние не соответствует закону Рэлея (29.14) - в знаменателе дроби будет стоять λ². Рассеянный свет теряет свою голубизну и становится белее. Так, пыльное небо городов кажется нам белесым в противоположность темно-синему небу чистых морских просторов.

Направление рассеянного света, степень его поляризации, спектральный состав и т.д. приносят информацию о параметрах, характеризующих межмолекулярное взаимодействие, размерах макромолекул в растворах, частиц в коллоидных растворах, эмульсиях, аэрозолях и т.д.

Методы измерения рассеянного света с целью получения такого рода сведений называют нефелометрией, а соответствующие приборы - нефелометрами.

29.4. ОПТИЧЕСКИЕ АТОМНЫЕ СПЕКТРЫ

Атомными спектрами называют как спектры испускания, так и спектры поглощения, которые возникают при квантовых переходах между уровнями свободных или слабовзаимодействующих атомов.

Под оптическими атомными спектрами будем понимать те, которые обусловлены переходами между уровнями внешних электронов с энергией фотонов порядка нескольких электрон-вольт. Сюда относятся ультрафиолетовая, видимая и близкая инфракрасная (до микрометров) области спектра.

Наибольший интерес представляют оптические атомные спектры испускания, которые получают от возбужденных атомов. Их возбуждение обычно достигается в результате безызлучательных квантовых переходов при электрическом разряде в газе или нагревании вещества пламенем газовых горелок, электрической дугой или искрой.

В 29.1 были изложены общие соображения о спектрах атомов. Подробные сведения о спектрах конкретных атомов можно найти в специальных справочниках по спектроскопии. В качестве простого примера рассмотрим спектр атома водорода и водородоподобных ионов.

Из формул (28.24) и (29.1) можно получить формулу для частоты света, излучаемого (поглощаемого) атомом водорода (Z = 1):

Эта формула была экспериментально найдена И.Я. Бальмером еще задолго до создания квантовой механики и теоретически получена Бором (см. 28.7); i и k - порядковые номера уровней, между которыми происходит квантовый переход.

В спектре можно выделить группы линий, называемые спектральными сериями.

Каждая серия применительно к спектрам испускания соответствует переходам с различных уровней на один и тот же конечный (рис. 29.5).

В ультрафиолетовой области расположена серия Лаймана, которая образуется при переходе с верхних энергетических уровней на самый

нижний, основной (k = 1). Из формулы (29.15) для серии Лаймана получаем:

т.е. находим частоты всех линий этой серии. Самая длинноволновая линия имеет наибольшую интенсивность. Интенсивности спектральных линий на рис. 29.5 условно показаны толщиной прямых соответствующих переходов.

В видимой и близкой ультрафиолетовой областях спектра расположена серия Бальмера, которая возникает вследствие переходов с верхних энергетических уровней на второй (к = 2). Из формулы (29.15) для серии Бальмера получаем:

29.5. МОЛЕКУЛЯРНЫЕ СПЕКТРЫ

Молекулярные спектры (испускания и поглощения) возникают при квантовых переходах молекул с одного энергетического уровня на другой (см. 28.9) и состоят из совокупности более или менее широких полос, которые представляют собой тесно расположенные линии. Сложность молекулярных спектров по сравнению с атомными обусловлена

большим разнообразием движений и, следовательно, энергетических переходов в молекуле.

Учитывая (29.1) и (28.37), находим частоту, излучаемую или поглощаемую молекулой:

Молекулярные спектры позволяют исследовать не только строение молекул, но и характер межмолекулярного взаимодействия.

Молекулярные спектры поглощения (абсорбционные) являются важным источником информации о биологически функциональных молекулах, они широко используются в современных биохимических и биофизических работах.

Во многих случаях эти спектры регистрируют как сплошные, не разрешая те детали, которые были описаны выше.

Так, например, на рис. 29.8 приведен спектр поглощения суспензии эритроцитов. Спектр поглощения кожи человека изображен на рис. 29.9, в ультрафиолетовой части показатель поглощения велик и кожа поглощает излучение в самых верхних слоях. В видимой области показатель поглощения снижается и остается почти постоянным до красной области.

