Загар с точки зрения фотохимика
И. Ильин
Что
ни говорите, а всё же приятно вернуться из отпуска с этаким бронзовым или шоколадным
загаром. Значит, на юг, навстречу солнечным лучам. Конечно, врачи предостерегают
от чрезмерности, но их советы слышаны-переслышаны, отпуск такой короткий, а уроки
прошлого года благополучно забыты.
Мы
лежим на пляже, созерцая голубую воду или блаженно закрыв глаза, и нисколько
нас не волнует тот каскад биологических, химических и физических процессов,
который в эту самую минуту идёт в нашем загорающем организме. А иногда не мешало
бы и задуматься. Причём чуть раньше — до того, как отправиться на пляж.
Как мы загораем
Примерно
так: проведя в первый же день некоторое время под солнцем, мы обнаруживаем, что
кожа стала розовой и горячей на ощупь. Никакого беспокойства это не причиняет.
Покраснение вызвано нагревом, оно исчезает почти сразу же после окончания
солнечной ванны.
Но
проходит несколько часов, наступает вечер, и большинство из тех, кто не проявил
умеренности, впадает в беспокойство. Покраснение появляется вновь, ощущение
такое, будто кожа обожжена. Могут начаться жар, озноб, тошнота. В более тяжёлых
случаях на коже образуются волдыри, иногда через сутки с лишним после облучения.
Ни о каком дальнейшем загаре и речи быть не может, а вот медицинская помощь
часто бывает необходима…
Всё
это — печальные последствия ультрафиолетовой, или солнечной, эритемы, которая
длится от десяти часов до нескольких дней. Эритема означает по-гречески
„краснота“. По существу, это воспалительная реакция, ожог кожи; как и термический
ожог, он может быть и сильным, и еле заметным.
А
когда воспаление наконец проходит, то кожа темнеет, шелушится и на ней
появляется загар. Все эти стадии процесса едва ли не каждый испытал на собственной
шкуре — редко кому загар достаётся совсем безболезненно. Но обязательно ли
шкура сначала должна слезть? Можно ли загореть, вовсе избежав ожога? Где тот
минимум облучения, который необходим для загара?
Вот
на эти (и некоторые другие) вопросы автор и попробует ответить в статье.
Химия темнеющей кожи
Прежде
всего о том, что происходит в коже под действием ультрафиолетовых лучей.
Защитная
реакция кожи на облучение — это образование чёрно-коричневого пигмента
меланина, строение которого в точности не установлено, а брутто-формула
записывается так: C77H98O33N14S. Реакция идёт в особых кожных клетках —
меланоцитах, которые в ходе развития организма образуются из нервных клеток и подобно
им имеют множество отростков-дендритов.
В
самом начале процесса находится аминокислота тирозин, которая окисляется с помощью
фермента тирозиназы. Дальнейшие её превращения происходят уже без ферментов и приводят
в конце концов к пигменту меланину. Связанный с молекулой белка, он образует в коже
тёмные зёрнышки размером от 0,1 до 2 мкм. Через отростки меланоциты как бы
впрыскивают эти зёрнышки в клетки верхних слоёв кожи и постепенно почти весь
меланин оказывается в наружном роговом слое. У альбиносов меланин не синтезируется
из-за отсутствия активной формы фермента тирозиназы; кожа у них всегда белая.
Рис.
1. Два пути ведут к загару: прямой, без покраснения кожи (справа), и более
сложный, с участием тирозииазы (слева).
В
незагорелой коже тоже есть меланин. Он собирается вокруг клеточных ядер и защищает
их от ультрафиолетовой радиации. Когда уровень радиации растёт, кожа темнеет в результате
окисления бесцветной, восстановленной формы пигмента: это так называемая
непосредственная пигментация. Однако меланина может и не хватить для эффективной
защиты. Тогда одновременно активируется тирозиназа, которая запускает свой,
биохимический механизм. Оба возможных процесса показаны на рис. 1, разумеется,
в весьма упрощённом виде.
