Формула загара

Николай II, последний российский император, с недоумением написал в дневнике о дочерях: «Откуда это у великих княжон странное желание почернеть от солнца?». Ведь в годы его молодости белая кожа считалась свидетельством благородного происхождения, поэтому ее защищали от солнца. Потом времена изменились: показателем благосостояния и здорового образа жизни стал загар. В начале XХ века эта мода распространилась по всему миру. А что говорит о загаре наука?

  Такой разный ультрафиолет

Люди становятся золотистыми или бронзовыми, когда на их кожу попадают искусственные или естественные ультрафиолетовые лучи - свет с длиной волны менее 400 нм (более длинноволновое излучение относится уже к видимому свету). Источник естественного ультрафиолета - прямая или рассеянная солнечная радиация (слово «рассеянный» означает, что загореть можно и в облачную погоду), а искусственного - например, ртут-но-кварцевые лампы. Но ультрафиолет бывает разный, и его действие на кожу зависит от длины волны излучения. Мягкое УФ-излучение (315-400 нм, УФ-А) наименее опасно для организма. Средний ультрафиолет (280-315 нм, УФ-В) и жесткий (100-280 нм, УФ-С) гораздо опаснее, так как они лучше поглощаются биологическими молекулами.

До поверхности Земли доходит только излучение А и В, а от жесткого ультрафиолета С нас пока спасает озоновый слой (хотя сейчас из-за озоновых дыр ситуация меняется). Как показали специальные исследования, до земной поверхности не доходят лучи с длиной волны меньше 286 нм. Реально же на умеренные широты попадает излучение от 295 нм (в Москве - от 301 нм). То, под каким УФ-излучением мы загораем, зависит помимо всего прочего от широты местности, ее высоты над уровнем моря и запыленности атмосферы. Получить солнечный ожог в горах несравненно легче, чем на равнине, а на юге загорают быстрее, чем в средних широтах.

Тайны меланина

Загар - это защитная реакция кожи на облучение. Под действием света в ней образуется особый черно-коричневый пигмент меланин (от греческого melas - черный), который не только защищает кожу от излучения, но и выполняет функции антиокислителя, нейтрализуя опасные для клеток свободные радикалы. Меланин в больших или меньших количествах есть и в незагорелой коже, и он же окрашивает радужную оболочку глаз и волосы (его нет только у альбиносов).

Он синтезируется в особых клетках кожи - меланоцитах, а регулирует этот процесс гормональная система, в основном гормоны гипофиза (так называемые меланоцит-стимулирующие гормоны). Взаимодействуя с молекулой белка, меланин формирует темные зернышки размером от 0,1 до 2 мкм. Меланоциты через свои отростки как бы впрыскивают эти зернышки в клетки верхних слоев кожи, пока почти весь меланин не окажется в наружном роговом слое. Оттенок загара, возможно, зависит от того, в каком состоянии находится меланин: в окисленном он черный, а в восстановленном - желто-коричневый.

Чем дольше человек находится под солнцем, тем толще становится роговой слой. Поэтому загоревшая кожа становится более грубой и шершавой, чем она была до загара. Еще одна степень защиты - уро-кановая кислота, присутствующая в наружных слоях кожи. При облучении молекулы этой кислоты изменяют свою форму (транс-форма переходит в цис-) и таким образом превращают ультрафиолетовую радиацию просто в теплоту. В темноте идет обратная реакция.

Бери все в меру

Но почему мы должны защищать кожу от ультрафиолета? Ведь известно, что он полезен, более того, необходим человеку хотя бы потому, что стимулирует образование витамина D (при длине волны 280-320 нм). Умеренные дозы ультрафиолета помогают организму подавлять простудные, инфекционные и аллергические заболевания, улучшают питание и кровоснабжение кожи, способствуют нормализации обмена веществ, благотворно действуют на аппетит и сон. Более того, ультрафиолет повышает устойчивость ко многим вредным веществам, в частности к свинцу, ртути, кадмию, бензолу, тетрахлориду углерода и сероуглероду, что весьма важно для химиков. Но все хорошо в меру.

Избыток УФ-излучения, напротив, угнетает защитные силы организма, а кроме того, нарушает обменные процессы, функцию эндокринной системы. Многие испытали на себе, как плохо сказывается длительное облучение на самочувствии: появляется повышенная возбудимость, раздражительность или, наоборот, вялость. Давно известно и то, что лучи с длиной волны в интервале 270-334 нм могут вызвать рак: наиболее опасны УФ-волны длиной от 301 до 303 нм - именно в той области самая высокая чувствительность кожи к ожогу.

