Factori Fizici – II – Influența vibrațiilor mecanice PDF

FACTORI FIZICI – II – InfluenŃa vibraŃiilor mecanice GeneralităŃi Sunetul reprezintă o formă de transfer la distanŃă a energiei prin intermediul unei succesiuni de comprimări-decomprimări autopropagate prin elementele de mediu. Propagarea sunetului este posibilă numai prin mediile alcătuite din el...

FACTORI FIZICI – II – InfluenŃa vibraŃiilor mecanice GeneralităŃi Sunetul reprezintă o formă de transfer la distanŃă a energiei prin intermediul unei succesiuni de comprimări-decomprimări autopropagate prin elementele de mediu. Propagarea sunetului este posibilă numai prin mediile alcătuite din elemente care pot suferi compresii elastice. Aceste compresii-decompresii se pot realiza pe un plan perpendicular pe direcŃia de propagare (unde transversale) sau se pot produce în lungul direcŃiei de propagare (unde longitudinale). In vid, sunetul nu se poate propaga. Viteza de propagare a sunetului depinde de impedanŃa acustică specifică (Z) a mediului şi densitatea acestuia (ρ): Z v= ρ ImpedanŃa acustică specifică este o constantă, care măsoară abilitatea materialului de a propaga undele sonore. Unitatea de măsură a impedanŃei acustice specifice este N⋅s/m3 sau kg·s/m2, iar valorile numerice ale lui Z sunt de ordinul 102- 103 pentru gaze, 106 pentru lichide şi 107 pentru solide. Caracteristicile fizice ale semnalului acustic sunt interpretate diferit prin percepŃia auditivă corticală. Astfel intensitatea acustică sau nivelul acustic are corespondent subiectiv în tăria sonoră, frecvenŃa semnalului acustic este percepută subiectiv ca înălŃime tonală, iar compoziŃia spectrală a semnalului acustic induce timbrul sonor. Deosebim, astfel, două categorii de caracterisitici pentru sunete: fizice şi de percepŃie. Caracteristici fizice Intensitatea acustică într-un punct dat este energia transportată de unda acustică printr-o suprafaŃă de 1 m2 aşezată perpendicular pe direcŃia de propagare. Se măsoară în W/m2. VariaŃia de presiune atmosferică la propagarea sunetului; pa – presiunea acustică, Patm – presiunea atmosferică Intensitatea semnalului acustic se exprimă prin relaŃia: p a2 p2 I= = a 2· ρ ·v 2 Z unde pa este presiunea acustică, definită ca amplitudinea maximă a variaŃiei presiunii atmosferice. pa maximă a unui semnal acustic nociv este de 30 N/m2, fiind mult mai mică decât presiunea atmosferică (~ 105 N/m2). Sunetele audibile au o 1 frecvenŃă cuprinsă între 16 - 16.000 Hz. pa minimă pentru un sunet audibil este de 10-5 N/m2 pentru v =1000 Hz. In relaŃia de mai sus, ρ este densitatea mediului iar v este viteza de propagare a semnalului acustic. Pentru aer ( ρ = 1,22 Kg/m3, v = 340 m/s) la p a = 30 N/m2, Imax = 1 W/m2. Intensitatea minimă a unui semnal încă audibil este Imin = 10-12 W/m2 (pentru sunete cu ν = 1000 Hz). Nivelul acustic se exprimă prin: N = 10 log I /Imin unde I este intensitatea sonoră, iar Imin este intensitatea minimă a unui sunet de 1000 Hz care mai poate fi auzit, Imin = 10-12 W. N se exprimă în decibeli (dB). Nivelul în decibeli al unui sunet de intensitate I poate fi calculat cu relaŃia: N = 10 log I + 120 Se observă că un sunet de intensitate minimă are 0 db iar unul cu intensitate de 1 W/m2 are 120 db. Caracterul nociv al efectelor produse de sunete este determinat de intensitatea poluării sonore şi de timpul de expunere la acŃiunea ei şi se manifestă prin scăderea capacităŃii de muncă, boli profesionale, afectarea unor funcŃii fiziologice, tulburări psihice. Nivelul zero de intensitate a zgomotelor şi sunetelor corespunde pragului de audibilitate al omului, iar nivelul superior de 200 dB este echivalent cu cel produs de o rachetă cosmică în momentul lansării. Alte zgomote apreciate sunt: foşnetul frunzelor - 10/15 dB, o convorbire telefonică - 35/40 dB, un motor de autoturism - 70 dB, traficul marilor oraşe - 80/85 dB, un perforator pneumatic - 110/120 dB, un avion cu reacŃie - 140 dB. FrecvenŃa semnalelor sonore este cuprinsă între 0 şi infinit. Semnalele acustice cu frecvenŃă sub 16 Hz se numesc infrasunete, între 16 şi 16.000 Hz – sunete, între 16.000 Hz şi 109 Hz – ultrasunete iar peste 109 Hz – hipersunete. În natură se pot deosebi următoarele tipuri de sunete: sunetul pur – reprezintă sunetul alcătuit dintr-o singură undă cu o anumită frecvenŃă sunetul muzical (armonic) – sunet compus din mai multe frecvenŃe supradăugate din care componenta cu frecvenŃa cea mai joasă este frecvenŃa fundamentală, iar celelalte sunt armonice cu frecvenŃă egală cu un multiplu întreg al frecvenŃei de bază. Armonicele pot avea diferite amplitudini. zgomotul alb – sunet compus care conŃine toate frecvenŃele posibile şi cu amplitudine egală. Este echivalentul luminii albe. zgomotul – sunet compus cu o combinaŃie neomogenă de frecvenŃe şi amplitudini. Caracteristici de percepŃie In ceea ce priveşte caracterele percepŃiei sonore, ele sunt codificate la nivel cortical în felul următor: ÎnălŃimea tonală, sub care se percepe frecvenŃa semnalului acustic este codificată spaŃial, fiecare frecvenŃă componentă a semnalului acustic fiind receptată distinct şi 2 trimisă sub forma potenŃialelor de acŃiune (PA) prin neuronii auditivi într-o anumită regiune a cortexului. Tăria sonoră cu care percepem intensitatea semnalului acustic se codifică, la fel ca în toate mesajele cantitative senzoriale, prin frecvenŃa de repetiŃie a impulsurilor nervoase. Când intensitatea depăşeşte capacitatea de transmisie a unei fibre (mai multe sute de impulsuri pe secundă) are loc fenomenul de recrutare neuronală, prin care două sau mai multe fibre participă la transmiterea aceluiaşi semnal. RecepŃia senzorială auditivă Semnalele auditive sunt transformate în potenŃiale electrice locale la nivelul celulelor auditive din organul Corti (urechea internă). La nivelul organului auditiv putem deosebi două tipuri de potenŃiale electrice: 1. potenŃiale permanente, necondiŃionate de prelucrarea semnalelor acustice: potenŃiale endolimfatice, dintre mediul intracelular al celulelor auditive şi endolimfă, la nivelul polului ciliar, este de aproximativ 100mV. potenŃialul de repaus al celulelor auditive ciliate (-50 ÷ -70 mV), măsurat între citoplasma celulelor auditive şi perilimfa. Aceste potenŃiale nu sunt implicate direct în prelucrarea informaŃională ce constituie percepŃia auditivă, ci asigură pragul energetic necesar traducerii mecano-electrice. 2. potenŃiale de prelucrare informaŃională a semnalelor acustice în care distingem: potenŃiale locale produse de vibraŃiile membranei bazilare şi care se culeg direct la nivelul celulelor auditive ciliate. Aceste potenŃiale locale stimulează neuronii ganglionari ce produc PA transmise spre centri corticali din aria auditivă. Stimularea celulelor auditive, dispuse de-a lungul canalului cohlear pe membrana bazilară, se produce numai în acele zone în care membrana bazilară vibrează cu amplitudine maximă. Aceste zone sunt selectate de fenomenul de rezonanŃă la transmiterea undelor sonore prin lichidul endocohlear (endolimfa), de la nivelul ferestrei rotunde spre helicotremă şi înapoi. urechea interna – modul de propagare a undelor sonore prin canalul auditiv potenŃialul microfonic cohlear, ce se poate culege prin electrozi plasaŃi de o parte şi de alta a membranei bazilare, între endolimfă şi perilimfă, având o serie de caracteristici şi anume: amplitudinea sa nu respectă legea “tot sau nimic”, nu are prag de detonare, apare pentru orice frecvenŃă, depăşind