Меланин
в коже (загорелой или естественно тёмной) — прекрасный УФ-фильтр: он задерживает
более 90% излучения. Однако это не единственный способ защиты. При интенсивной
радиации и загорелый человек, и даже негр, попавший на жаркое солнце после
долгого перерыва, не застрахованы от солнечного ожога. С другой стороны,
альбинос, совсем без меланина в коже, вырабатывает некоторую устойчивость к ультрафиолету.
Есть
несколько дополнительных механизмов защиты, не связанных с меланином. Самый
действенный из них — образование на поверхности кожи толстого роговогр слоя из мёртвых
клеток. Если осторожно удалить отмершие слои, то даже слабо действующие лучи
вызовут покраснение кожи, повышение температуры и прочие признаки солнечной
эритемы. А вслед за тем клетки начнут усиленно делиться, увеличивая число
защитных слоёв; и когда облучение повторится, роговой слой станет ещё толще.
Загоревшая кожа всегда более грубая и шершавая, чем она была до загара.
Другой
защитный агент — урокановая кислота, присутствующая в наружных слоях кожи. При облучении
транс-форма этого вещества переходит в цис-форму, а в темноте идёт обратная
реакция. Таким образом урокановая кислота превращает ультрафиолетовую радиацию
в безвредную для организма теплоту.
Урокановая
кислота есть и в поте, который тоже защищает кожу от избыточного облучения.
Видимо, этим объясняется тот факт, что в ветреную погоду загар образуется
быстрее — под ветром не пропотеешь…
Загар загару рознь
До
сих пор мы говорили об ультрафиолете вообще. Теперь поговорим в частности,
поскольку это излучение неоднородно и соответственно может по-разному
воздействовать на кожу.
УФ-излучение
разделяют условно на три области: мягкий ультрафиолет (область А), средний
(область В) и жёсткий (область С). Границы были в последний раз обозначены в 1963
г. Международной комиссией по освещению. Комиссия расположила мягкий
ультрафиолет, или УФА, в диапазоне 315–400 нм; средний, УФВ,— от 280 до 315;
жёсткий, УФС,— между 100 и 280 нм.
Рис. 2. Эритемная чувствительность кожи, обозначенная
буквой ч, имеет два максимума — в областях жёсткого и среднего ультрафиолета.
При мягком ультрафиолете чувствительность на два порядка ниже, так что
пришлось пристроить отдельно „окончание“ графика.
Так
вот, экспериментально доказано, что чувствительность кожи существенно зависит
от длины волны: это хорошо видно на рис. 2. Обратите внимание, что у кривой на рисунке
два „горба“ с максимумами в областях В и С. Это связано с упоминавшимся роговым
слоем, который поглощает свет с длиной волны менее 300 нм. При жёстком
облучении существенно меньше пороговая доза, то есть минимальное излучение,
которое вызывает покраснение кожи. Однако и последействие меньше — покраснение
быстро появляется и быстро исчезает.
Итак,
в области С легко получить эритему, но для чувствительного ожога нужна очень
большая доза. Забегая вперед, заметим, что в средней полосе и даже на черноморском
пляже жёсткого ультрафиолета практически нет. Основной источник покраснения и загара
— лучи из зоны В. А они как назло уже при небольшой передозировке вызывают
ожог… Но почему вновь и вновь мы возвращаемся к покраснению кожи? В конце
концов, наша цель — не покраснеть, а загореть, причём по возможности
безболезненно. Однако пигментация прямо связана с эритемой, и в естественных
условиях одно обычно следует за другим.
Следует
ли из этого, что для того, чтобы загореть, надо сначала, обгореть? Нет, не следует.
Во-первых, если очень долго принимать ультрафиолет очень понемногу, можно вовсе
не довести кожу до покраснения. Во-вторых, кожа привыкает к радиации и, чтобы
получить заданный эффект, надо всё более повышать биодозу. Защитная реакция
настолько велика, что время появления эритемы увеличивается от одной минуты до нескольких
часов; отмечались даже случаи тысячекратного снижения чувствительности!
Рис. 3. Здесь показана пигментирующая способность
ультрафиолета с различной длиной волны. Пик только одни но уже в другой области.
Поскольку данные приведены относительные, сравнивать первый и второй графики
в цифрах не следует.
