VI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Влияние ультрафиолетового излучения на электрическое сопротивление яичного белка
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
1. Введение.
Проблема влияния ультрафиолетового излучения (УФИ) на живые организмы вызывает непреходящий интерес в связи с тем, что ультрафиолетовое излучение является естественным экологическим фактором, участвующим в эволюции всех жизненных форм на земле. Ультрафиолетовые лучи - это электромагнитные волны с длиной волны меньше, чем у фиолетового света. Ультрафиолетовые лучи невидимы, но действие их на сетчатку глаза и кожу велико и разрушительно. Ультрафиолетовое излучение солнца недостаточно поглощается верхними слоями атмосферы. Поэтому высоко в горах нельзя длительное время оставаться без темных очков и без одежды. В малых дозах ультрафиолетовые лучи оказывают целебное действие. Умеренное пребывание на солнце полезно: ультрафиолет способствует росту и укреплению организма. Кроме прямого действия на кожу, ультрафиолетовые лучи оказывают влияние на центральную нервную систему, стимулируя ряд важных жизненных функций организма. Ультрафиолетовые лучи, наконец, обладают и бактерицидным действием. Они убивают болезнетворные бактерии и используются с этой целью в медицине. Ультрафиолетовое излучение солнца и искусственных источников по рекомендации II Международного конгресса по физиотерапии и фотобиологии (1932г) разделяется на три области: А-400-320 нм; В- 320-275 нм; С-275-180 нм. В действии каждого из этих диапазонов на живые организмы есть существенные различия. Наибольшая биологическая активность свойственна коротковолновому ультрафиолетовому излучению (С-диапазону). В солнечном излучении из-за эффективного поглощения озоном атмосферы коротковолновое ультрафиолетовое излучение не достигает поверхности Земли. Другое дело при искусственной соляризации ртутно-кварцевыми лампами коротковолновая часть спектра неизменно присутствует, т.к. резонансная линия излучения паров ртути имеет длину волны 250 нм.
Электрическое сопротивление — физическая величина, характеризующая свойства проводника препятствовать прохождению электрического тока и равная отношению напряжения на концах проводника к силе тока, протекающего по нему.
Сопротивление (обозначается буквой R ) считается, в определённых пределах, постоянной величиной для данного проводника; его можно рассчитать по формуле R=U/I, где R — сопротивление, U — разность электрических потенциалов (напряжение) на концах проводника, I — сила тока, протекающего между концами проводника под действием разности потенциалов.
Единицы и размерности.
Размерность электрического сопротивления в СИ: В международной системе единиц (СИ) единицей сопротивления является Ом . Высокая электропроводность металлов связана с тем, что в них имеется большое количество носителей тока — электронов проводимости, образующихся из валентных электронов атомов металла, которые не принадлежат определённому атому. Электрический ток в металле возникает под действием внешнего электрического поля, которое вызывает упорядоченное движение электронов. Движущиеся под действием поля электроны рассеиваются на неоднородностях ионной решётки (на примесях, дефектах решётки, а также нарушениях периодической структуры, связанной с тепловыми колебаниями ионов). При этом электроны теряют импульс, а энергия их движения преобразуются во внутреннюю энергию кристаллической решётки, что и приводит к нагреванию проводника при прохождении по нему электрического тока.
В других средах (полупроводниках, диэлектриках, электролитах, неполярных жидкостях, газах и т. д.) в зависимости от природы носителей заряда физическая причина сопротивления может быть иной. Линейная зависимость, выраженная законом Ома, соблюдается не во всех случаях. Сопротивление проводника при прочих равных условиях зависит от его геометрии и от удельного электрического сопротивления материала, из которого он состоит. Сопротивление однородного проводника постоянного сечения зависит от свойств вещества проводника, его длины, сечения и вычисляется по формуле: R=U/I
Сопротивление однородного проводника также зависит от температуры.
Удельное сопротивление — скалярная физическая величина, численно равная сопротивлению однородного цилиндрического проводника единичной длины и единичной площади сечением1м2.
Удельное сопротивление металлического проводника зависит от концентрации свободных электронов в проводнике;
интенсивности рассеивания свободных электронов на ионах кристаллической решетки, совершающих тепловые колебания;
интенсивности рассеивания свободных электронов на дефектах и примесях кристаллической структуры. Удельное сопротивление определяется по формуле
p= RS/L. Наименьшим удельным сопротивлением обладает серебро и медь. Очень велико удельное сопротивление у сплава никеля, железа, хрома и марганца — "нихрома". Удельное сопротивление кристаллов металлов в значительной степени зависит от наличия в них примесей. Например, введение 1 % примеси марганца увеличивает удельное сопротивление меди в три раза. Сопротивление металлов снижается при понижении температуры; при температурах порядка нескольких кельвинов сопротивление большинства металлов и сплавов стремится или становится равным нулю (эффект сверхпроводимости). Напротив, сопротивление полупроводников и изоляторов при снижении температуры растёт.
Цель нашей работы заключается в следующем:
Рассмотреть влияние ультрафиолетового излучения на сопротивление яичного белка. Для решения данного вопроса проводилось измерение вольтамперной характеристики облучённых и необлучённых образцов однодневного яичного белка.
Для достижения цели были поставлены следующие задачи:
1. Определить сопротивление яичного белка, так как жизнеспособность тканей определяется сопротивлением.
2. Определить сколько времени белок остается жизнеспособным под влиянием ультрафиолетового излучения.
3. Пронаблюдать изменение относительного сопротивления белка с течением времени вылежки.