spre infrasunete (sub 16 Hz) şi ultrasunete (peste 16 kHz) zona acustică şi nu contribuie la transmiterea semnalelor acustice spre cortex. potenŃiale de acŃiune (PA) din fibrele nervoase auditive, prin care se transmit, modulat în frecvenŃă de către neuronii ganglionari, informaŃiile acustice traduse de la nivelul celulelor ciliate auditive către aria corticală 3  auditivă. Aceste potenŃiale conŃin codificate două tipuri de informaŃii: 1. înălŃimea tonală, codificată prin originea de la nivelul canalului cohlear şi zona de proiecŃie. Sunetele cu frecvenŃă mare originează la baza melcului iar cele cu frecvenŃă scăzută la vărf. 2. tăria sunetului, codificată prin frecvenŃa de repetiŃie a impulsurilor. Timbrul sonor se formează prin stimularea simultană a diferitelor zone din aria corticală. Explorarea funcŃiei auditive presupune aprecierea cantitativă a sensibilităŃii urechii. Audiometria este metode de determinare a pragului de audibilitate (limita inferioară) ce reprezintă presiunea sonoră minimă a unei vibraŃii sonore cu o anumită frecvenŃă ce poate fi percepută de ureche într-un mediu foarte liniştit. Curba de superioară reprezintă pragul senzaŃiei dureroase. SuprafaŃa închisă de cele două curbe reprezintă suprafaŃa de audibilitate. Ea scade cu cât auzul subiectului este mai slab. 4 pa 10 (N/m2) 102 1 10-2 10-4 16 1024 16384 (Hz) Audiograma normală Ultrasunetele Sunt vibraŃii mecanice cu o frecvenŃă ce depăşeşte 16 kHz, ajungând până la 109 Hz. Ele se pot produce cu ajutorul unor dispozitive (traductoare) speciale, dintre care cele mai folosite sunt generatoarele piezoelectrice şi cele magnetostrictive având gama de frecvenŃă între 1000 şi 10.000.000 Hz. Acestea se compun din două părŃi principale: un generator ce produce curent electric alternativ de frecvenŃa necesară şi un vibrator care transformă energia electrică a generatorului în vibraŃii mecanice. Viteza de propagare, într-un mediu dat, variază între 300 şi 6000 m/s, funcŃie de proprietăŃi fizice precum densitatea sau impedanŃa acustică. łesuturile traversate de ultrasunete (US) suferă o serie de efecte mecanice, termice şi chimice, care au la bază fenomene de absorbŃie de energie: Efectele chimice sunt caracterizate prin procese de oxidare, mărirea vitezei de reacŃie şi a efectului catalizatorilor etc. Efectele termice se manifestă prin ridicarea temperaturii Ńesuturilor. Reprezintă principala formă de interacŃie datorată fenomenului de absorbŃie a energiei undelor US la trecerea prin Ńesuturi. Efectele mecanice sunt legate de producerea fenomenului de cavitaŃie, ruperi ale lichidului străbătut de US. Aceste goluri se umplu cu gazele dizolvate în lichid. CavităŃile se produc în procesul de destindere a undei care se propagă. PereŃii cavităŃii fiind foarte apropiaŃi permit producerea de descărcări electrice în gazele rarefiate din cavitate. Presiunea şi temperatura din cavitate sunt scăzute. 4  In procesul de formare a cavităŃii se produc excitări, ionizări şi se formează radicali liberi (atomi, molecule sau fragmente de molecule ce au un electron periferic cu spinul necompensat). Cum în mediul biologic apa se află în cantitate foarte mare, US pot produce “sonoliza” apei cu formarea de H+, OH–, H·, OH· etc. Durata de viaŃă a acestor radicali liberi este foarte scurtă (10-2÷10-4s) dar mai mare ca cea a cavităŃii în sine (10-6s), ei acumulându-se în lichid şi constituind un factor determinant în producerea efectelor nocive ale US. Procesul de formare a cavităŃii este urmat de anihilarea acesteia (în procesul de comprimare a undei). Presiunea şi temperatura cresc foarte mult, cu efecte asupra mediului înconjurător al zonei în care s-au aflat cavităŃile (descompunerea moleculelor, depolimerizări, inactivări