Не обошлось без ДНК

Давайте постараемся проследить путь кванта света после того, как он попадает на кожу, и понять, что же вредного он в себе несет. Биомолекулы (какие - мы увидим дальше) поглощают кванты света и переходят в возбужденное состояние.

Не будем вдаваться в подробности энергетических переходов. Для нас важны два обстоятельства: во-первых, в возбужденных состояниях молекулы живут очень недолго (ничтожные доли секунды), а во-вторых, они становятся очень ре-акционноспособными. У такой молекулы есть три возможных судьбы. Первая - вернуться в основное состояние; при этом избыток энергии, принесенный квантом света, перейдет в тепловую энергию, которая передастся другим молекулам и рассеется в окружающее пространство. Вторая - испустить квант света. Наконец, возбужденная молекула может вступить в ту или иную химическую реакцию: изомеризации, ионизации, диссоциации или в реакцию с другими молекулами. Таким образом, ультрафиолет запускает различные вторичные процессы, в том числе и цепные реакции. Единственное препятствие - малое время жизни возбужденных состояний.

Итак, у молекулы, поглотившей квант света, есть несколько путей для дальнейшего превращения. Для нашей кожи опасен третий путь - химические реакции возбужденных молекул. Например, когда в такую реакцию вступают фрагменты ДНК, то возникают мутации, а это может стать причиной перерождения клетки в раковую. Эти фрагменты - азотистые основания нуклеотидов, по-разному реагируют на возбуждение: вредоносные превращения пиримидиновых оснований происходят в 10 раз легче по сравнению с пуриновыми. Пи-римидины могут вступать в реакции димеризации, гидратации или образовывать сшивки с белками. Но самая опасная из них - димеризация, из-за нее происходит 70-80% всех необратимых поврежде
ний ДНК под действием УФ-света.

Конечно, в клетках предусмотрена защита от фотоповреждений. Есть множество ферментов, которые вырезают поврежденные участки и затем достраивают разорванную цепь ДНК. Так, существует фермент фотолиаза, который расщепляет пиримидиновые димеры. По некоторым данным, участвует в фотозащите и гормон серотонин, который встраивается в ДНК (без образования химических связей) и мешает образованию опасных димеров. Пиримидиновые основания поглощают свет в области 200-300 нм. Однако исследования показали, что изменения в ДНК могут происходить и под действием света УФ-А (320-400 нм), но этот механизм еще полностью не изучен. К счастью, мягкий УФ-А действует сравнительно слабо, и вред от него проявляется только тогда, когда интенсивность и доза излучения на несколько порядков выше по сравнению с коротковолновым УФ-излучением.

К сожалению, одной ДНК дело не ограничивается, УФ-радиация может повреждать и белки. Поскольку к белкам относятся все ферменты, то их повреждение может отозваться тяжелыми последствиями. Измерения показали, что эффективность повреждения белков может быть 0,1-1% в расчете на число поглощенных квантов. Не все аминокислотные остатки в составе белков одинаково чувствительны к ультрафиолету: быстрее всего начинают реагировать триптофан и цистин. Но и этого вполне достаточно: из триптофана получается реакционноспособный радикал, который может сшивать соседние цепи белка.

Помимо ДНК и белков, ультрафиолет может действовать и на липиды, то есть на мембраны клеток. При облучении изменяется их ионная проницаемость, из-за чего клетки набухают и разрываются. Так кванты света разрушают эритроциты и работу внутриклеточных органелл, таких как митохондрии и лизосомы. В случае биологических мембран кванты действуют не напрямую, но также безотказно: сначала ультрафиолет улавливают фотосенсибилизаторы, которые передают возбуждение на липиды. В состав липидов входят полиненасыщенные жирные кислоты с несколькими двойными связями, что и делает их чувствительными к фотоокислению. Начинается цепная реакция, в результате которой получаются гидроперекиси. Цепное фотоокисление липидов можно затормозить с помощью ингибиторов - молекул, перехватывающих свободные радикалы. Ингибиторы цепного окисления называются антиокислителями, или антиоксиданта-ми. Наиболее известный из них - альфа-токоферол (витамин Е).

Что и как защищает кожу?

Обычно те материалы, которые задерживают видимый свет, непрозрачны и для УФ-лучей. Обратное не всегда верно: вещество может быть совершенно прозрачным и бесцветным и в то же время почти полностью задерживать УФ-лучи. Очень важна и толщина материала: с ее увеличением интенсивность поглощения возрастает по экспоненте. Например, обычное оконное стекло толщиной 0,1 мм весьма прозрачно во всей УФ-об-ласти. То же стекло толщиной 3 мм пропускает свет уже только в области УФ-А. Частично пропускает ультрафиолет и легкая одежда. Наиболее прозрачны ткани редкого плетения из тонких волокон, вроде капрона. Из полимерных материалов самый прозрачный - полиэтилен, он совсем немного ослабляет УФ-радиацию. В то же время пленки из полистирола и некоторых других полимеров задерживают ультрафиолет значительно лучше.