29.6. РАЗЛИЧНЫЕ ВИДЫ ЛЮМИНЕСЦЕНЦИИ

Люминесценцией называют избыточное над тепловым излучение тела при данной температуре, имеющее длительность, значительно превышающую период (10^-15 с) излучаемых световых волн.

Признак длительности в этом определении был предложен С.И. Вавиловым для того, чтобы отличить люминесценцию от некоторых других явлений вторичного свечения, например отражения и рассеяния света.

В зависимости от вида возбуждения различают несколько типов люминесценции.

Люминесценция, вызванная заряженными частицами: ионами - ио-нолюминесценция, электронами - катодолюминесценция, ядерным излучением - радиолюминесценция. Люминесценцию под воздействием рентгеновского и γ-излучения называют рентгенолюминесценцией, фотонов - фотолюминесценцией (см. 29.7). При растирании, раздавливании или раскалывании некоторых кристалов возникает триболюминес-ценция. Электрическим полем возбуждается электролюминесценция, частным случаем которой является свечение газового разряда. Люминесценцию, сопровождающую экзотермическую химическую реакцию, называют хемилюминесценцией (см. 29.8).

Фотолюминесценция, называемая иногда просто люминесценцией, подразделяется на флуоресценцию (кратковременное послесвечение) и фосфоресценцию (сравнительно длительное послесвечение).

Начальным актом любой фотолюминесценции является возбуждение фотоном с энергией hv атома или молекулы. В наиболее простом случае, который обычно реализуется в одноатомных парах и газах, атом возвращается в основное состояние, излучая фотон света той же частоты ν (рис. 29.10). Это явление называют резонансной флуоресценцией (резона нсным рассеянием). Специальные опыты показали, что такое све-

29.7. ФОТОЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯ

чение возникает приблизительно через 10^-8 с после освещения вещества и поэтому не является рассеянием в обычном понимании этого слова.

При добавлении в люминесцирующие пары инородных газов (водород, кислород и др.) резонансная флуоресценция уменьшается. Это обусловлено тем, что за время, пока атом находится

в возбужденном состоянии, он может встретиться с молекулой другого сорта и отдать ей энергию. Кинетическая энергия молекулы при этом возрастает, а атом безызлучательно переходит в основное состояние.

Более вероятно, что из возбужденного состояния 3 (рис. 29.11) молекула безызлучательно перейдет на уровень 2, а затем спонтанно с излучением кванта с энергией hv' на уровень 1.

В сложных органических молекулах возникает переход из возбужденного состояния 3 в некоторое промежуточное, метастабильное 4, переход из которого в основное состояние маловероятен (рис. 29.12). За счет молекулярно-кинетической энергии окружающих частиц или за счет нового кванта света возможен переход молекулы на возбужденный уровень 2, а с него - в основное состояние 1. Таков один из механизмов фосфоресценции. Нагревание увеличивает вероятность ухода с метаста-бильного уровня и усиливает фосфоресценцию.

Для фотолюминесценции в основном справедлив закон Стокса: спектр люминесценции сдвинут в сторону длинных волн относительно спектра, вызвавшего эту фотолюминесценцию (рис. 29.13).

В самом деле, как видно из рис. 29.10, энергия hv' излучаемого фотона не больше энергии hv поглощенного фотона:

откуда λ' > λ. Имеются отклонения от закона Стокса - антистоксова люминесценция. Особенно хорошо это видно при возбуждении фотолюминесценции отдельной спектральной линией, т.е. монохроматическим светом (рис. 29.14). Антистоксово излучение возникает при возбуждении частицы, которая уже находилась в возбужденном состоянии (рис. 29.15, уровень 3). При переходе с уровня 2 на основной 1 излучается энергия hv'. Как видно из рисунка:

Ряд биологически функциональных молекул, например молекулы белков, обладает флуоресценцией. Параметры флуоресценции чувствительны к структуре окружения флуоресцирующей молекулы, поэтому по люминесценции можно изучать химические превращения и межмолекулярное взаимодействие.

В последние десятилетия стали широко применять специальные флуоресцирующие молекулы, добавляемые мембранным системам извне. Такие молекулы получили название флуоресцентных зондов (неко-валентная связь с мембраной) или флуоресцентных меток (химическая связь).