etc.). Datorită aceastor efecte, la nivel celular, US produc ruperea membranei biologice, clarificarea conŃinutului citoplasmatic, descompunerea acizilor nucleici, desfacerea proteinelor la nivelul legăturii peptidice etc, în general afectarea întregului metabolism celular (celulele tinere sunt mult mai sensibile). De menŃionat că influenŃa fenomenului de cavitaŃie asupra Ńesuturilor biologice la nivelurile de energie a US folosite în terapie sau diagnostic nu a fost complet elucidată. Efectele US depind de intensitatea acestora şi de durata de expunere. In raport cu intensitatea, deosebim: a) intensităŃi mici (5 W/cm2), care produc schimbări ireversibile (nucleele celulelor se deformează şi se lizează). Datorită efectelor produse, US au în medicină o serie de aplicaŃii: 1. Ultrasonoterapia acŃionează cu frecvenŃe optime cuprinse între 800 – 3000 kHz, adâncimea la care pătrund în Ńesuturi fiind între 5 - 7 cm. MenŃionăm că ultrasunetele sunt absorbite după o lege exponenŃială de forma : I = I 0 ⋅ e −α ⋅ d unde I0 este intensitatea la nivelul sursei, I la distanŃa d de sursă, e este baza logaritmilor naturali (e=2.71), iar α este un coeficient de absorbŃie dependent de energia transportată şi de mediul străbătut. Gradul de absorbŃie a ultrasunetelor depinde de frecvenŃă. Astfel, ultrasunetele de frecvenŃă înaltă sunt puternic absorbite, având efect local. AcŃiunile generale (sistemice) sunt caracteristice frecvenŃelor joase. Fenomenul fizic principal determinat de absorbŃia ultrasunetelor la nivelul materiei biologice, este efectul termic. łesuturile biologice absorb ultrasunetele în cantitate relativ mare (de exemplu, la 1 Mhz şi la 37oC absorbŃia în Ńesutul hepatic este de aproximativ de 600 de ori mai mare decât în apă şi de două ori mai mare în muşchi decât în Ńesutul hepatic, în timp ce grăsimile absorb 50% din energia ultrasunetelor). DistribuŃia căldurii în interiorul Ńesutului depinde de geometria şi intensitatea fasciculului, cât şi de coeficientul de absorbŃie. Datorită efectelor termice produse, ultrasunetele se utilizează în tratamentul stărilor reumatismale, în afecŃiuni ale sistemului nervos periferic, în nevralgii şi nevrite, în 5 afecŃiuni circulatorii etc. 2. Ultrasonografia – un rol deosebit în medicină îl are diagnosticul cu ultrasunete. Principiul metodei constă în emiterea şi recepŃionarea consecutivă a undelor ultrasonice reflectate de pe suprafaŃa de separaŃie a Ńesuturilor cu impedanŃă acustică diferită. Prin această metodă se poate examina structura Ńesuturilor moi, diagnosticul cu ultrasunete completând pe cel cu raze X. Metoda se aplică cu bune rezultate la examinarea organelor abdominale, a inimii etc, sau chiar pentru aprecierea vitezei sângelui prin vase. In aceste cazuri se utilizează efectul Doppler (variaŃia frecvenŃei de propagarea a sunetului emis de o sursă mobilă, funcŃie de viteza de deplasare a acesteia faŃă de receptor). In stomatologie, tehnicile ultrasonice sunt folosite mai ales pentru: 1. diagnosticarea microfracturilor dentare sau a cariilor apărute sub restaurări prin studiul propagării pulsului ultasonor la nivelul structurilor dintelui; utilizarea sistemelor ultrasonice puls-ecou permite măsurarea vitezei undelor ultrasonore la nivelul dinŃilor intacŃi, cu detectarea joncŃiunilor smalŃ-dentină sau dentină-pulpă dentară şi măsurarea grosimii acestor straturi. S-au putut determina vitezele undelor în smalŃ şi dentină pentru fiecare tip de dinte. Exemple de valori ale vitezei undelor ultrasonore de 10 MHz sunt prezentate în tabelul de mai jos: Impedanta acustică Material Densitate (kg/m3) Viteza (m/s) (kg/m2/s x 106) Aer 1.2 330 0.0004 Apă 1000 1480 1.48 Dentină 2100 3800 8.0 SmalŃ 2900 5700 16.5 In imagine se poate observa jonŃiunea smalŃ-dentină la nivelul coroanei unui molar, obŃinută prin reconstrucŃie 2D a datelor experimentale, comparativ cu imaginea secŃiunii aceluiaşi dinte. 