Światło UV – czym jest i jak oddziałuje na organizmy żywe

Powszechnie się słyszy o świetle (promieniowaniu) UV i jego wpływie na nasz organizm. Jednym ze sztandarowych i pozytywnych przykładów jest wpływ na wytwarzanie witaminy D, której to obecnie przypisywane są coraz to nowe, cudowne właściwości. Z drugiej strony wiadomo, że światło UV może być niebezpieczne. Słyszymy, że może powodować poparzenia słoneczne, odpowiadać za objawy starzenia się skóry oraz, przede wszystkim, za powstawanie nowotworów złośliwych. Powstaje więc pytanie, dlaczego światło UV ma takie właściwości i jak to się dzieje, że potrafi wywołać np. transformację nowotworową?

Szczypta fizyki czyli o naturze fali promieniowania UV


 Rys. 1. Spektrum fal elektromagnetycznych
Światło UV jest jednym ze składowych widma fal elektromagnetycznych. Ma ono relatywnie małą długość fali, krótszą np. niż światło widzialne. Krótsze fale posiada jedynie promieniowanie rentgenowskie i gamma. Mała długość fali oznacza, że ma ona wysoką częstotliwość. Zaś częstotliwość jest wprost proporcjonalna do energii fali. Oznacza to, że fala o wyższej częstotliwości będzie miała wyższą energię. By jednak nie zagłębiać się za bardzo w szczegóły można uprościć przekaz stwierdzając po prostu, że UV jest promieniowaniem wysokoenergetycznym. 
Umownie wyróżnia się zakresy UV-A, UV-B oraz UV-C. Zakres UV-A zawiera spektrum fal najbliższej światła widzialnego, czyli fale relatywnie długie (jak na zakres UV) i relatywnie niskoenergetyczne. UVC to natomiast fale najkrótsze (spośród fal UV) i najwyżej energetyczne. Oczywiście podział ten jest dość sztuczny i odzwierciedla tylko ludzką chorobliwą, lecz jakże piękną, skłonności do systematyzowania i klasyfikowania otaczającego nas świata. Klasyfikacja ta pozwala natomiast uprościć przekaz generalizując, że ze Słońca do Ziemi dociera relatywnie dużo UV-A, niewiele UV-B, zaś UV-C na szczęście nie dociera wcale.
Wiemy już, że światło UV jest falą o relatywnie wysokiej energii, zastanówmy się więc, czy ma ono jakiś bezpośredni wpływ na nasz organizm.

Światło UV nie oddziałuje z każdą cząsteczką materii organicznej – nie jest na przykład absorbowane przez proste związki organiczne zawierające wiązania C-C czy C-H. Jest jednak pochłaniane przez związki zawierające np. różnego rodzaju wiązania podwójne czy też wiązania aromatyczne. Rodzaj zmian zależy oczywiście od rodzaju i energii promieniowania, jego natężenia, oraz oczywiście od rodzaju absorbującej promieniowanie cząsteczki organicznej.
W skrajnej sytuacji promieniowanie UV może mieć naprawdę drastyczny wpływ na materię organiczną. Przykładem mogą być specjalistyczne lampy UV stosowane m.in. do jałowienia powierzchni np. w salach szpitalnych. Generują one światłu UV o wysokim natężeniu. Naświetlanie tego typu lampą sprawia, że w komórkach znajdujących się na oświetlanej powierzchni mikroorganizmów dochodzi do tak wielu poważnych zmian na poziomie molekularnym, że uniemożliwiona jest ich dalsza egzystencja. Przykład ten pokazuje jak potężne może być destrukcyjne działanie światła UV na organizmy żywe.
Na szczęście w środowisku nie mamy do czynienia z tak zabójczą dawką promieniowania UV.
W mniejszych dawkach promieniowanie UV może oddziaływać np. z cząsteczkami białek, czyli głównego budulca organizmów żywych. Wysoka energia fali UV może prowadzić np. do uszkodzeń struktury przestrzennej białka (przede wszystkim struktur trzecio- i czwartorzędowych). By zobrazować problem można przytoczyć wspomniane negatywne działanie promieniowania UV na skórę. Ma to związek m.in. z oddziaływaniem UV na strukturę kolagenu, który jest powszechnie znany białkiem odpowiedzianym za prawidłowy, zdrowy i elastyczny obraz skóry (i nie tylko). Pod wpływem UV w kolagenie skóry tworzą się wolne rodniki i następuje denaturacja kolagenu. Wynikiem tych reakcji może być wzrost gęstości i sztywności tkanki skóry czy tworzenie się zmarszczek.

