Home > Publikationen > "Licht und Gesundheit" / Inhalt > Photobiologische Prozesse

Licht und Gesundheit Das Leben mit optischer Strahlung Photobiologische Prozesse 1 Photobiologische Prozesse 1. 1 Optische Strahlung Die Menschen unserer Zeit sind durch die sich ständig und rasch weiter entwickelnden Lebensumstände und Gefahren, die von den Medien häufig verzerrt oder manchmal sogar falsch dargestellt werden, neugieriger, aber auch mißtrauischer geworden. Globale Einflüsse und deren prognostizierte Veränderungen werden nicht selten als Katastrophen vermarktet /754/, /759/ - /760/. Stark beachtet, bietet die Klimaentwicklung auf unserem Planeten Erde ein weites Feld für Spekulationen. Mögliche negative Wirkungen optischer Strahlung auf den Menschen stehen dabei häufig im Vordergrund der Betrachtungen /118/, /585/. Allgemein bekannt ist, daß der optische Bereich der elektromagnetischen Strahlung das Leben auf der Erde und damit auch das der Menschen erheblich beeinflußt /1/ - /7/, /9/ - /24/, /26/ - /37/, /39/, /41/, /43/ - /60/, /62/ - /77/, /79/ - /91/, /93/ - /97/, /102/, /104/ - /112/, /114/ - /117/, /119/ - /120/, /122/ - /127/, /132/ - /141/, /143/ - /150/, /152/ - /162/, /164/ - /168/, /170/ - /173/, /176/ - /179/, /182/ - /193/, /196/ - /225/, /227/ - /249/, /253/ - /303/, /306/ - /327/, /329/ - /342/, /345/ - /360/, /362/ - /402/, /405/ - /422/, /425/ - /434/, /436/ - /444/, /446/ - /458/, /460/ - /480/, /482/ - /488/, /490/ - /506/, /508/, /510/ - /558/, /560/ - /584/, /587/ - /609/, /611/ - /624/, /628/ - /683/, /685/ - /694/, /697/ - /708/, /710/ - /712/, /714/ - /721/, /723/, /732/, /736/ - /740/, /742/ - /744/, /746/ - /750/, /761/, /763/. Aus der Biologie, Medizin und Technik liegen Erfahrungen vor, daß natürliches Licht und tageslichtähnliche Anlagen von höheren Beleuchtungsstärken den Menschen positiv beeinflussen. Nachteilige Auswirkungen unzureichender Beleuchtung werden oft nicht rechtzeitig erkannt /114/, /124/, /231/, /485/, /514/, /695/ - /697/, /736/ - /737/, /763/. Bei der Durchführung exzessiver Sonnenbäder in der Natur und/oder in Solarien wird oft die Überdosierung nicht bemerkt. Die Folgen können u. U. Haut- und Augenschädigungen sein. Andere Umweltparameteränderungen, wie beispielsweise Temperatur- und Luftfeuchtigkeitsschwankungen, werden durch den Menschen schneller wahrgenommen. Die Ursachen für diese unterschiedlichen Wahrnehmungsmöglichkeiten liegen in den unterschiedlichen Anpassungsmöglichkeiten der menschlichen Organe. Das menschliche Auge ist in der Lage, Lichtsituationen über mehrere Zehnerpotenzen hinweg zu adaptieren. Deshalb sind mögliche Folgeerscheinungen guter oder schlechter Beleuchtung in der Regel nicht oder nicht frühzeitig feststellbar. Da diese in den meisten Fällen erst nach Monaten oder Jahren auftreten, werden die eigentlichen Ursachen der körperlichen, seelischen und/oder geistigen Schäden erst sehr spät oder überhaupt nicht erkannt. Die Spezies Mensch befindet sich in enger komplexer Wechselwirkung mit ihrer Umwelt. Zwischen Mensch und Umwelt finden Austauschvorgänge statt. Bekannt ist, daß der Mensch Sauerstoff verbraucht und Kohlendioxid als Verbrennungsprodukt abgibt und daß er Nahrungsmittel aufnimmt und abgebaute Nahrung ausscheidet. Außerdem weiß man, daß der Mensch optische Strahlung absorbiert und im infraroten Strahlungsbereich emittiert. Die Strahlungsemission im sichtbaren und sogar UV-Strahlungsbereich ist weniger bekannt und wird erst seit einigen Jahren mit hochempfindlicher Meßtechnik untersucht /233/, /343/, /387/, /507/, /520/, /576/, /625/ - /626/, /715/, /725/ - /730/, /740/, /745/, /748/, /750/. Andere Umwelteinflüsse wie Umgebungstemperatur, Luftfeuchtigkeit und mögliche Streßbelastungen, z. B. Lärm und Blendung, werden in dieser Literaturrecherche nur zweitrangig betrachtet, obwohl deren Einflüsse nicht vernachlässigt werden dürfen. Interdisziplinäre Forschungen sind dazu verstärkt erforderlich. Unsere Umgebung ist eine Welt mit ständig zunehmender elektromagnetischer Strahlung. Mit Sorge hört man den Begriff "Elektrosmog" /731/. Weite Bereiche der elektromagnetischen Strahlung sind unsichtbar, aber unter Umständen langzeitlich schädigend. Der Schädigungsgrad wird durch den Emissionsbereich und durch die vom Organismus aufgenommene Dosis bestimmt. Letzter Begriff ist den meisten Menschen von der Strahlendiagnostik und Strahlungstherapie bekannt. Mit einem in der Radiologie üblichen Röntgenpaß kann man sich heute alle Bestrahlungen dokumentieren lassen. Damit ist ein sorgsamer Umgang mit diesen leider notwendigen medizinischen Techniken jederzeit überprüfbar. Naturgemäß ist unsere wichtigste Strahlungsquelle die Sonne. Ohne ihre Strahlung wären das Entstehen und die Weiterentwicklung organischer Materie und des Lebens auf der Erde nicht möglich. Einen Vergleich der relativen Strahlungsenergien der Sonne mit ausgewählten künstlichen Strahlern zeigt Bild 1.

