Загар с точки зрения фотохимика

И. Ильин


     Что ни говорите, а все 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 идет в нашем загорающем организме. А иногда не мешало бы и задуматься. Причем 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 тяжелых 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...
     Все 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 достается 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 черно-коричневого пигмента меланина, строение которого в точности не установлено, а брутто-формула записывается так: C77H98O33N14S. Реакция идет 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 ее превращения происходят уже без ферментов и приводят в конце концов к пигменту меланину. Связанный с молекулой белка, он образует в коже темные зернышки размером от 0,1 до 2 мкм. Через отростки меланоциты как бы впрыскивают эти зернышки в клетки верхних слоев 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.

     1. Два пути ведут к загару: прямой, без покраснения кожи (справа), и более сложный, с участием тирозиназы (слева)

     В незагорелой коже тоже есть меланин. Он собирается вокруг клеточных ядер и защищает их от ультрафиолетовой радиации. Когда уровень радиации растет, 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 упрощенном виде.
     Меланин в коже (загорелой или естественно темной) – 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 рогового слоя из мертвых 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 слоев; и когда облучение повторится, роговой слой станет еще 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 идет 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 жесткий (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; жесткий, УФС, – между 100 и 280 нм.

     2. Эритемная чувствительность кожи имеет два максимума – в областях жесткого 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 жестком 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 жесткого 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, причем по возможности безболезненно. Однако пигментация прямо связана с эритемой, и в естественных условиях одно обычно следует за другим.

     3. Здесь показана пигментирующая способность ультрафиолета с различной длиной волны. Пик только один и уже в другой области. Поскольку данные приведены относительные, сравнивать первый и второй графики в цифрах не следует

     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 все более повышать биодозу. Защитная реакция настолько велика, что время появления эритемы увеличивается от одной минуты до нескольких часов; отмечались даже случаи тысячекратного снижения чувствительности!
     Но есть еще одна, очень простая возможность загореть без ожога; возможность, о которой, несмотря на ее доступность, мало кто знает. Речь идет 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 чем следует помнить всем любителям пожариться на солнце. Опасными могут быть и искусственные источники излучения, причем 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 идет о сенсибилизации.
     Под действием определенных 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 приеме 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 введен 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 темные очки, а летом защищать и лицо. Через два часа после приема 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 дает 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. Начнем с главного – с солнца.
     Чувствительность кожи, как вы помните (а если не помните, еще 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 еще выше – 301 нм.
     Иное дело в горах. Там при подъеме на каждые 100 метров интенсивность УФ-радиации возрастает на 3–4%, причем граница постепенно сдвигается в сторону жесткого излучения. Поэтому на больших высотах солнечное излучение опасно. Москвичи почти лишены естественного ультрафиолета два самых коротких зимних месяца.

     4. Спектральный состав излучения лампы с Фотон» (кривая I) и ртутной лампы высокого давления (кривая II)

     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.
     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 все ее 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; но и сильный ожог кожи, если сразу дать большую дозу.

     5. Прозрачность шести распространенных материалов в ультрафиолетовой области:
1 – лавсановая пленка, 0,15 мм;
2 – поливинилхлоридная пленка, 0,15 мм;
3 – оргстекло, 2,5 мм; 4 – оконное стекло, 1 мм; 5 – то же, 6 мм; 6 – оптический кварц, 3 мм

     Еще 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 тяжелыми металлами. У них максимум излучения в области УФА, а в жесткой 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.
     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 распространенных 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 распространенному 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 легкая 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.

«Химия и жизнь», 1982 г., №7, с. 47–51.