Кожа и эффекты ультрафиолетового излучения

  1. Введение / Мотивация (Для демонстрации в классе имейте при себе бусинку, чувствительную к ультрафиолету, и доступ к окну с входящим солнечным светом. Ультрафиолетовые шарики можно приобрести у Flinn Scientific по адресу https://www.flinnsci.com/ultraviolet-detecting-beads/fb1147/ и используются в связанной деятельности.) На сегодняшнем уроке мы будем опираться на то, что узнали на первом уроке в этом разделе, более подробно рассмотрев ультрафиолетовое (УФ) излучение. Мы также узнаем, как антропогенное загрязнение может разрушить озоновый слой и, следовательно, привести к повышению интенсивности ультрафиолетового излучения, и как чрезмерное воздействие ультрафиолетового излучения может иметь пагубные последствия для нашего общего состояния здоровья. Помните, что инженеры-экологи изучают, как люди влияют на окружающую среду и как окружающая среда может влиять на нас. Таким образом, изучение того, как ультрафиолетовое излучение может быть усилено загрязнением, является хорошим примером экологической инженерии. (Рядом с закрытым окном покажите студентам шарики, чувствительные к ультрафиолетовому излучению.) Это шарики, обнаруживающие ультрафиолет. Наблюдайте за ними в солнечном свете, проникающем через это окно. (Пусть ученики посмотрят. Ожидайте, что шарики начнут менять цвет сразу же под воздействием ультрафиолетового света.) Обратите внимание, что это происходит через закрытое окно, через стекло. Вы можете увидеть, как можно получить солнечный ожог, даже когда вы едете в машине в длительной поездке. Чувствительные к ультрафиолетовому излучению шарики обычно состоят из двух больших плоских сопряженных молекул. До воздействия ультрафиолета эти молекулы не связаны и выглядят бесцветными. При воздействии ультрафиолетового света две молекулы связываются, образуя более крупный комплекс, который поглощает определенную длину волны света, в результате чего получается видимый цвет. Чем длиннее сопряженная молекула, тем длиннее длина волны поглощаемого света; таким образом, различные цвета шариков могут быть получены с использованием разных молекул при изготовлении шариков. Когда они помещены в темноту, шарики возвращаются к своему бесцветному виду, что указывает на обратимую реакцию в отсутствие ультрафиолетового излучения. Исследователи химической, биомедицинской и экологической инженерии участвуют в решении проблем, которые могут возникнуть из-за чрезмерного воздействия ультрафиолетового излучения на кожу человека, путем изучения разрушения защитного озонового слоя Земли и разработки методов обнаружения, лечения и лечения рака кожи. Понимание того, как эти бусинки работают как индикаторы, может помочь инженерам разработать более совершенные системы обнаружения, чтобы помочь предотвратить рак кожи, вызванный ультрафиолетовым излучением. Основы урока и концепции для учителей

Введение / Мотивация

(Для демонстрации в классе имейте при себе бусинку, чувствительную к ультрафиолету, и доступ к окну с входящим солнечным светом. Ультрафиолетовые шарики можно приобрести у Flinn Scientific по адресу https://www.flinnsci.com/ultraviolet-detecting-beads/fb1147/ и используются в связанной деятельности.)

На сегодняшнем уроке мы будем опираться на то, что узнали на первом уроке в этом разделе, более подробно рассмотрев ультрафиолетовое (УФ) излучение. Мы также узнаем, как антропогенное загрязнение может разрушить озоновый слой и, следовательно, привести к повышению интенсивности ультрафиолетового излучения, и как чрезмерное воздействие ультрафиолетового излучения может иметь пагубные последствия для нашего общего состояния здоровья. Помните, что инженеры-экологи изучают, как люди влияют на окружающую среду и как окружающая среда может влиять на нас. Таким образом, изучение того, как ультрафиолетовое излучение может быть усилено загрязнением, является хорошим примером экологической инженерии.

(Рядом с закрытым окном покажите студентам шарики, чувствительные к ультрафиолетовому излучению.) Это шарики, обнаруживающие ультрафиолет. Наблюдайте за ними в солнечном свете, проникающем через это окно. (Пусть ученики посмотрят. Ожидайте, что шарики начнут менять цвет сразу же под воздействием ультрафиолетового света.) Обратите внимание, что это происходит через закрытое окно, через стекло. Вы можете увидеть, как можно получить солнечный ожог, даже когда вы едете в машине в длительной поездке.

