Биофизические основы физиотерапии - часть 9

Рис. 2.12. Энергетические уровни молекулы.

Е

e1

 и Е

е2

 — электронные (связанные с конфигурацией гибридных орбита-

лей) уровни энергии, V

1

 и V

2

 — колебательные уровни-спутники соответст-

вующих электронных энергетических уровней, R — вращательные (ротаци-

онные) энергетические уровни. Для адекватного масштаба расстояние меж-

ду электронными уровнями следует увеличить в 3—4 раза.

ротковолнового ультрафиолетового излучения (УФС), тогда

как образующие двойные и тройные связи π-электроны легко

возбуждаются квантами среднедлинноволнового ультрафио-

летового излучения (УФВ и УФА) и даже видимым диапазо-

ном излучения. Именно благодаря сопряженным двойным

связям в молекулах меланина и каротина эти вещества вос-

принимаются нами как окрашенные, а не бесцветные. Со-

пряженные двойные связи являются необходимым условием

миграции энергии по биомакромолекулам. Разность значений

энергии между полосой основного и наименьшего возбуж-

денного состояний для σ- и π-электронов молекул с сопря-

женными двойными связями показана на рис. 2.14.

Энергия колебательных уровней соответствует средневол-

новому инфракрасному излучению, а вращательных уров-

68

Рис. 2.13. Диаграмма основного и возбужденных энергетических

уровней органических молекул.

ней — дальней инфракрасной (ИК)-области спектра и мик-

роволновому радиоизлучению.

Различная глубина проникновения излучений от ламп —

соллюкс и Минина — обусловлена именно особенностью мо-

лекулярных спектров поглощения. «Синяя лампа», или лампа

Минина, — один из простых, доступных и вместе с тем попу-

лярных и эффективных аппаратов фототерапии. Колба лампы

Минина изготовлена из кобальтового стекла, непрозрачного

для инфракрасных («тепловых») лучей и большей части види-

мого излучения, кроме синей и фиолетовой области спектра.

Кобальтовое стекло синее от того, что красное, желтое и зе-

леное излучения оно поглощает, а синее пропускает. Такая

конструкция приводит к тому, что непосредственным источ-

ником ИК-лучей от синей лампы является не раскаленная

вольфрамовая нить, а нагретая от нее стеклянная колба. Нить

накаливания, нагретая до 1500—2000 °С. имеет максималь-

ную плотность энергетической светимости в области ближне-

го инфракрасного излучения с длиной волны 1,5—2 мкм.

Колба, нагретая от нити всего до 150—200 °С, основную долю

69

Рис. 2.14. Разность энергии между зонами основного состояния σ-

и л-электронов и возбужденного состояния σ*- и π*-элекгронов:

ΔWσ и Δπ [Самойлов В.О., 2004].

энергии излучает в инфракрасном диапазоне с длиной волны

5—8 мкм. Более «холодное» излучение от колбы «синей лам-

пы» имеет длину волны 6—7 мкм и обладает в несколько раз

меньшей проникающей способностью в биологические ткани

по сравнению с излучением 1,5—2 мкм и. поглощаясь в по-

верхностных слоях, эффективнее нагревает их, не проникая

глубже в ткани. Существенное снижение проникающей спо-

собности длинноволнового ИК-излучения объясняется тем.

что такое излучение поглощается колебательными энергети-

ческими переходами молекул воды.

Кванты ближнего ИК-излучения от лампы-соллюкс с про-

зрачным стеклянным баллоном глубоко проникают в ткани

вследствие того, что для возбуждения электронных уровней

они несут мало энергии, но вместе с тем существенно боль-

ше, чем требуется для возбуждения колебательных переходов.

Если квант имеет энергию, равную или близкую разности

энергетических состояний молекулы (атома), он с высокой

вероятностью поглощается. Если же энергия фотона сущест-

венно не совпадает с энергией разности состояний молекулы

(электронных, колебательных, вращательных), то вероятность

поглощения мала и фотон взаимодействует с молекулой-ми-

шенью по механизму упругого соударения, т.е. рассеивается.

Ближний ИК-диапазон прозрачен для биологических тканей,

потому что его кванты уже практически не возбуждают элект-

70

ронных переходов, но все же еще имеют слишком высокую

энергию для эффективного возбуждения колебательных сте-

пеней свободы молекул. Вследствие указанных причин инф-

ракрасное излучение с длиной волны 800—1500 нм соответст-

вует «окну прозрачности» для биологических тканей, а ИК-

излучение с длиной волны 6000—7000 нм уже эффективно

поглощается молекулами воды за счет возбуждения колеба-

тельных энергетических уровней.