Чтобы защитить кожу от солнца, особенно на пляже, используют специальные кремы. Они в ходу довольно давно, но раньше их состав подбирали чисто эмпирически, не имея представления о том, какие химические реакции происходят в коже под действием света. Получались, по современным понятиям, довольно жуткие смеси. Так, в рецептурном справочнике, изданном с США в 30-е годы, в состав солнцезащитных кремов рекомендовали вводить различные экзотические вещества (трагант, миндальное масло, сосновое масло, китайское коричное масло и т.п.), а также весьма сомнительные соединения - борную кислоту, буру, фенол, полиалкилгликоли (под фирменным названием «глико-пон»), сульфат хинина, холестерин, нафтолдисульфонат натрия.

Сейчас подход к созданию солнцезащитных кремов чисто научный. Косметологи исходят из того, что эти средства должны помогать природным механизмам обезвреживать опасные кванты УФ-излучения. Эта помощь может быть просто механической: например, оксид цинка или титана делает крем ярко-белым и он образует на коже непрозрачный слой, который отражает и рассеивает ультрафиолетовое излучение. В состав кремов вводят также органические соединения, которые поглощают солнечную радиацию в нужном диапазоне длин волн. При этом молекулы-защитники не должны сами вступать в реакции или давать вредные продукты, например свободные радикалы. Их задача - поглотить квант света, очень быстро возвратиться из возбужденного состояния в основное и работать дальше. Конечно, к веществам в составе солнцезащитных кремов предъявляют и другие требования: они должны быть нетоксичными, не раздражать кожу и т.д.

Эксперименты показали...

Ученые из Института биофизики клетки РАН (Пущино) показали, что повышенная солнечная активность может провоцировать вспышки эпидемий. Русский биофизик А.Чижевский еще в начале XX века указывал на взаимосвязь солнечной активности со вспышками эпидемий. Сегодня исследователи под руководством старшего научного сотрудника Н.Карнауховой решили поискать причину этой возможной взаимосвязи. Для этого они сопоставили изменение некоторых параметров солнечной активности с количеством и функциональным состоянием лимфоцитов (клеток, ответственных за иммунитет) в крови животных. В исследовании были использованы новые методики, разработанные в лаборатории микроспектрального анализа клеток и клеточного мониторинга состояния окружающей среды Института биофизики клетки.

Сведения о количестве пятен на Солнце и величине солнечного потока исследователи получали из Уссурийской астрофизической обсерватории и из Интернета. Объектом исследования была кровь кроликов и крыс-самцов линии Вистар. Часть отобранной крови использовали для рутинного анализа, который делают во всех поликлиниках и больницах - для полсчета общего числа ядерных клеток, то есть лимфоцитов. Другую часть крови исследовали с помощью микроспектрального флуоресцентного метода на двухволновом микро-флуориметре «Радикал ДМФ-2». Предварительно мазок крови на стеклышке обрабатывали флуоресцентным красителем акридиновым оранжевым. Краситель по-разному окрашивал активные и подавленные лимфоциты. Синтетическая активность клеток отражалась в спектре разной интенсивностью соответствующих полос излучения - красной и зеленой. Соотношение этих интенсивностей и стало параметром, положенным в основу анализа.

Что же показали эксперименты? При повышении солнечной активности во всех случаях увеличивалось общее количество лимфоцитов в крови. Это означало, что организм животных отзывался на внешнее воздействие. Однако активность лимфоцитов, в данном случае синтетическая активность, заметно снижалась. Дело в том, что в клетке лимфоцита постоянно синтезируются белки - строительный материал будущих антител, которые и подавляют чужеродную инфекцию. Если синтез идет активно, то такой лимфоцит хорошо выполняет свою функцию защиты организма от инфекции. Если синтез подавлен, то лимфоцит равнодушен к инфекции, и в организме плохо развивается иммунный ответ.

Эксперименты показали, что повышенная солнечная активность подавляет синтетическую функцию лимфоцитов, они хуже выполняют свою защитную роль. Возможно, это одна из причин возникновения эпидемий инфекционных болезней во время неспокойного Солнца.

Подготовил Юрий БОРИСОВ.
По материалам «New Scientist», «Reuters».