Wydawało by się, że światło UV ma jedynie destrukcyjny wpływ na nasz organizm. Jednak jego oddziaływanie na materię organiczną nie musi być tylko destrukcyjne. Jak wspomniano na początku światło UV jest niezbędne do wytwarzania witaminy D. Jak łatwo się domyślić, synteza ta zachodzi w skórze, gdyż właśnie tam dociera odpowiednie światło UV. Właśnie wysoka energia fal z zakresu UVB (szczególnie wydajnie dla zakresu 295-300 nm) jest niezbędna do przekształcenia tzw. prowitaminy w prewitaminę D.
W zależności od tkanki w której pojawi się tego typu zmieniona komórka, mamy do czynienia z różnymi nowotworami. Oczywiście, w kontekście mutagennego działania promieniowania UV szczególnie narażona jest skóra. Najczęściej występują nowotwory naskórka: nowotwór najgłębszej warstwy naskórka czyli warstwy podstawnej (rak podstawnokomórkowy), nowotwór następnej warstwy zwanej kolczystą (rak kolczystokomórkowy) oraz dużo rzadziej występujący ale bardziej złośliwy nowotwór komórek pigmentowych – melanocytów (czerniak).
Czasami jednak mutacja zajdzie w bardziej istotnym genie, jednak nie będzie śmiertelna dla komórki. Wtedy tak naprawdę mamy realne powody do zmartwień. Może się zdarzyć, że zmiana pojawi się w tzw. protoonkogenie i przekształci go w onkogen. Protoonkogeny są to zazwyczaj ważne geny, których produkty regulują istotne procesy komórkowe, przede wszystkim podziały komórkowe. Innymi słowy, odpowiadają one za odpowiednie uruchamianie podziałów komórkowych wtedy, kiedy jest to potrzebne i hamowania tychże podziałów, kiedy tkanka jest kompletna i nie ma potrzeby zwiększać w niej ilości danego typu komórek. Jeśli jednak w genach tych zajdą niekorzystne mutacje upośledzające ich funkcjonowanie, może to prowadzić do niekontrolowanych podziałów komórkowych. Istotnym problemem jest to, że każda z potomnych komórek będzie posiadała tak samo zmienione DNA jak komórka pierwotna, a więc będzie każda z nich będzie tak samo dysfunkcyjna i będzie się dzielić w tak samo niekontrolowany sposób. A to de facto oznacza już pojawienie się nowotworu.
Mutacje te mogą zachodzić ze statystycznie równym prawdopodobieństwem w każdym miejscu genomu (czyli tak samo jak osobie przepisującej tekst, błędy mogą się przytrafić w zasadzie w każdym miejscu tekstu). Często mutacje zachodzą więc w relatywnie mało istotnym miejscu genomu, które albo nic nie koduje, albo koduje mało istotny element genetyczny. Dlatego też większość mutacji może nigdy nie zostać zauważona. Jednak czasami zmiany te mogą dotyczyć bardzo istotnych elementów genetycznych. Często są to mutacje letalne, to znaczy powodują śmierć tak zmutowanej komórki organizmu. Z naszej perspektywy (czyli z perspektywy całego organizmu) nie jest to wcale takie złe, gdyż braku pojedynczej komórki nikt nie zauważy. Szczególnie, że zaraz zastąpi ją inna, nie posiadająca tego typu mutacji.
Na tym podobieństwo między sekwencją DNA a pisaniem tekstu się nie kończy. Współczesne edytory tekstu wspomniane wyżej błędy pisowni automatycznie zaznaczą i poprawią. Dokładnie tak samo działa komórka żywego organizmu, która posiada odpowiednie mechanizmy naprawcze. Sama polimeraza DNA, czyli białko odpowiadające za tworzenie kopii materiału genetycznego (np. przy podziale komórek) posiada właściwości korektorskie, czyli potrafi rozpoznać źle przepisane miejsce i „przepisać” je na nowo. Jeśli błędów jest mało, mechanizmy naprawcze komórki wyłapują je i usuwają. Natomiast przy większej ekspozycji na czynnik mutagenny (np. większa dawka promieniowania UV) błędów może być tak dużo, że niektóre pozostaną niezauważone i nie naprawione. W efekcie powstaje trwała zmiana w sekwencji DNA, czyli mutacja.
Wspomniane mutacje w sekwencji DNA można sobie wyobrazić jako błędy w tekście. Wystarczy, że tekst, który właśnie czytasz, zostałby przez kogoś raz przepisany i w którymś wyrazie trafiłby się błąd. Na przykład zamiast słowa „wysokoenergetyczne” powstało by słowo „wysogoenergetyczne” (substytucja), „wysooenergetyczne” (delecja) lub wysokgoenergetyczne” (insercja). Niby nic, ale czasami nawet taka mała zmiana ma duże znaczenie (rzadko w przypadku przykładu z tekstem pisanym, lecz często w przypadku sekwencji DNA).
Najbardziej niebezpieczne jest jednak oddziaływanie światła UV nie z białkami, a z materiałem genetycznym, czyli po prostu z DNA. Dla porządku przypomnijmy, że sekwencja DNA stanowi bank całej informacji potrzebnej do budowy i odpowiedniego funkcjonowania żywego organizmu. Nie wszystkie geny są równocenne – niektóre kodują białka niezbędne do życia (komórki czy całego organizmu), natomiast inne odpowiadają za mniej istotne cechy jak np. kolor włosów. Światło UV działa jak silny mutagen, czyli wpływa na powstawanie zmian w sekwencji DNA.