Т Е С Т Ы

1. Тепловое излучение материальных тел происходит за счет:

А. Переходов между энергетическими уровнями атомов и

молекул, входящих в состав данного тела.

Б. Внутренней энергии данного тела.

В. Свободной энергии данного тела.

2. Абсолютно черное тело — это такое материальное тело, ко-

торое:
А. Все падающее на него излучение поглощает и ничего не

излучает.

Б. Ничего не излучает в видимом диапазоне спектра, а из-

лучает только в инфракрасном диапазоне электромаг-

нитных волн.

В. Ничего не отражает во всем диапазоне электромагнит-

ных излучений.

3. Закон Кирхгофа для теплового излучения состоит в том.

что:

А. Отношение спектральной плотности энергетической

светимости тела к его монохроматическому коэффици-

енту поглощения при данной температуре и для конк-

ретной длины волны одинаково для всех тел.

Б. Отношение спектральной плотности энергетической

светимости тела к его монохроматическому коэффици-

енту поглощения прямо пропорционально четвертой

степени абсолютной температуры тела.

В. Отношение спектральной плотности энергетической

светимости тела к его абсолютной температуре есть кон-

станта.

4. С ростом абсолютной температуры абсолютно черного

тела:
А. Энергетическая светимость тела увеличивается пропор-

ционально абсолютной температуре, а длина волны для

максимума спектральной плотности энергетической све-

тимости тела уменьшается обратно пропорционально

четвертой степени абсолютной температуры.

71

Б. Энергетическая светимость тела увеличивается пропор-

ционально четвертой степени абсолютной температуры,

а длина волны для максимума спектральной плотности

энергетической светимости тела уменьшается обратно

пропорционально температуре.

В. Энергетическая светимость тела увеличивается пропор-

ционально четвертой степени абсолютной температуры,

а максимальная длина волны теплового спектра умень-

шается обратно пропорционально абсолютной темпера-

туре.

5. Принципиальные отличия теплового излучения тел от излу-

чения отдельных атомов и молекул заключаются в следую-

щем:

А. Тепловое излучение нагретых тел возможно только в ин-

фракрасном диапазоне, а атомы и молекулы могут излу-

чать кванты (фотоны) видимого диапазона и в «холод-

ном» космическом пространстве.

Б. Атомы и молекулы излучают отдельные кванты, а тепло-

вое излучение имеет громадную (в квантовом масштабе)

мощность вследствие излучения огромного количества

квантов.

В. Спектры излучения атомов и молекул линейчатые (по-

лосатые), а спектр теплового излучения всегда сплош-

ной.

6. Переходы между различными энергетическими состояния-

ми атомов и молекул возможны:

А. Всегда, если они сопровождаются излучением (поглоще-

нием) кванта с энергией, равной разности значений со-

ответствующих энергетических уровней атомов и моле-

кул.

Б. Всегда, если они сопровождаются излучением (поглоще-

нием) кванта с энергией, равной разности значений со-

ответствующих энергетических уровней атомов и моле-

кул, но разрешены при этом строгими правилами от-

бора.

В. Всегда, если они разрешены в соответствии со строгими

правилами отбора, а излучения и поглощения фотонов

может и не быть — в веществе возможны безизлучатель-

ные переходы.

7. Принципиальные различия между атомными и молекуляр-

ными спектрами состоят в том, что:

А. Энергетические уровни атомов обусловлены только со-

стоянием электронов на различных орбиталях, а энерге-

тические уровни молекул дополнительно обусловлены

колебаниями ядер атомов и вращением молекул как

72

целого либо вращением отдельных групп вокруг кова-

лентных σ-связей.

Б. Энергетические уровни атомов обусловлены только по-

ложением электрона на орбитали с определенным глав-

ным квантовым числом «π», а энергетические уровни

молекул зависят от переходов электронов между моле-

кулярными орбиталями с различным типом гибридиза-

ции.

В. Молекулярные спектры представляют собой линейную

суперпозицию атомарных спектров атомов, входящих в

состав данной молекулы.

8. Длительное существование биологических молекул в воз-

бужденных состояниях главным образом возможно вслед-

ствие:

А. Сложного строения молекулярных орбиталей и вслед-

ствие этого длительного процесса релаксации возбуж-

денного состояния до основного.