Изменение флуоресценции зондов и меток позволяет обнаружить конформационные перестройки в белках и мембранах.

Рассмотрим некоторые применения фотолюминесценции для медицинских целей.

Люминесцентный анализ, основанный на наблюдении люминесценции объектов с целью их исследования, используют для обнаружения начальной стадии порчи продуктов, сортировки фармакологических препаратов и диагностики некоторых заболеваний. Так, пораженные грибком волосы и чешуйки под ультрафиолетовым светом дают ярко-зеленое люминесцентное свечение. Проницаемость капилляров кожи можно определить, вводя подкожно люминесцентные красящие вещества.

При благоприятных условиях люминесцентный анализ позволяет обнаружить люминесцирующие вещества массой до 10^-10 г.

Люминесцентный анализ микроскопических объектов проводят с помощью специальных люминесцентных микроскопов, в которых в отличие от обычных источников света, как правило, используются ртутные лампы высокого и сверхвысокого давлений и применяют два светофильтра. Один из них, расположенный перед конден-

сором, выделяет область спектра источника света, которая вызывает люминесценцию объекта; другой, находящийся между объективом и окуляром, выделяет свет люминесценции. На основе фотолюминесценции созданы источники света, спектр которых больше соответствует дневному свету, чем у ламп накаливания. Это имеет значение как для производственных целей, так и для гигиенических. В таких люминесцентных лампах, называемых лампами дневного света, происходит электрический разряд в парах ртути при низком давлении (электролюминесценция). На внутренней поверхности лампы, сделанной из обычного стекла (рис. 29.16), нанесен тонкий слой люминофора, который фотолюминесцирует под воздействием излучения паров ртути.

Изменяя состав люминофора, можно подобрать наиболее подходящий спектр фотолюминесценции. На рис. 29.17 показан один из возможных спектров, интенсивные линии соответствуют спектру паров, излучение которых частично проходит через люминофор.

29.8. ХЕМИЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯ

Люминесценция, сопровождающая химические реакции, называется хе-милюминесценцией.

Она испускается либо непосредственно продуктами реакции, либо другими компонентами, которые возбуждаются в результате переноса энергии им от продуктов реакции.

Яркость хемилюминесценции, т.е. число квантов, испускаемых в единицу времени, возрастает с увеличением скорости реакции и эффективности хемилюминесценции - среднего числа квантов, приходящегося на один акт реакции. По хемилюминесценции можно определить состав вещества (хемилюминесцентный анализ).

Частное проявление хемилюминесценции - свечение, сопровождающее химические реакции биологических объектов, - называют биохе-

милюминесценцией. Излучение гнилушек, светляков - примеры биохемилюминесцен-ции (биолюминесценции).

В среде биофизиков малоинтенсивная биолюминесценция получила название сверхслабого свечения, оно активно изучалось рядом ученых, в частности Ю.А. Владимировым.

Было показано, что в биологических системах хемилюминесценция возникает при рекомбинации перекисных свободных радикалов липидов: RO₂+RO₂ -- возбужденный продукт -- продукт + + квант хемилюминесценции.

Интенсивность хемилюминесценции существенно возрастает при добавлении к исследуемым биологическим системам, например, солей двухвалентного железа. На рис. 29.18 видно увеличение интенсивности люминесценции в суспензии митохондрий в момент введения двухвалентного железа. Если подобный эксперимент проделать с плазмой крови при гнойном аппендиците или холецистите, то можно заметить, что свечение в первом случае значительно слабее. Таким образом, хеми-люминесценция может использоваться как диагностический метод.

29.9. ФОТОБИОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ

Фотобиологическими называют процессы, которые начинаются с поглощения квантов света биологически функциональными молекулами, а заканчиваются соответствующей физиологической реакцией в организме или тканях.

Важной характеристикой воздействия света на протекание биологических процессов является спектр фотобиологического действия - зависимость фотобиологического эффекта от длины волны действующего света. Спектры действия позволяют определить, какая область спектра наиболее эффективно вызывает биологический процесс, а также выяснить механизм такого воздействия.

Медику необходимо понимание этих процессов для объяснения механизма зрения (см. 29.10) и оценки разнообразных воздействий УФ-излучений (см. 27.7).