Bild 1 Strahlungsenergie verschiedener Strahlungsquellen   UV-Strahlung ist ein aus dem Gesamtbereich der elektromagnetischen Strahlung herausgetrennter Teil des Gesamtspektrums. In Bild 2 ist eine Einordnung der optischen Strahlung in den Gesamtbereich der elektromagnetischen Strahlung vorgenommen worden. Die optische Strahlung kann man in einen sichtbaren und zwei unsichtbare Bereiche unterteilen.

Bild 3 demonstriert den prinzipiellen Verlauf des wirkenden Sonnenspektrums im kurzwelligen Spektralbereich.

Bild 3 Spektren verschiedener Strahler im kurzwelligen Spektralbereich   Die auf der Erdoberfläche auftreffende Strahlung ist von verschiedenen Faktoren abhängig.

Bild 4 Abhängigkeit der Globalstrahlung der Sonne   Bild 5 gibt einen Überblick über chemische und physikalische Wirkungen der optischen Strahlung.

Bild 5 Chemische und physikalische Wirkungen der optischen Strahlung   1. 2 Grundgesetze der Photobiologie Photobiologische Prozesse, die auch beim Menschen ablaufen, gehorchen den Grundgesetzen der Photobiologie und Photochemie. Von besonderer Wichtigkeit sind die Vorgänge, die von der Strahlung über die Haut, die Augen und die Haare in Gang gesetzt werden. Mit Kenntnissen über Wirkungen der Strahlung auf diese Organe können Aussagen zu positiven und negativen Folgen gemacht werden. Entstehung, Aufrechterhaltung und Weiterentwicklung des Lebens bzw. der lebenden Organismen sind auf das Engste auch mit dem Einfluß ultravioletter Strahlung verbunden /170/, /276/. Sowohl die Ausbildung der primären Sauerstoffatmosphäre wie auch die erste abiogene Synthese biologisch aktiver Bausteine sind auf die photobiologischen Wirkungen ultravioletter Strahlung zurückzuführen /141/, /170/.Ein Beispiel für mögliche photochemische Reaktionen in der Ur-Atmosphäre zeigt Bild 6 /170/.