2. diagnosticarea afecŃiunilor parodontale marginale; modificările de la nivelul osului alveolar pot fi evidenŃiate prin examen radiografic al marginilor alveolare. In acest caz apar dificultăŃi legate de abordarea regiunii (ce explică diferenŃele individuale constatate), marginea fiind mascată de umbra Ńesutului dur al dintelui în regiunea vestibulară şi linguală. Prin metoda ultrasonică s-a putut elimina acest impediment, structurile alveolare fiind net deosebite pe ultrasonogramă. 6 Efectele RadiaŃiilor Neionizante GeneralităŃi RadiaŃiile pe care le numim neionizante sunt radiaŃii de natură electromagnetică cu lungimea de undă λ cuprinsă în domeniul 150 nm şi undele centimetrice. RadiaŃiile electromagnetice reprezintă o formă de propagare în spaŃiu a energiei unui câmp electric E şi a unui câmp magnetic B, ai căror vectori oscilează cu aceeaşi perioadă T, sau frecvenŃă ν, în plan perpendicular unul pe celălalt şi care sunt perpendiculare pe direcŃia de propagare a undei cu viteza “v”. Orice radiaŃie electromagnetică poate fi considerată simultan atât undă cât şi corpuscul (foton). In funcŃie de frecvenŃa undelor, se manifestă cu precădere fie unul, fie celălalt aspect. La frecvenŃe joase (unde radio, TV, microunde) predomină caracterul ondulatoriu, iar pentru radiaŃiile cu frecvenŃă mare (infraroşii, vizibile, ultraviolete) începe să se manifeste şi caracterul corpuscular. Pentru explicarea interacŃiei radiaŃiilor electromagnetice cu substanŃa (efect fotoelectric, reacŃii fotochimice, împrăştiere), se impune considerarea caracterului corpuscular (flux de fotoni), principalul fenomen fizic rezultat în urma acestei interacŃiei fiind absorbŃia de energie. Din categoria radiaŃiilor neionizante ne vom ocupa de: radiaŃiile ultraviolete cu λ între 150-400 nm, radiaŃiile vizibile cu λ între 400-800 nm, radiaŃiile infraroşii cu λ între 800-106 nm, microundele cu λ între 106-109 nm. AbsorbŃia radiaŃiilor electromagnetice de către atomi determină tranziŃii ale electronilor, de pe nivelele energetice de bază, pe nivele mai ridicate, trecând astfel din starea fundamentală în stări excitate. Dacă cuanta de energie absorbită (cantitatea transportată în intervalul unei perioade de oscilaŃie) este superioară energiei de legătură a electronului în atom, electronul va fi smuls, atomul devenind ion pozitiv. Valorile cuantelor de energie ale radiaŃiilor UV, vizibile, IR şi ale microundelor sunt mai mici decât energia necesară ionizării atomilor (energia de ionizare este de 13,34 eV pentru hidrogen, de 13,57 eV pentru oxigen, de 11.24 eV pentru carbon, de 14,51 eV pentru azot, în timp ce energia radiaŃiilor UV este cuprinsă între 12,4-3,1 eV, a radiaŃiilor vizibile între 3,1-1,65 eV, a radiaŃiilor IR între 1,65-1,2·10-3eV, iar pentru microunde între 10-3-10-5eV. In cazul moleculelor formate din cel puŃin doi atomi, trebuie să Ńinem seama că nivelele energetice ale unei molecule nu sunt date (ca în cazul atomilor) numai de valorile energiei electronilor (Eel), ci şi de energia de vibraŃie (Evibr) şi de energia de rotaŃie (Erot) a atomilor din moleculă. Valorile Evibr şi Erot sunt tot cuantificate, ca şi Eel, iar între aceste nivele sunt posibile mult mai multe tranziŃii decât în cazul nivelelor electronice. Trebuie remarcat faptul că diferenŃele între nivelele electronice sunt mai mari decât între nivelele de rotaŃie sau vibraŃie. De aceea, tranziŃiile între nivelele electronice se fac cu absorbŃia sau emisia unor cuante de energie corespunzând radiaŃiilor UV şi vizibile; tranziŃiile