Чувствительные к ультрафиолетовому излучению шарики обычно состоят из двух больших плоских сопряженных молекул. До воздействия ультрафиолета эти молекулы не связаны и выглядят бесцветными. При воздействии ультрафиолетового света две молекулы связываются, образуя более крупный комплекс, который поглощает определенную длину волны света, в результате чего получается видимый цвет. Чем длиннее сопряженная молекула, тем длиннее длина волны поглощаемого света; таким образом, различные цвета шариков могут быть получены с использованием разных молекул при изготовлении шариков. Когда они помещены в темноту, шарики возвращаются к своему бесцветному виду, что указывает на обратимую реакцию в отсутствие ультрафиолетового излучения.

Исследователи химической, биомедицинской и экологической инженерии участвуют в решении проблем, которые могут возникнуть из-за чрезмерного воздействия ультрафиолетового излучения на кожу человека, путем изучения разрушения защитного озонового слоя Земли и разработки методов обнаружения, лечения и лечения рака кожи. Понимание того, как эти бусинки работают как индикаторы, может помочь инженерам разработать более совершенные системы обнаружения, чтобы помочь предотвратить рак кожи, вызванный ультрафиолетовым излучением.

Основы урока и концепции для учителей

Информация о цикле наследия для этого урока

( Генерация идей ) Задайте студентам следующие исследовательские вопросы:

  1. Какова структура и функции кожи?
  2. Как УФ-излучение влияет на химические реакции в коже?

На уроке попросите студентов написать записи в дневнике, чтобы ответить на следующий вопрос: Каковы ваши первоначальные идеи о том, как ответить на эти два вопроса?

( Несколько точек зрения ). На уроке попросите учащихся поделиться идеями из своих журналов. Запишите их идеи на доске.

( Исследования и пересмотр ) Покажите учащимся шарик, чувствительный к ультрафиолету, чтобы они увидели, что УФ-излучение, хотя и невидимое, способно вызывать химические реакции. Предоставьте студентам вводную / мотивирующую информацию, чтобы объяснить, как работают УФ-шарики. Затем предоставьте справочную лекционную информацию об анатомии кожи и воздействии на нее ультрафиолетового излучения, таких загрязнителей, как хлорфторуглероды и его влияние на озоновый слой, УФ-индекс, типы рака кожи, ABCDE для оценки родинок и поражений и защиты от солнца. фактор (SPF) рейтинговая система для солнцезащитных кремов.

( Проверьте свой характер ) Проведите Насколько эффективен ваш солнцезащитный крем? связанная деятельность.

(Расширение нескольких перспектив ) Завершите урок, показав Использование лазеров для выявления рака кожи видеоклип (2:13 минут) о лазерном лечении кожи с доктором Анитой Янсен, профессором биомедицинской инженерии в университете Вандербильта.

Информация о лекции

UVA и UVB излучение - это лучистая энергия с длиной волны 280 нм - 400 нм. Ультрафиолетовое излучение обладает способностью вызывать определенные химические реакции, в том числе несколько в коже человека. Кожа человека является ключевым компонентом покровной системы организма, то есть системы органов, которая защищает организм от внешних повреждений, таких как потеря воды или истирание. Кожа состоит из трех основных слоев: эпидермиса, дермы и гиподермы.

  • Эпидермис , состоящий из самых внешних слоев кожи, состоит из четырех слоев в большинстве областей тела и пяти слоев на участках тела с толстой кожей, таких как подошвы ног. Этими слоями, от самого внешнего до самого внутреннего, являются роговой слой, lucidum stratum (присутствует только в более толстой коже), granulosum stratum, spinosum stratum и базальный слой.
  • Дерма , расположенная под эпидермисом, состоит из двух слоев: поверхностного папиллярного слоя и более глубокого ретикулярного слоя. Дерма сильная и эластичная отчасти благодаря коллагену и эластичным волокнам, рассредоточенным по всему телу. Разрушение этих коллагеновых волокон после чрезмерного воздействия ультрафиолета может привести к потере эластичности кожи и преждевременному старению.
  • Гиподерма или подкожная клетчатка, которая лежит ниже дермы, является по существу жировой (жировой) тканью. Заглянуть внутрь человеческой кожи.