Поглотив квант света (см. 29.2), молекула возбуждается. Энергия возбуждения может быть передана другим молекулам. Для фотобиологического процесса существенно, чтобы в результате такого возбуждения совершалось химическое превращение (фотохимическая реакция). После первичного фотохимического акта реакции развиваются так, что наличие света не обязательно (темновые реакции), в конце концов они и приводят к отклику биологической системы на свет.

Рассмотрим количественно начальные этапы этого процесса: поглощение света и первичную фотохимическую реакцию.

Аналогично 29.2, введем понятие эффективного сечения поглощения молекулой фотона σ. Отличие от вывода закона Бугера-Ламберта-Бера заключается по крайней мере в следующем: во-первых, будем учитывать уменьшение числа активируемых молекул, так как воздействие света вызывает их превращение; во-вторых, рассмотрим достаточно тонкий слой разбавленного раствора, это позволит считать интенсивность света I₀ постоянной и одинаковой во всем растворе.

Элементарное уменьшение концентрации dn молекул под действием света пропорционально:

- концентрации n молекул;

- эффективному сечению поглощения σ;

- времени облучения dt;

- количеству фотонов, которые в единицу времени проходят через 1 м² грани кюветы (I₀):

Здесь I₀t = D₀ - доза облучения, а σφ_χ = σ_χ - площадь поперечного сечения молекулы для фотохимического превращения, она пропорциональна вероятности такого взаимодействия фотона с молекулой, в результате которого произойдет фотохимическая реакция.

Для нахождения φ_χ строят график зависимости ln («₀ / n_t) = f (D₀) и по наклону прямой [см. (29.24)] определяют эту величину (рис. 29.19).

В фотохимии спектром действия называют зависимость σ_χ(λ). Эту зависимость можно найти, используя связь σ_χ = σφ_χ. Дело в том, что кван-

товый выход фотохимических реакций в растворах не зависит от длины волны действующего света (φ_χ = const). Физически это означает, что независимо от энергии возбуждения hv молекула будет возбуждена (см. 28.9) и сможет начать фотохимическое превращение. Учитывая это, можно заключить, что спектр действия σ_χ(λ) и спектр поглощения (см. 29.2) - зависимость σ(λ) - имеют одинаковый вид, так как различаются только постоянным множителем φ_χ. Такая

особенность позволяет, сопоставляя спектр фотобиологического действия со спектрами поглощения разных биохимических соединений, определить механизм действия света и, в частности, УФ-излучения.

Так, например, было установлено, что кривая гибели бактерий под действием УФ-излучения (спектр фотобиологического действия) подобна спектру поглощения нуклеиновых кислот. Это дало основание сделать вывод, что гибель бактерий обусловлена повреждением именно нуклеиновых кислот.

В 26.4 были рассмотрены особенности светопроводящей части глаза. Восприятие света глазом является фотобиологическим процессом, поэтому механизм работы световоспринимающего аппарата рассматривается здесь.

29.10. БИОФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЗРИТЕЛЬНОЙ РЕЦЕПЦИИ

Светочувствительные зрительные клетки - палочки и колбочки - играют разную роль в возбуждении светового ощущения. Палочки более светочувствительны, но не различают цвета. Колбочки различают цвета; кроме того, при достаточной яркости предмета они чувствительны к восприятию деталей изображения, поэтому разрешающая способность глаза обусловлена размещением колбочек на сетчатке (см. 26.4).

Палочки относят к аппарату сумеречного и ахроматического зрения, а колбочки - дневного и цветового.

Рассмотрим сначала некоторые общие вопросы чувствительности глаза к свету и цвету.

Светочувствительностью глаза называют величину, обратную пороговой яркости, т.е. минимальной яркости, вызывающей зрительное ощущение в данных условиях наблюдения.

Светочувствительность глаза изменяется в широких пределах благодаря зрительной адаптации - способности глаза приспосабливаться к различным яркостям. Адаптация осуществляется следующими способами:

1) изменением диаметра зрачка в пределах от 2 до 8 мм, что изменяет световой поток в 16 раз;

2) уменьшением концентрации неразложившегося светочувствительного вещества;

3) экранированием колбочек и палочек темным пигментом, помещаемым в сосудистой оболочке и способным в процессе адаптации перемещаться в направлении стекловидного тела;

4) изменением в зависимости от яркости предмета степени участия палочек и колбочек в возбуждении светового ощущения.