Mutagenne właściwości światła UV

 
Rys. 2. Indeks UV - wytyczne interpretacyjne i rekomendacje  WHO (opracowanie IMGW).
Podsumowanie

Podsumowując, światło UV towarzyszy nam od zarania dziejów i jest czymś zdecydowanie naturalnym. Organizmy żywe nie tylko opracowały mechanizmy chroniące je przed szkodliwym wpływem UV, lecz także potrafią wykorzystywać jego energię do produkcji np. witaminy D. Jednakże efekty długotrwałego degradacyjnego działania światła UV potrafią się kumulować latami. Postęp cywilizacyjny, rozwój medycyny czy higieny sprawiły, że obecnie średnia długość życia jest dużo dłuższa niż sto, dwieście czy kilka tysięcy lat temu. Nie da się ukryć, że ludzkość zaskoczyła w tym elemencie ewolucję. Nie zdążyły więc powstać naturalne mechanizmy pozwalające na zabezpieczanie nas przed szkodliwym działaniem UV przez całe dziesięciolecia. Dlatego też prawdopodobieństwo wystąpienia nowotworów, w tym nowotwory skóry rośnie z wiekiem, zaś mechanizmy naprawcze nie są przygotowane do działania bezbłędnie tak długo.
Na szczęście ludzki rozum i rozwój cywilizacji dał nam tylko więcej lat życia (a tym samym więcej lat ekspozycji na światło UV i kumulowania w komórkach zmian przez nie wywoływanych). Jako ludzkość dość dobrze poznaliśmy naturę promieniowania UV oraz jego destrukcyjnego działania na nasze organizmy. Ta wiedza pozwoliła nam na opracowanie odpowiednich kremów, okularów przeciwsłonecznych, odzieży i innych podobnych rzeczy wyposażonych w skuteczne filtry UV. Przy pomocy specjalistycznej aparatury monitorujemy też stopień narażenia na promieniowanie UV (tzw. indeks UV) i dzięki tej wiedzy możemy odpowiednio dopasować poziom ochrony przed słońcem do aktualnie panujących warunków. Posiadamy więc niezbędne dane by racjonalnie korzystać z uroków słońca i dość skutecznie chronić się przed jego szkodliwym działaniem. To, czy z tej wiedzy skorzystamy, zależy już tylko od nas.

Ważne adresy i linki

Ministerstwo Zdrowia - https://www.gov.pl/zdrowie/
Organizator kampanii - http://www.pzh.gov.pl/
Wykonawca - www.wesharemedia.pl
Facebook kampanii - https://www.facebook.com/UVJasnejakslonce
Instagram kampanii - https://www.instagram.com/uvjasnejakslonce/