Б. Наличия у молекул триплетных возбужденных состоя-

ний и запрета перехода в основное состояние вследст-

вие нестрогих правил отбора.

В. Длительной миграции энергии возбужденной молекулы

по ее сопряженным двойным связям.

9. Наибольшая прозрачность биологических тканей для

ближнего инфракрасного излучения обусловлена тем, что:

А. Наилучшие условия для миграции энергии возбужден-

ных состояний по биологическим макромолекулам

приходятся на ближний ИК-диапазон.

Б. При взаимодействии ближнего ИК-излучения с валент-

ными электронами любых углеродсодержащих веществ

имеет место низкая вероятность поглощения квантов

ближнего ИК-излучения —С — С— связями.

В. В спектре поглощения молекул воды на ближний

ИК-диапазон приходится «окно прозрачности».

10. Основное различие лечебного действия лампы-соллюкс и

лампы Минина обусловлено:
А. Существенно различной мощностью ламп.

Б. Различием длины волны, на которую приходится мак-

симум спектральной плотности энергетической свети-

мости каждой лампы.

В. Наличием в спектре излучения лампы Минина компо-

нента видимого света сине-фиолетового цвета.

О т в е т ы : 1 - Б: 2 - В: 3 - А: 4 - Б; 5  - В : 6 - В; 7 -А:

8 - Б;  9 - В; 10 - Б.

73

2.4. Транспорт веществ через биологические
мембраны

Жизнедеятельность организма характеризуется непрерывным

обменом энергией, информацией и веществом между клет-

ками и окружающим миром. Кардинальным условием обме-

на веществ является их транспорт. В процессе эволюции в

организме сформировались различные виды транспорта ве-

ществ — от простой диффузии до активного транспорта

(рис. 2.15). Они различаются между собой по величине сво-

бодной энергии, обеспечивающей перемещение различных

веществ: диффузия протекает с выделением энергии, а ак-

тивный транспорт — с ее затратами. При различных заболе-

ваниях человека существуют универсальные механизмы па-

тологии клеточных мембран и виды нарушений транспорта

веществ через них.

Рис. 2.15. Различные вилы транспорта веществ через биологические

мембраны.

74

2.4.1. Простая диффузия

Диффузия — один из наиболее распространенных для биоло-

гии физических процессов, имеющий кардинальное значение

для обеспечения жизнедеятельности. Дыхание и питание

клетки, поступление в нее Сахаров, жирных кислот, амино-

кислот, кислорода и выделение мочевины, молочной кисло-

ты, углекислого газа и других субстратов и продуктов метабо-

лизма протекают по механизму простой диффузии. Диффу-

зия — универсальный процесс, который происходит при не-

равновесном распределении вещества в пространстве и

ненулевой абсолютной температуре. Она также является про-

стейшим процессом, благодаря которому осуществляется пе-

ренос энергии (массоперенос).

Интуитивно понятно, что если существует разность кон-

центрации какого-либо вещества в двух областях пространст-

ва вне действия сторонних термодинамических сил. то благо-

даря тепловому движению молекул его концентрация рано

или поздно выравнивается. Равномерное распределение кон-

центрации отвечает максимуму энтропии, поэтому диффузия

является самопроизвольным процессом. И хотя законы тер-

модинамики предсказывают неизбежность диффузии, однако

не позволяют оценить ее кинетику, т.е. скорость этого про-

цесса.

Рассмотрим диффузию на молекулярном уровне. Пусть вдоль

оси X изменяется концентрация некоторого вещества. В точке Х

0

проведем плоскость, перпендикулярную оси X. а также проведем

параллельные плоскости слева и справа от точки Х

0

 и отстоящие от

нее на расстоянии свободного пробега молекулы (рис. 2.16).

Плотность потока частиц (число частиц, проходящих в единицу

времени через единицу площади) такова:

J = dN/dt * 1/s = (C * S * V * dt)/(dt * S) = c * v,

слева направо (в положительном направлении) через плоскость X

1

она будет равна:
JX

1

 = 1/6 * c(X

1

)* v,

где c(X

1

) — число частиц в единице объема в координате X

1

, V —

средняя квадратическая скорость движения частиц, 1/6 — коэффи-

циент, определяемый вероятностью положительного движения

Рис. 2.16. Диффузия че-

рез слой Х

1

— Х

2

. равный

двум свободным пробе-

гам молекулы 1.

75