Bild 6 Mögliche photochemische Reaktionen in der Ur-Atmosphäre   Die Herausbildung der ersten Lebenskeime mußte sich aber unter Abschirmung vor weiteren UV-Strahleneinwirkungen vollziehen, da die entstandenen Biopolymere bzw. Biopolymerkomplexe photodissoziativ gespalten worden wären. Somit konnte eine weitere biologische Evolution sich nur in Wassertiefen von 10 m vollziehen, da erst in diesen Tiefen ein ausreichender UV- Strahlungsschutz gegeben war. An diese ökologische Nische war das Leben bis vor 700 × 106 Jahren gebunden. Erst zu diesem Zeitpunkt war die Ozonschicht hinreichend ausgebildet. Die Sauerstoffatmosphäre hatte einen Gehalt von 0,01 P.A.L. (Present atmospheric level). Ein umfassender Schutz und somit ein Übergang des Lebens von maritimen zu terrestrischen Räumen konnte allerdings erst ab 0,1 P.A.L. erfolgen. Diese O2-Konzentration stellte sich vor 420 × 106 Jahren (sog. Festlandpegel) ein /170/. Nur Wellenlängen 290 nm konnten noch die Biosphäre erreichen. Durch die Herausbildung von Reparaturmechanismen besaßen die Organismen einen weitestgehenden Schutz vor etwaigen schädlichen Folgen der längerwelligen UV-Strahlung. Damit wurde eine Änderung im Wirkungsspektrum der ultravioletten Strahlung erreicht. Unter Zurückdrängung ihrer ausschließlichen Rolle als Energiequelle in den frühesten erdgeschichtlichen Epochen nahm ihre Bedeutung als notwendiger Umweltfaktor der Biosphäre im Laufe der evolutionären Entwicklung mehr und mehr zu. Dabei waren zwei evolutionäre Ereignisse von besonderer Bedeutung 1. die Herausbildung eines photosynthetischen Apparates und 2. der Übergang von autotrophen zu heterotrophen Organismen. Die Ausbildung phototropher Organismen mit photosynthetischem Apparat ermöglichte die Synthese organischer Stoffe aus anorganischen Materialien. Dabei wurde die Strahlung im Bereich von 300 nm bis 900 nm absorbiert. Die Entwicklung der Blau- und Grünalgen mit ihrem Sauerstoff produzierenden Apparat vor 3 × 109 Jahren ist der Beginn der allmählichen Herausbildung einer Sauerstoffatmosphäre. Die Zunahme des Sauerstoffgehaltes von 0,001 P.A.L. bis zur heutigen Konzentration ist ausschließlich photosynthetischen, d. h. pflanzlichen Ursprungs. Die Erhöhung der Sauerstoffkonzentration ermöglichte den endgültigen Übergang von einer reduzierenden zu einer oxydierenden Atmosphäre. In Bild 7 sind diese Ereignisse in einer Zeittafel zusammengefaßt /170/.

Bild 7 Erdgeschichtliche Entwicklung im Präkambrium   Die Entwicklung eines Organismus oder einer Population erfolgt nicht unabhängig von seiner Umwelt. Im natürlichen Ökosystem stehen die Lebewesen mit ihrer Umgebung wie auch untereinander in ständigem energetischen, stofflichen und informatorischen Austausch. Die Wechselwirkungen geophysikalische Umwelt - Organismus vollziehen sich bei Anwesenheit abiotischer Faktoren wie optische Strahlung, Wärme, Schall, Elektrizität usw. . Die Lebewesen befinden sich also in ständiger Auseinandersetzung mit den auf sie einwirkenden Reizen, derer sie sich bedienen und/oder gegen die sie Schutzmechanismen entwickeln. Die optische Strahlung, insbesondere ihr ultravioletter Anteil, zählt zu den wichtigsten Umweltfaktoren, da sie als Energie- wie auch als Informationsquelle eine wesentliche Voraussetzung für die Existenz und Weiterentwicklung der Lebewesen darstellt. Intrazelluläre Schutzmechanismen in Form von Reparatursystemen und spezifischen Molekülen sorgen dafür, daß unter natürlichen Bedingungen Überdosierungen nicht wirksam und somit schädliche Effekte weitestgehend vermieden werden. Durch die Ozonschicht der Stratosphäre wird ein Eindringen schädlicher kurzwelliger UV-Strahlen generell vermieden, da das photostationäre Gleichgewicht (Bildung von Ozon aus Sauerstoff) zu einer vollständigen Absorption der Solarstrahlung unterhalb Wellenlängen 290 nm führt. Schon frühzeitig wurde erkannt, daß das veränderte Spektralangebot der optischen Strahlung mit der industriellen Abgasproduktion in Verbindung steht. Durch die Forschungen der letzten Jahrzehnte weiß man, daß die spektralen Änderungen im UV-Anteil der Globalstrahlung durch atmosphärische Schadstoffe und ihre photochemischen Reaktionsprodukte verursacht werden. Troposphäre wie Stratosphäre sind davon gleichermaßen betroffen. Nach Lang /170/ ist dies in Bild 8 übersichtlich dargestellt.

Bild 8 Darstellung der Zusammenhänge zwischen UV-Licht, primären und sekundären atmosphärischen Schadstoffen und deren biologische Wirkung nach Lang /170/   Sehr anschaulich zeigt Bild 9 die elektromagnetische Strahlung in der Biosphäre /250/.