vibro- rotaŃionale corespund domeniului IR iar tranziŃiile de rotaŃie pură corespund fie domeniului IR îndepărtat, fie microundelor. ∆Eel este de ordinul 1eV, ∆Evibr este de ordinul 10-1eV, iar ∆Erot este de ordinul 10-2eV. In ansamblu, pentru o moleculă oarecare: 7  ∆E = ∆Eel + ∆Evibr + ∆E rot Se ştie că într-un atom (sau moleculă) pot exista doi electroni care să ocupe simultan acelaşi nivel energetic (să se găsească în acelaşi orbital), cu condiŃia ca aceştia să aibă spinul opus (prin spin se înŃelege momentul cinetic propriu al electronului datorită rotaŃiei în jurul axei proprii. Spinul electronic poate avea numai două valori egale în modul, dar opuse ca semn). Atunci când un electron absoarbe o cuantă de energie electromagnetică, el trece pe un nivel energetic superior (este excitat) şi în mod normal nu-şi schimbă starea spinului. Respectiva stare excitată este numită în acest caz singlet. Deşi cu probabilitate mult mai mică, este totuşi posibil ca odată cu excitarea, electronul să-şi inverseze şi spinul, respectiva stare numindu-se triplet. Timpul de viaŃă al stărilor excitate este în general foarte mic (10-9÷10-8s), datorită tendinŃei spontane a electronului de a reveni în starea fundamentală. Deoarece tranziŃia din starea triplet în starea fundamentală înseamnă iarăşi o inversare de spin, timpul de viaŃă al stării triplet este mai mare (între 10-5 şi câteva secunde) decât cel al stării singlet. In acest interval de timp mai lung este posibil ca molecula excitată să transmită surplusul de energie altei molecule (prin ciocniri) şi să îl emită sub formă de radiaŃie electromagnetică. Dezexcitarea moleculei se poate face deci prin tranziŃii neradiative şi, respectiv, tranziŃii radiative (fluorescenŃă, fosforescenŃă): FluorescenŃa se realizează atunci când electronul revine în starea singlet fundamentală dintr-o stare excitată tot singlet. FosforescenŃa se realizează atunci când electronul revine în starea singlet fundamentală dintr-o stare excitată triplet. In cazul tranziŃilor neradiative, energia fotonului absorbit este fie convertită complet în căldură (agitaŃie termică) prin ciocniri, fie transferată parŃial altei molecule, capabilă să treacă, la rândul ei într-o stare excitată. Moleculele de importanŃă biologică (proteine, acizi nucleici etc.) conŃin de regulă, un mare număr de atomi, astfel că, în acest caz, ca urmare a absorbŃiei radiaŃiei de către acestea, sunt posibile foarte multe tranziŃii între diferitele nivele de energie: electronice, de vibraŃie şi de rotaŃie. De aceea spectrele de absorbŃie ale acestor molecule nu conŃin linii spectrale distincte ca în cazul atomilor izolaŃi, ci grupuri de benzi. Pe de altă parte atunci când aceste molecule se găsesc în soluŃie sau în contact strâns cu alte molecule, aşa cum este cazul în celule, rotaŃia moleculelor şi chiar vibraŃiile sunt modificate de prezenŃa celorlalte molecule, efectul fiind o suprapunere a nivelelor energetice în aşa măsură încât în loc de linii sau benzi de absorbŃie, spectrul de absorbŃie devine continuu. RadiaŃiile ultraviolete şi vizibile RadiaŃiile electromagnetice cu λ între 150 - 800 nm sunt radiaŃii care activează moleculele. RadiaŃia absorbită posedă energie suficientă pentru a determina transformarea moleculelor pe baza unor reacŃii fotochimice. Principalele tipuri de reacŃii fotochimice sunt: 8  Excitarea moleculelor M -------------->M* ReacŃii fotochimice M*+A --------->D ReacŃii de dimerizare M*+M -------->MM ReacŃii de fotosensibilizare M*+N -------->M+N* Prima relaŃie redă excitarea moleculei iniŃiale, a treia şi a patra relaŃie sunt cazuri particulare de reacŃii fotochimice. Se defineşte randamentul fotochimic ca raport între numărul de molecule transformate şi numărul