В данной работе приведены результаты экспериментального воздействия ультрафиолетового излучения на электрическое сопротивление яичного белка.
Описание исследования
Опыт№1 .
Цель: Установить зависимость удельного сопротивления от времени вылежки для различной дозы ультрафиолетового облучения.
Для проведения нашего эксперимента изготавливались образцы из однодневного яичного белка, состоящего в основном из яичного альбумина-67%. Взяли яичный белок и его набрали в медицинский шприц, снабжённый медными контактами – электродами. Через электроды подключили шприц с яичным белком к физическому прибору (характериографу). Характериограф - Z типа1575 (TR-4805) представляет прибор общего назначения, служащий для исследования характеристик полупроводниковых приборов. Характериограф позволяет измерять ток и напряжение в широком диапазоне от 1 мкм до 10 А и от 0,1 В до 1000В соответственно. По истечении 2-3 мин после включения прибор является работоспособным, но в случае более чувствительных или точных измерений целесообразно выждать время разогрева (30 мин).
Образцы имели длину 1см и площадь 25мм2. Облучение ультрафиолетовыми лучами проводилось с помощью ртутно-кварцевой лампы «ДРТ-400» в специальных кварцевых кюветах. Время облучения было различно и варьировалось от 10-бОсек (малые времена облучения) и от 20 до 10 минут - большие времена облучения. Далее методом вольтамперных характеристик измерялось электрическое сопротивление на характериографе типа 1575(ТК4805) через определенные промежутки времени: от 50 до 60 минут, и так до 22 суток. Одновременно проводилось измерение контрольных образцов, не подвергавшихся ультрафиолетовому излучению .
Удельное сопротивление определяли по формуле: p= RS/L, где R=U/I.
На рис.1 представлены кинетические кривые удельного сопротивления для малых и больших времен облучения. Как показано, чем больше время облучения, тем быстрее происходит спад или уменьшение сопротивления. Причем, если время облучения меньше трех минут, то даже через четверо суток возможно восстановление сопротивления белка до прежнего значения. При большем времени облучения такого не происходит.
На основании проведённых измерений сделали вывод.
Вывод: чем больше время облучения, тем быстрее происходит спад или уменьшение сопротивления.
Опыт №2.
Цель: пронаблюдать изменения относительного сопротивления белка от времени вылежки.
p - удельное сопротивление облученных образцов.
p о - удельное сопротивления необлученных образцов.
Pо / р - относительное сопротивление, т.е. изменение сопротивления облученных образцов, отнесенных к сопротивлению необлученных образцов при одних и тех же временных выдержках.
На рис.2 показаны результаты изменения относительного сопротивления белка от времени вылежки.
Особое внимание следует обратить на поведение образцов подвергавшихся облучению в течение двух минут. При уменьшении сопротивления в первые трое суток, в интервале от трех до семи суток происходит некоторая стабилизация - сопротивления образца даже несколько увеличилась, затем наблюдалось резкое повторное падение сопротивления, сменившееся после непродолжительного периода стабилизации резким повышением сопротивления почти до первоначального его значения. Подчеркнем, что сопротивление является структурно - чувствительным параметром среды, и, его уменьшение связано с процессами денатурации белка, обусловленное фотоактивацией белка.
Вывод: можно предположить, что кратковременно до двух минут облучённый белок ещё способен на денатурацию. Большое время облучения приводит к необратимым изменениям сопротивления.
Результаты.
В результате проведённой работы было установлено следующее:
1.Удельное сопротивление зависит от дозы ультрафиолетового излучения.
2.Относительное сопротивление белка зависит от времени вылежки.
3.Чем больше время облучения, тем менее жизнеспособным становится белок. Причем, если время облучения меньше трёх минут, то даже
через четверо суток возможно восстановление сопротивления белка до прежнего значения. При больших временах облучения такого не происходит. Электрическое сопротивление является структурно-чувствительным параметром среды, и его уменьшение связано с процессами денатурации белка, сопровождающимся на наш взгляд, распадом четвертичной и третичной структуры белка за счёт разрыва самых слабых (возможно водородных) связей. При кратковременном облучении ультрафиолетовыми лучами такие связи могут восстанавливаться. Под влиянием большой дозы облучения происходит значительное разрушение белковых структур. Полученные результаты показывают необходимость осторожного подхода по всем видам соляризации, особенно для детей младшего возраста.
Можно предположить, что ультрафиолет вызывает старение белковых структур, аналогично тому, как это происходит при естественной вылежке яиц при комнатной температуре. Разница только в том, что в облучённых образцах старение происходит гораздо быстрее.
Таким образом, наряду с положительным влиянием ультрафиолетового излучения нельзя забывать и о его негативном действии - ускоренным процессом старения живых организмов.
Результаты исследования могут, использованы при санации продукции птицефабрик ультрафиолетом.
Полученные результаты могут быть использованы для дальнейшего исследования влияния ультрафиолета на отдельные аминокислотные составляющие белка.
Дополнительную информацию предполагаю получить с помощью исследования инфракрасной спектроскопии ( ИК спектры) белковых структур.
Список использованной литературы.
Г.С. Ландсберг «Элементарный учебник физики».
Закон Ома для участка цепи. Сопротивление. Стр.110-114
И.В. Черныш, энциклопедия «Хочу все знать».
УФ излучение. Стр.71
Соросовский Научный журнал.
Молекулярная эволюция. Стр.53-57
Прибор «Характериограф» (инструкция).
Принцип работы и устройство характеригрофа. Стр.3-5