    Copyright © 2005 Правительство США, Wikimedia Commons http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Skin.png

Эпидермис имеет только один активный слой делящихся клеток - базальный слой. Базальный слой снабжается питательными веществами путем диффузии из васкуляризированной дермы. Эпидермис получает свои жесткие защитные свойства от типа клетки, называемой кератиноцитом. Кератиноциты погибают и изменяют свою форму, когда их выталкивают из базального слоя в роговой слой, где они в конечном итоге отстают или стираются. Меланоциты также содержатся в базальном слое. Эти клетки продуцируют меланин, который поглощается кератиноцитами для защиты ядра от ультрафиолетового излучения. Некоторое количество ультрафиолетового повреждения может быть восстановлено естественным путем ферментной системой организма, и ультрафиолетовое облучение необходимо для производства витамина D. Молекула 7-дегидрохолестерин вырабатывает витамин D3, когда кожа подвергается воздействию ультрафиолетового света в среде, в которой УФ-индекс 3 или больше. Витамин D3 является предшественником активного витамина D, который необходим для метаболизма кальция.

Витамин D3 является предшественником активного витамина D, который необходим для метаболизма кальция

Выработка витамина D3 в коже, когда 7-дегидрохолестерин подвергается воздействию ультрафиолета.

Copyright © 2009 NEUROtiker, Wikimedia Commons http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Calcitriol-Biosynthese_1_engl.svg

Ультрафиолетовый свет также необходим для создания озонового слоя, который является естественным способом защиты окружающей среды от ультрафиолета.

Ультрафиолетовый свет также необходим для создания озонового слоя, который является естественным способом защиты окружающей среды от ультрафиолета

Производство и уничтожение озона (O3).

Copyright © 2003 Brien Sparling, Wikimedia Commons http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Ozone_formation.GIF

Образование и разрушение озона, когда оно удерживается в равновесии, помогает создать озоновый слой, который служит нашей первой линией защиты кожи от воздействия ультрафиолетового излучения солнца. В некоторых районах мира озоновый слой истощен, и в этих районах наблюдается рост заболеваемости раком кожи человека.

Антропогенное загрязнение включает такие вещества, как хлорфторуглероды. Как показывают следующие серии реакций, хлорфторуглероды реагируют с ультрафиолетом с образованием Cl (свободного радикала хлора), который, в свою очередь, реагирует с разрушением O3 (озона). Чтобы решить эту проблему, ClO (свободный радикал монооксида хлора), который является продуктом реакции Cl и O3, реагирует с O (кислородом), тем самым удаляя кислород, который мог бы быть использован для дальнейшего производства озона.

На территории Австралии истощение озонового слоя в результате загрязнения привело к серьезным последствиям для здоровья; статистически, один из каждых трех человек, как ожидается, заболеет раком кожи. Правительство Австралии реализует план восстановления озонового слоя и информирует своих граждан об опасности чрезмерного воздействия ультрафиолетового излучения. В Австралии и многих других местах мира публикуются рейтинги УФ-индекса, чтобы информировать людей о локальной интенсивности УФ-излучения для определенных месяцев, дней и иногда определенного времени суток. Типичная глобальная шкала УФ-индекса представляет собой диапазон чисел с цветовой кодировкой от 1 до 11+, который указывает на риск воздействия на человека, например, эта шкала УФ-индекса, используемая в США:

Типичная глобальная шкала УФ-индекса представляет собой диапазон чисел с цветовой кодировкой от 1 до 11+, который указывает на риск воздействия на человека, например, эта шкала УФ-индекса, используемая в США:

Copyright © Агентство по охране окружающей среды США http://www2.epa.gov/sunwise/uv-index-scale

Объяснение шкалы УФ-индекса:

  • 2 или ниже означает низкую опасность от ультрафиолетовых лучей солнца для среднего человека.
  • 3-5 означает умеренный риск причинения вреда от незащищенного пребывания на солнце.
  • 6–7 означает высокий риск причинения вреда от незащищенного пребывания на солнце. Наносите солнцезащитный крем с SPF не менее 15. Носите широкополую шляпу и солнцезащитные очки, чтобы защитить глаза.
  • 8–10 означает очень высокий риск причинения вреда от незащищенного пребывания на солнце. Минимизируйте пребывание на солнце в полдень с 10 до 16 часов. Защитите кожу, широко применяя солнцезащитный крем с SPF не менее 15. Носите защитную одежду и солнцезащитные очки для защиты глаз.
  • 11 или выше означает чрезвычайный риск причинения вреда от незащищенного пребывания на солнце. Старайтесь избегать пребывания на солнце в полдень с 10 до 16 часов. Наносите солнцезащитный крем с SPF не менее 15 раз в два часа.