de cuante de energie absorbite. Randamentul este subunitar, radiaŃia absorbită nu duce în mod obligatoriu la o reacŃie fotochimică (absorbŃia fotonilor constituie numai etapa primară, urmată de o succesiune de alte etape secundare ce conduc la transformarea fotochimică propriu⋅zisă. Procesele fotobiologice Deşi procesele fotobiologice sunt foarte diverse şi încă incomplet elucidate, pentru unele din ele se pot distinge următoarele stadii: 1. AbsorbŃia cuantelor radiaŃiilor; 2. Procese intramoleculare cu schimb de energie; 3. Transportul energiei stării excitate între molecule (migraŃia energiei); 4. ReacŃia fotochimică primară; 5. Modificările la întuneric ale produşilor fotochimici primari, care se sfârşesc cu formarea unor produşi stabili; 6. ReacŃii biochimice cu participarea fotoproduşilor; 7. Răspunsul fiziologic celular. Procesele fotobiologice încep cu absorbŃia radiaŃiilor incidente de către compuşi specifici, specializaŃi, biologici şi se încheie cu iniŃierea unei reacŃii fiziologice din partea sistemului biologic. Se disting procese fotobiologice cu efecte negative şi efecte pozitive: 1. Efectele negative în organismele vii se împart în două tipuri: efecte fototoxice Efectele fototoxice sunt modificările produse de radiaŃii la nivelul pielii şi ochilor. Acestea declanşează reacŃii fiziologice reactive care se manifestă clinic sub formă de eritem, edem, pigmentaŃie. ApariŃia eritemului şi a pigmentaŃiei se datorează absorbŃiei radiaŃiilor cuprinse între 240-320 nm, pentru eritem şi între 300-420 nm pentru pigmentaŃie. Se presupune că mecanismul molecular în apariŃia eritemului ar fi lezarea termică a fosfolipidelor ce intră în constituŃia membranelor biologice. PigmentaŃia este realizată de celule speciale din piele, melanocite, care cu ajutorul unei enzime, tirozinaza, transformă tirozina în melanină (pigment ce absoarbe 90% din radiaŃiile UV). Asupra ochilor, radiaŃiile UV produc o reacŃie inflamatorie a corneei, de aceea se recomandă, pentru protecŃie, folosirea unor ochelari din sticlă specială. efecte fotoalergice 9  Efectele fotoalergice declanşează mecanismele imunologice primare de sensibilizare alergică, ce se manifestă mai ales prin edeme inflamatorii, eritem, prurit. 2. Efectele pozitive sunt: Fotosinteza, fototropism, fototactism (la plante) şi fotoperiodism. FotorecepŃia la nivelul celulelor senzitive retiniene. Formarea vitaminei D2. Eritemul caloric. Fotosinteza, ca mecanism, a fost descrisă anterior. O serie de plante prezintă fenomenul de fototropism, fenomen ce se concretizează prin tendinŃa unor plante de a se orienta în direcŃia sursei de lumină. Fenomenul de fototactism se referă la tendinŃa de apropiere sau de depărtare de sursa de lumină. Fotoperiodismul constă în reglarea ciclului de viaŃă al organismelor vii (plante sau animale) pe baza acŃiunii ciclice lumină-întuneric. Procesul se petrece sub acŃiunea luminii vizibile. Mecanismul molecular al fotorecepŃiei senzoriale Receptorii vizuali, celulele cu bastonaş, reprezintă un exemplu de celulă receptoare la care a fost elucidată în detaliu succesiunea de procese moleculare prin care stimulul (radiaŃii vizibile cu λ între 400 şi 800 nm) determină apariŃia potenŃialului de receptor. Celulele receptoare din retină sunt de două tipuri: celule cu conuri şi celule cu bastonaş. Conurile sunt responsabile cu vederea diurnă sau fotopică, iar bastonaşele de vederea crepusculară (scotopică). Segmentul extern de bastonaş din retină, specializat în fotorecepŃie, conŃine circa 1000 de discuri suprapuse unul peste celălalt. Fiecare disc este un organit separat în citoplasmă. Discurile sunt spaŃii închise delimitate de o membrană foarte fluidă având o proporŃie foarte mare de fosfolipide