Bild 9 Elektromagnetische Strahlung in der Biosphäre nach Schulze /250/   Dieses Bild zeigt den derzeitigen Istzustand, der sich in Jahrmillionen herausgebildet hat. Wir sehen das Strahlungsspektrum unter Angabe der beiden Fenster im optischen und Hochfrequenzbereich, sowie die ungefähren Bestrahlungsstärken. Außerhalb der Fenster findet eine fast vollständige Abschwächung der Strahlung statt. Man kann dies als ein physikalisch-chemisches und biologisches Ereignis der Entwicklungsgeschichte der Erde bezeichnen. Es wird zwischen passiver und aktiver Absorption der Strahlung unterschieden. Wenn das bestrahlte Objekt nur als Filter wirkt, keine Stoffänderungen und nur Temperaturänderungen entstehen, spricht man von passiver Absorption. Kommt es durch die Bestrahlung zu photochemischen und/oder photobiologischen Veränderungen, so findet eine aktive Absorption statt, d. h. die Strahlung wirkt aktinisch. Sehr häufig sind am Bestrahlungsobjekt passive und aktive Absorption gleichzeitig wirksam. Für die photochemischen Reaktionsabläufe gilt das von Grothus und Draper formulierte erste Grundgesetz der Photochemie, das besagt, daß nur die vom Reaktionsgemisch absorbierte Strahlung photochemisch wirksam ist. Außerdem gilt das zweite Grundgesetz. Dieses besagt: die photochemische Wirkung ist der eingestrahlten Energiemenge proportional (Bunsen-Roscoesches-Gesetz). Der Zusammenhang wird durch das Stark-Einsteinsche Gesetz bestimmt. Es beinhaltet, daß eine quantitative Beziehung zwischen der absorbierten Strahlung und der umgesetzten Stoffmenge vorhanden ist. Man spricht deshalb vom Stark-Einsteinschen-Äquivalentgesetz. Im einzelnen bedeutet das: - Die primäre photochemische Reaktion ist streng monomolekular. - Durch ein Energiequant wird ein Molekül umgesetzt. - Die Primärreaktion ist nahezu temperaturunabhängig. Die nachfolgenden Dunkelreaktionen können von der Temperatur beeinflußt werden. - Zwischen primär umgesetzter Stoffmenge und der absorbierten Strahlungsmenge besteht Proportionalität. Der für die Erhaltung des menschlichen Lebens benötigte Strahlungsbereich liegt zwischen 0,3 m < < 10 m. Wesentliche photobiologische Stoffwechselvorgänge finden zwischen 300 nm < < 800 nm statt /170/. Ganz allgemein gilt, daß hohe Dosisbelastungen zu Schädigungen führen /352/, /527/. Bei ausreichender Dosis der energiereichen Strahlung (UV-Strahlung) können irreversible Änderungen (Schädigungen) eintreten /514/. UV-Strahlung ist in der Lage, in Abhängigkeit von der Wellenlänge in Mikroorganismen und Lebewesen einzudringen und dort in Abhängigkeit von der Dosis die Stoffwechselvorgänge zu beeinflussen. Dies ist schon viele Jahrzehnte bekannt und intensiv untersucht worden /19/, /30/, /61/, /141/, /735/, /748/. Das Spektrum der Beeinflussung geht von der Stimulierung der Stoffwechselvorgänge bis hin zur Abtötung lebender Mikroorganismen und Zellen höherer Lebewesen. Bild 10 zeigt Wirkungsspektren für verschiedene photobiologische Reaktionen.

s()biol relative spektrale Empfindlichkeit des betrachteten biologischen Vorganges, normiert auf den jeweiligen Maximalwert s()biol.max =1 (Wirkungsspektrum) 1 Vitamin-D-Bildung, 2 Bakterientötung, 3 Wachstumshemmung, 4 Einweißkoagulation, 5 Hämolyse, 6 Erythem Bild 10 Wirkungsspektrum für verschiedene biologische Reaktionen   Für längerwellige Strahlung (> 800 nm) hat der menschliche Organismus keine direkten photobiologischen Empfänger entwickelt. Die Photonenenergie ist zu klein. Es kommt nur zu einer Erwärmung, die aber bei hohen Bestrahlungsstärken und Dosen auch eine Stoffumwandlung bewirken kann /738/.

vorherige Seite > Inhalt > nächste Seite

© copyright 2000 / Dr.-Ing. Joachim Fisch im Auftrag der Maschinenbau- und Metall-Berufsgenossenschaft. Übertragen in HTML durch Roland Degner und Daniel Hoffmann