Но
есть ещё одна, очень простая возможность загореть без ожога; возможность, о которой,
несмотря на её доступность, мало кто знает. Речь идёт о загаре в области УФА,
то есть при мягком излучении.
Спектральный
максимум загара в области УФА не совпадает с пиками эритемной чувствительности
и приходится на 340 нм (рис. 3). Некоторые исследователи утверждают даже, что
загар могут вызвать лучи уже в видимой области, вплоть до 450 нм. Это и есть
непосредственная пигментация. В отличие от эритемной, она возникает без
скрытого периода и достигает максимума уже через час после облучения. У загара
от мягкого ультрафиолета несколько иной оттенок — красно-коричневый; такой
загар весьма устойчив.
Однако
загореть в зоне УФА не так-то просто. Под действием мягкого ультрафиолета
пигментные тельца в коже не образуются, а усиливается окраска уже имеющихся
телец. Значит, нужна некая загарная „затравка“. Хорошо, если кожа заранее хотя бы
слегка загорела — тогда пигментация резко усиливается. Иначе требуется долгое
интенсивное облучение. Например, чтобы получить одинаковый загар от света с длиной
волны 297 нм (УФВ) и 370 нм (УФА), необходимо находиться на свету
соответственно 15 секунд и 75 минут…
В
общем, в мягком ультрафиолете можно загореть без ожога, но для этого нужен
мощный источник, излучающий в правильной области, и немалое терпение. Или — не нужно
ездить на юг из средней полосы. Ведь в умеренных широтах доля мягкого солнечного
ультрафиолета значительно выше, чем где-нибудь на Кавказе. Потому-то здесь
редко бывают солнечные ожоги, для загара требуется долгое время, зато загар
гораздо дольше держится, чем бронзовый южный.
Осторожно с ультрафиолетом!
Хотя
у организма есть немало защитных приспособлений, их возможности не безграничны,
о чём следует помнить всем любителям пожариться на солнце. Опасными могут быть
и искусственные источники излучения, причём ожог кожи не самая большая из возможных
неприятностей. Давно известна канцерогенная активность ультрафиолета, в кругах
неспециалистов, пожалуй, несколько преувеличенная. Свет с длиной волны 254 нм и
более 334 нм вовсе не проявляет канцерогенного действия: наиболее опасны лучи
от 301 до 303 нм, то есть там, где самая высокая чувствительность к ожогу.
Однако канцерогенная доза намного превосходит эритемную: опухоль на коже
возникает лишь при тысячекратном превышении порога. Эксперименты на животных
показали: если сначала немного превысить тот уровень, при котором кожа краснеет,
а потом постепенно усиливать облучение, опухоль не появляется вовсе.
Есть
и более реальная опасность от чрезмерного ультрафиолета, опасность, которую
прежде всего надо учесть профессиональным химикам. Речь идёт о сенсибилизации.
Под
действием определённых химических соединений (их называют сенсибилизаторами)
может значительно возрасти чувствительность — в данном случае кожи — к ультрафиолетовому
и даже видимому свету. Такие соединения попадают в кожу и при непосредственном
контакте, и при приёме внутрь. Известно довольно много фотосенсибилизаторов
загара; среди них различные смолы, желчь, хинин, метиленовый синий, эозин, а также
мука, вызывающая болезнь, именуемую „гречичной“. Как сенсибилизаторы действуют
и некоторые лекарства, например сульфаниламиды. В период лечения такими
препаратами врачи советуют избегать длительного пребывания на солнце и не назначают
некоторых физиотерапевтических процедур, наподобие кварцевания.
Вполне
умышленно синтезированы соединения с особо мощным фотосенсибилизирующим действием.
Недавно в медицинскую практику был введён метод безэритемного лечебного загара,
так называемая PUVA-терапия. В день облучения пациент глотает таблетку,
содержащую вещества из группы фурокумаринов (бероксан, пувален и т. п.). После
этого чувствительность к свету настолько увеличивается, что необходимо в течение
6–8 часов носить тёмные очки, а летом защищать и лицо. Через два часа после
приёма таблетки кожу облучают особыми светильниками, имеющими максимум
излучения в области мягкого ультрафиолета. Вскоре появляется сильный загар,
который увеличивается в течение ближайших недель. В большинстве случаев
никакого покраснения кожи не наблюдается вовсе.