şi foarte puŃin colesterol. Discul conŃine 60% proteine şi 38% lipide, iar rodopsina reprezintă 80% din totalul proteinelor. Rodopsina se găseşte în membrana discurilor şi în membrana citoplasmatică a segmentului extern de bastonaş, dar nu şi în restul membranei citoplasmatice a acestui tip de celulă. Rodopsina conŃine o parte proteică opsină şi o grupare prostetică numită retinol, ataşată specific într-un loc hidrofob pe proteină. Rodopsina este insolubilă în apă. Ea reprezintă proteina fotoreceptoare din retină. O celulă cu bastonaş este excitată de un singur foton. Sub acŃiunea acestuia are loc izomerizarea retinolului din forma 11-cis în forma 11-trans, ceea ce schimbă foarte mult geometria acestuia. El nu se mai potriveşte steric în locul de legare de pe proteină. Apar modificări conformaŃionale ale proteinei, ce au ca urmare desfacerea retinolului de opsină şi descompunerea rodopsinei. Procesul este reversibil la întuneric (ciclul Wald). Membrana citoplasmatică a segmentului extern de bastonaş conŃine numeroase canale de Na+, care în condiŃii de întuneric sunt deschise, permiŃând ionilor de Na+ să intre, ca urmare a potenŃialului lor electrochimic mare din mediul extracelular. Ionii de Na+ intraŃi nu se acumulează în celulă, deoarece sunt evacuaŃi continuu de pompele ionice din membrana corpului celulei receptoare, urmând să reintre în bastonaş prin canalele de Na+. Se creează astfel un curent electric transportat de 10 ionii de Na+, numit curent de întuneric. PotenŃialul electric intracelular este de -20 mV în raport cu potenŃialul zero al mediului extracelular. Sub efectul luminii, rodopsina se activează şi determină, printr-o cascadă de 4 cicluri biochimice (ciclul Wald, ciclul traductinei, ciclul fosfodiesterazei şi ciclul cGMP), închiderea canalelor de Na prin dispariŃia cGMP. Astfel, curentul de întuneric se întrerupe şi se produce hiperpolarizarea celulei (al cărei potenŃial devine mai negativ, -35 mV). Această variaŃie este suficientă pentru a declanşa excitaŃia neuronilor bipolari. PotenŃialele locale apărute în neuronii bipolari determină excitarea neuronilor ganglionari, care generează PA, ce ajung la nivelul scoarŃei unde produc senzaŃia vizuală. Faptul că este suficientă o singură cuantă de lumină pentru a produce excitarea receptorului, în timp ce energia necesară hiperpolarizării este cu mult mai mare, sugerează că modificarea spaŃială a moleculei de rodopsină reprezintă doar declanşarea unor procese biochimice de recrutare energetică. Aceste procese consumatoare de energie metabolică determină apariŃia potenŃialelor locale a căror amplitudine este proporŃională cu intensitatea luminii incidente. VariaŃiile locale de potenŃial membranar, sunt preluate şi însumate de celulele bipolare retiniene. PA a căror frecvenŃă este proporŃională cu intensitatea stimulului, apar numai la nivelul celulelor ganglionare, respectiv în fibrele nervului optic. O altă reacŃie fotochimică deosebit de importantă pentru orgasnism, şi care se produce în piele în urma absorbŃiei radiaŃiilor ultraviolete, este reacŃia de transformare a ergosterolului în vitamina D2. Spectrul de acŃiune are un maxim la 280 nm. AcŃiunea biologică a radiaŃiilor infraroşii (eritemul caloric) este consecinŃa absorbŃiei lor de către celulele pielii şi a Ńesutului subcutanat (putere mică de pătrundere). In urma absorbŃiei radiaŃiilor infraroşii, pielea şi Ńesutul subcutanat se încălzesc, ceea ce face să crească metabolismul local şi să se producă, de asemenea, o vasodilataŃie locală. Aceste radiaŃii, în funcŃie de doza absorbită şi de starea pacientului, pot fi folosite în tratamentul unor afecŃiuni, cum ar fi: edeme inflamatorii, celulite, tulburări de circulaŃie periferică etc. 11