Лучи ультрафиолетового излучения, которые более энергичны, чем видимый свет, могут повредить ДНК клеток кожи и привести к раку кожи. UVA обладает способностью проникать через эпидермис, дерму и проникать в гиподерму. UVB проникает полностью через эпидермис и немного в дерму. Воздействие ультрафиолета может повредить клетки кожи, что приведет к дефектам ДНК, при которых соседние тиминовые основания станут ковалентно связанными, создав димеры тимина. Димеры тимина потенциально могут вызвать коробление в цепи и создать неправильное прочтение во время репликации ДНК.

Димеры тимина потенциально могут вызвать коробление в цепи и создать неправильное прочтение во время репликации ДНК

Один из распространенных типов - повреждение, которое УФ-излучение может нанести на нить ДНК клеток кожи, вызывая димер тимина.

Copyright © 2006, Дэвид Херринг, НАСА, Wikimedia Commons http://commons.wikimedia.org/wiki/File:DNA_UV_mutation.gif

В небольшом масштабе у тела есть своя собственная система для исправления поврежденной ДНК с помощью процесса, называемого репарацией нуклеотидов. При таком типе восстановления поврежденная часть ДНК вырезается из цепи ферментом, называемым нуклеазой. Затем оставленное пространство заполняется правильными основаниями, подходящими для комплементарной цепи ДНК. ДНК-полимераза и ДНК-лигаза являются двумя ферментами, участвующими в заполнении цепи. Тем не менее, при достаточном чрезмерном воздействии солнца или искусственных источников ультрафиолетового излучения, таких как солярии, ущерб может быть слишком велик для восстановления, что приводит к раку кожи.

Три основных типа рака кожи:

  • Базально-клеточная карцинома является наименее фатальной из трех, причем 99% людей выживают при лечении рака. При базально-клеточном раке появляются блестящие поражения, обычно на лице. При этом типе рака базальные клетки страты теряют способность образовывать кератин, и граница между эпидермисом и дермой не наблюдается. Это происходит медленно, поэтому лечение обычно проходит успешно.
  • Плоскоклеточный рак происходит из клеток спинного мозга. Этот тип рака кожи растет быстрее, чем базальноклеточный рак, но имеет довольно хорошую скорость излечения, если удалить его и лечить на ранней стадии облучением. Поражения появляются чешуйчатые и обычно вызывают язву.
  • Злокачественная меланома - это рак кожи, поражающий меланоциты. Этот тип быстро растет и быстро метастазирует. Коэффициент выживаемости составляет ~ 50%. Обычно этот тип распространяется в виде черного или коричневого очага с нерегулярными границами.

Чтобы помочь с ранним распознаванием рака кожи, медицинское сообщество предлагает искать эти предупреждающие знаки в любых родинках и повреждениях, которые они называют ABCDEs меланомы :

А. Асимметрия : если две стороны поражения не совпадают.

B. Нерегулярность границы : если границы поражения имеют выемки.

C. Цвет : если поражение содержит разные цвета или если оно очень темное.

D. Диаметр : если поражение больше диаметра, чем 6 миллиметров.

E. Эволюция : если какие-либо изменения видны в размере, форме, цвете, высоте или других чертах.

Солнцезащитный крем предназначен для защиты кожи от передержки от ультрафиолета. Солнцезащитные продукты используют систему оценки солнцезащитного фактора ( SPF ), которая основана на кратном количестве минут, в течение которых средний человек может находиться на солнце без ожогов. Если среднее время составляет 15 минут, то использование солнцезащитного крема SPF 15 теоретически позволяет человеку находиться на солнце в течение 225 минут без ожогов. Некоторые солнцезащитные кремы защищают как от UVA, так и от UVB, поэтому важно проверить их перед покупкой. Некоторые продукты - солнцезащитные кремы - содержат молекулы, которые фильтруют ультрафиолетовый свет, в то время как другие продукты - солнцезащитные кремы - содержат химические вещества, предназначенные для одновременного блокирования ультрафиолетового света. Следующий урок, Нанотехнологии и лечение рака (третий урок в этом разделе), описывает способы использования нанотехнологий для выявления и лечения рака.