Такой
способ мягкого искусственного загара в косметических целях пока не используется.
Зато иногда он даёт неплохие результаты при лечении псориаза.
Где раздобыть УФ-лучи!
Рассказ
о загаре и механизмах его образования повиснет в воздухе, если не сказать
ничего об источниках излучения. Начнём с главного — с солнца.
Чувствительность
кожи, как вы помните (а если не помните, ещё раз взгляните на рис. 2), резко
падает после 300 нм. Наименьшая длина волны, зарегистрированная на уровне
моря,— 286 нм. Реально в умеренных, не тропических широтах свет с длиной волны
менее 295 нм никогда не достигает поверхности земли; в Москве это число ещё
выше — 301 нм.
Иное
дело в горах. Там при подъёме на каждые 100 метров интенсивность УФ-радиации
возрастает на 3–4%, причём граница постепенно сдвигается в сторону жёсткого
излучения. Поэтому на больших высотах солнечное излучение опасно. А в Ленинграде,
например, с 15 октября по 15 марта — „биологическая ночь“: лучи, способные
вызывать эритему, в этот период вообще не достигают земли. Москвичи почти
лишены естественного ультрафиолета два самых коротких зимних месяца.
Другие
диапазоны тоже для нас небезразличны. Поток солнечного света в видимой области
вызывает нагрев кожи и усиливает выделение пота. Инфракрасные лучи способны
проникать в кожный покров и усиливать биологическую активность клеток. Они — и это
существенно — могут ослаблять воздействие ультрафиолета. Наиболее благоприятно
для нас с вами комбинированное воздействие инфракрасных лучей в области около
1100 нм в сочетании с ультрафиолетовыми. В этом случае требуется вдвое большее
облучение, чтобы на коже возникло покраснение.
Рис. 4. Спектральный состав излучения лампы „Фотон“
(кривая I) и ртутной лампы высокого давления (кривая II)
Нет
ничего удивительного в том, что совместное воздействие двух видов излучения
наилучшим образом воздействует на организм человека. Такое сочетание
естественно, а ответ на него формировался в течение миллионов лет эволюции;
было время приспособиться…
Все
искусственные источники света дают излучение, не очень-то похожее на солнечное.
Для иллюстрации на рис. 4 показан спектральный состав излучения косметической
лампы „Фотон“, основной элемент которой — кварцевый шарик с капелькой ртути. Если
в сети недостаточное напряжение или лампа плохо отрегулирована, она горит
слабым бледно-синим светом и почти всё её излучение сосредоточено в линии ртути
254 нм. Подобный спектр и у бактерицидных увиолевых ламп, часто используемых в поликлиниках
и больницах. Такие лампы неплохо обеззараживают воздух и питьевую воду, они
стерилизуют различные поверхности, но совершенно непригодны для получения
загара.
Если
повысить давление в ртутной лампе до нескольких атмосфер, то интенсивность
излучения заметно увеличится, узкие ртутные линии расширятся, а между ними
появится ощутимый фон (это также показано на рис. 4). Такого рода лампы
известны как „кварцевые“. Надо иметь в виду, что их излучение может вызвать не только
загар, на и сильный ожог кожи, если сразу дать большую дозу.
Ещё
ближе к непрерывному солнечному спектру яркий белый свет ламп сверхвысокого
давления, наполненных ксеноном; их применяют для освещения стадионов,
аэродромов, площадей. Но, пожалуй, особый интерес представляют эритемные лампы,
устроенные как обычные люминесцентные, но сделанные из стекла, прозрачного в области
мягкого ультрафиолета.
На
внутреннюю поверхность эритемных ламп нанесены люминофоры, скажем, силикаты и фосфаты
металлов второй группы, активированные тяжёлыми металлами. У них максимум
излучения в области УФА, а в жёсткой области они совсем не излучают. Эритемные
лампы выгодно отличаются от ртутно-кварцевых и тем, что не провоцируют
образования в воздухе озона и окислов азота, не требуют защиты глаз, а для
получения профилактической дозы ультрафиолета достаточно облучать открытые
части лица и рук в течение рабочего дня. То есть не отрывая людей от дела.