Адаптация позволяет глазу нормально функционировать в диапазоне яркостей от 10^-7 до 10⁵ кд/м². Нижний предел, или абсолютный порог светочувствительности глаза при полной темновой адаптации, составляет около сотни фотонов в секунду. Из них только около 10% поглощаются молекулами зрительного пигмента в палочках сетчатки, а остальные отражаются от роговицы, поглощаются оптическими средами глаза или проходят сквозь сетчатку и поглощаются в клетках пигментного эпителия. Наличие пигментного эпителия, подстилающего сетчатку, существенно уменьшает отражение и рассеяние света от задней стенки глаза. Глаз человека реагирует на электромагнитные волны с длиной волны приблизительно от 400 до 760 нм. Спектральная чувствительность глаза характеризуется видностью излучения:

Максимум кривой видности дневного зрения соответствует максимуму солнечного излучения, прошедшего атмосферу и попавшего на поверхность Земли (см. 27.4), в этом проявляется целесообразность организации глаза человека.

Палочка состоит (рис. 29.21) из чувствительного к свету наружного сегмента 1 и внутреннего сегмента 2, содержащего ядро и митохондрии, которые обеспечивают функционирование клетки. Внутри наружного сегмента расположены тонкие диски 3 диаметром около 6 мкм. Каждый диск состоит из бислойной мембраны и по форме напоминает сплющенную липосому (см. 13.1). В зрительные диски встроен зрительный пиг-

мент - родопсин. Число дисков в одной клетке измеряется несколькими сотнями. От внутреннего сегмента идет связь к нервному волокну.

Родопсин представляет собой сложный белок с молекулярной массой около 40 000. Диаметр его молекулы составляет 4 нм, если ее форму принять за сферическую.

Родопсин состоит из белка опсина и хромофорной группы - ретиналя.

Ретиналь, вообще говоря, может иметь несколько пространственных изомеров, но с опсином связывается только П-цисретиналь (рис. 29.22). Под действием света ретиналь отщепляется от родопсина и переходит в наиболее устойчивую конформацию сплошного трансизомера.

В результате изменения структуры ретиналя в мембране диска происходят изменения, связанные с изменением положения родопсина. Родопсин переходит с междисковой гидрофильной поверхности на внутреннюю гирофобную фазу мембраны.

Если в темноте мембрана диска непроницаема для ионов Na+, К+, Са²+ и др., то в результате освещения конформационное изменение родопсина приводит к изменению состояния мембраны: увеличивается проницаемость для некоторых ионов. В этих процессах функция родопсина состоит в том, что он под действием света способствует образованию пор в дисках для некоторых ионов и закрывает каналы на внешней мембране для ионов натрия. Это и приводит к возникновению потенциалов, вызывающих нервный импульс. Особенностью наружных сегментов палочек сетчатки является то, что в темноте потенциал имеет натриевую природу в отличие от потенциала других клеток (см. 13.7). В результате изменения структуры родопсина под действием света проницаемость мембран для натрия резко снижается, а для других ионов не

меняется. При этом на первое место выходит проницаемость для калия, потенциал становится калиевой природы и полярность его меняется. Это приводит к тому, что в отличие от всех других известных клеток на цитоплазматической мембране наружных сегментов палочек потенциал имеет знак плюс внутри и знак минус снаружи.

Пигмент колбочек содержит тоже П-цисретиналь, как и родопсин, но белковая часть пигмента отличается, поэтому пигменты колбочек называются иодопсинами.

Измерение спектров поглощения отдельных разновидностей колбочек показало, что каждая колбочка содержит определенный вид иодо-псина. Иодопсины колбочек человека имеют максимумы поглощения при 445, 535 и 570 нм (рис. 29.23). На этих сведениях базируется трех-компонентная теория цветного зрения. При некоторых генетических заболеваниях нарушается синтез белков-иодопсинов и глаз не способен различать красный и зеленый цвета (дальтонизм).