Рис. 5. Прозрачность шести распространённых материалов в ультрафиолетовой
области: 1 — лавсановая плёнка, 0,15 мм; 2 — поливинилхлоридная плёнка, 0,15 мм;
3 — оргстекло, 2,5 мм; 4 — оконное стекло, 1 мм; 5 — то же, 6 мм; 6 —
оптический кварц, 3 мм.
И,
наверное, нет нужды говорить о том, что лампы накаливания, даже очень мощные,
для загара не годятся…
А
какие материалы пропускают ультрафиолет, какие задерживают? Почти все вещества,
непрозрачные в видимой области, непрозрачны и для ультрафиолета. Но обратное
утверждение далеко не всегда верно, и совершенно прозрачный на вид материал
может полностью задерживать УФ-лучи. Для наглядности на последнем, пятом
рисунке показаны спектры пропускания распространённых материалов. Поглядите,
как важна толщина материала. Кстати, стекло в тонком слое, около 0,1 мм, весьма
прозрачно во всей УФ-области. И обычное оконное стекло толщиной 3 мм пропускает
свет в области мягкого излучения. Так что теоретически можно загореть, вопреки
распространённому мнению, и под стеклянной крышей. Но время, потраченное на загар,
окажется настолько долгим, что, право, разумнее использовать его как-нибудь
иначе…
Частично
пропускает ультрафиолет и лёгкая одежда; наиболее прозрачны ткани редкого
плетения из тонких волокон, особенно типа капрона. Вообще же из полимерных
материалов самый прозрачный в ультрафиолете — полиэтилен. Для удлинения сезона
солнечной терапии на географическом факультете МГУ предложены обтянутые
полиэтиленом кабины, несколько напоминающие парники. В них тепло, как летом,
даже когда на улице всего 6–7°С. А ультрафиолетовая радиация Солнца ослабляется
на каких-то 10%.
Обсуждением
достоинств и недостатков (с точки зрения фотохимика) различных материалов,
прозрачных и непрозрачных в ультрафиолете, мы и закончим статью о загаре.
Некоторые сведения практического характера — в заметках, которые напечатаны
ниже.
Загорайте на здоровье!
Экспериментальные
факты и теоретические соображения, изложенные в статье о загаре, свидетельствуют
о том, что ультрафиолет может быть использован и на благо, и во вред. В этих
заметках вы найдёте полезные сведения и практические рекомендации, которые,
будем надеяться, помогут вам загорать исключительно на здоровье.
УФ-лучи
полезны, более того, необходимы для человека хотя бы потому, что витамин D
образуется в организме при облучении в диапазоне 280–320 нм. Впрочем, это
общеизвестно. Реже можно встретить упоминания о том, что ультрафиолет в разумных
дозах помогает организму подавлять простудные, инфекционные и аллергические
заболевания, усиливает обменные процессы и улучшает кроветворение. А также
(химики, внимание!) повышает устойчивость ко многим вредным веществам, включая
свинец, ртуть, кадмий, бензол, четыреххлористый углерод и сероуглерод.
Однако
ультрафиолет полезен не всем. Он противопоказан при активных формах
туберкулёза, при выраженном атеросклерозе, гипертонической болезни II и III
степени, болезнях почек и некоторых других заболеваниях.
Есть сомнения — советуйтесь с врачом
Прежде
чем загорать, не мешает узнать отношение своего организма к ультрафиолетовой
радиации.
У
большинства людей эритема закономерно переходит в загар, а при облучении мягким
ультрафиолетом кожа сразу и непосредственно пигментируется. Таких людей
примерно 3/4; при известной осторожности они могут загореть, не получив ожога.
Другая
группа (около 10%) — люди с повышенной чувствительностью к солнечным лучам.
Обычно у них бледная кожа, часто с веснушками. При прочих равных условиях для этих
людей очень мало пороговое время появления эритемы. Следовательно, загорать им трудно.
Наконец,
к третьей группе (примерно 15%) относятся люди с сильно пигментированной грубой
кожей. Они могут особенно не опасаться солнечного ожога, так как кожа у них
обычно пигментируется вовсе без покраснения.
Чувствительность
к УФ-излучению не есть свойство, раз и навсегда, от рождения данное. В зависимости
от состояния организма, тренированности, адаптации эта чувствительность может
меняться. Наблюдения в Ферганской области показали, что у людей с низким
артериальным давлением сильная реакция на ультрафиолет бывает в 5 раз чаще, чем
у людей с нормальным давлением. А у спортсменов повышенная чувствительность не отмечалась
вовсе.
Защитная
загарная реакция заметно меняется и в течение года. Как правило, наивысшая
чувствительность к ультрафиолету бывает в апреле-мае, после выхода из зимнего
„солнечного голодания“, а наинизшая — в июле-августе.
Биодоза
— это минимальное облучение, вызывающее лёгкое и безболезненное покраснение
кожи. Чтобы не получить ожога, надо начинать, скажем, с 1/4–1/2 биодозы, а затем
постепенно увеличивать время пребывания на солнце. Определить биодозу для себя
и своих близких каждый из вас может самостоятельно, сделав очень простое
устройство — биодозиметр Горбачёва. Это пластинка из любого непрозрачного
материала с шестью отверстиями диаметром около 1 см, прикрытыми шторками.
Пластинку прикладывают к незагоревшей коже и через равные промежутки времени
открывают очередную шторку. При кварцевании — каждую минуту: в таком случае
участки кожи облучаются от 1 до 6 минут. Биодозе соответствует такое облучение,
которое вызывает умеренное покраснение через сутки (у взрослых) или через
несколько часов (у детей).
Использовать
биодозиметр совершенно необходимо, если вы собираетесь загорать под каким-либо
искусственным облучателем. Что касается загара под солнцем, то примите к сведению,
что в средней полосе в ясный безоблачный день раздетый человек лёжа получает
эритемную дозу примерно за один час при высоте солнца над горизонтом 54°.
Сведения для других широт — в таблице.
Месяцы
Географическая широта
Высота солнца, градусы
Пороговое время появления эритемы, минуты
прямые лучи и рассеянный свет
только рассеянное излучение
Июнь — Август
70° (Мурманск, Норильск, Амдерма, Певек)
42,5–43,8
90
150
Май — Июнь
60° (Ленинград, Вологда, Соликамск, Магадан)
46–57
65
135
Август
45° (Ялта, Новороссийск, Пятигорск, Шевченко, Алма-Ата,
Владивосток)
62–63
20
40
Пока
кожа не загорела, не превышайте порогового времени! В первые дни старайтесь и близко
не подходить к порогу.
Обратите
внимание на возможность загара при рассеянном излучении. Когда солнце
подымается над горизонтом не выше 54°, рассеянное солнечное излучение даёт
больше биологически активного ультрафиолета, чем прямые лучи. Утром и вечером,
весною и осенью в северных районах мы получаем полезный ультрафиолет почти
исключительно благодаря рассеянному излучению небесной сферы. Если солнце
находится в 20° над горизонтом, то поток ультрафиолета снижается в 21 раз для прямых
лучей и лишь в 3 раза для рассеянных.
Многие
полагают, что в облачную погоду загорать бесполезно. Ничего подобного: облака
задерживают только прямые лучи. Рассеянная радиация проходит через них почти
беспрепятственно (а иногда даже немного увеличивается). Во всяком случае,
весьма плотные слоистые облака задерживают не более четвёртой части
ультрафиолетовых лучей.
Отсюда
вывод: чтобы получить профилактическую дозу ультрафиолета, надо достаточное
время находиться на свежем воздухе, не заботясь особенно о том, попадает на кожу
солнечный свет или не попадает.
Однако
и для того, чтобы хорошо загореть, совсем не обязательно лезть в пекло, под
прямые лучи. Напротив. Загорать в тени — в этом, согласитесь, что-то есть…
Вполне достаточно, если значительная часть небесной сферы не загорожена от вас,
скажем, домами или густым лесом. Идеальные условия — тень от одиноко стоящего
дерева в ясный день. Или тень от большого зонта (либо маленького тента) на солнечном
пляже.
Список литературы
Для
подготовки данной работы были использованы материалы с сайта http://wsyachina.narod.ru/