ultravioleta

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Os efeitos da Exposição à Radiação Ultravioleta Ambiental

Gabriela Dias da Silva

Melina Mayumi Ogawa

Priscila Castro de Souza

Conteúdo

  1. Raios Ultravioleta

A descoberta da radiação ultravioleta foi realizada em 1881. A maior fonte de radiação ultravioleta é o Sol. Ele emite energia em diversos comprimentos de onda do espectro eletromagnético. Contudo, 99% da energia irradiada está contida no intervalo entre 0,3 e 4,0 μm. Por esta razão a radiação solar é classificada como radiações de ondas curtas, composta por diferentes intensidades radiantes.  

 A energia liberada sob a forma de radiações, ou emissão de partículas, se propaga no vácuo sob a forma de ondas eletromagnéticas, com velocidade constante de 300.000 km/s, e freqüência e comprimento de onda variável.

O processo de absorção da radiação solar pela atmosfera se dá através da dissociação, fotoionização, vibração e transição rotacional de moléculas na alta atmosfera. Esta energia absorvida é capaz de alterar a temperatura, composição química e inúmeras outras propriedades da partícula.

De acordo com os postulados da teoria desenvolvida por Einstein, em 1905, a energia eletromagnética é emitida em feixes constituídos de fótons, sendo que cada fóton (quantum) possui uma energia E dada por:

E = h . f

em que h é a constante de Plank, com o valor de (6,63 x 10-34 J.s) e f a freqüência da radiação, que está intimamente relacionada ao comprimento de onda (λ) expressa por:

onde c é velocidade da luz no vácuo.

A radiação ultravioleta (RUV), compreendida na faixa espectral de 100 a 400 nm é definida como não-ionizante, pois sua capacidade de penetração na matéria é menor que a luz visível, atuando no nível atômico e molecular.

A energia solar ao interagir com a atmosfera terrestre sofre processos de atenuação, a partir da absorção seletiva, de difusão e reflexão por alguns constituintes atmosféricos. Dependendo das características físico-químicas destes constituintes, a radiação global que chega à superfície terrestre poderá ser intensamente atenuada. Como exemplo, temos o vapor d’água (H2O), que além de atuar como termorregulador absorvendo a radiação infravermelha, também é responsável pela formação das nuvens e transporte de calor na atmosfera. O dióxido de carbono (CO2), assim como o vapor d’água, atua como um eficiente absorvedor de radiação de ondas longas. Notadamente, o uso generalizado de combustíveis fósseis é responsável pelo incremento nos totais de CO2 na atmosfera e o conseqüente desequilíbrio climático global.

  1. Agentes Atenuantes da Radiação Ultravioleta

Vários fatores podem atenuar a intensidade de radiação ultravioleta que chega à terra, são eles:

Elevação solar: o fluxo de radiação UV varia de acordo com a latitude, estação do ano e hora do dia. Quanto maior a distância do Equador menor será a irradiância espectral da RUV, ou seja, próximo à linha do Equador o fluxo de RUV é direto e mais intenso. No verão a radiação UVB aumenta em torno de 25% próximo ao Equador e no inverno ocorre um decréscimo de 30% em relação à primavera e outono. No verão, entre as 11 e 13 horas, aproximadamente 25% da radiação UV atinge a superfície terrestre, e entre as 9 e 15 horas a irradiância total fica em torno de 75%.

Altitude da superfície: em geral, a cada 1000 m acima do nível do mar, ocorre decréscimo de 1% de conteúdo de ozônio, provocando um aumento em torno de 6 a 8% no fluxo de RUV.

Albedo da superfície: Mesmo em áreas sombreadas a intensidade da RUV pode ser elevada em decorrência da radiação refletida. Superfícies como areia e neve possuem uma capacidade de reflexão da RUV, respectivamente, em cerca de 30% e 80% enquanto que em superfícies urbanas o percentual médio de reflexão da RUV varia entre 3 a 5%.

Cobertura nebulosa: a RUV também poderá ser atenuada pelas nuvens em até 50%; mas o grau de atenuação dependerá da espessura e tipo de nuvem.

Ozônio: o ozônio estratosférico (O3) é a principal fonte absorvedora da RUV, compreendida na faixa espectral 100 a 315 nm, ou seja, radiação UVC e UVB. A concentração de O3 varia em função da latitude e estação do ano, com maiores níveis observados no início da primavera e os menores no outono.

    1. A camada de Ozônio

O ozônio (O3), desempenha um importante papel para os seres vivos, dada as suas características peculiares, pois na troposfera ele é considerado um poluente, em virtude do seu poder oxidante. Na camada estratosférica, em torno de 15 a 30 km de altitude, ele absorve a radiação ultravioleta, compreendida na faixa de 280 a 320 nm, como pode ser visto na figura 1. Esta radiação UV é responsável pela morte de organismos unicelulares, além de danificar o DNA das células e deflagrar diversas patologias.

No processo de espalhamento ocorre a obstrução da radiação solar por partículas presente na atmosfera terrestre. A direção e intensidade do espalhamento dependerá do tamanho das partículas e do comprimento de onda eletromagnética incidente.

Figura 1. Esquema da absorção da radiação ultravioleta

    1. Degradação da camada de Ozônio

Os clorofluorocarbonos (CFC’s) são substâncias químicas sintéticas utilizadas pelo homem moderno na fabricação de aparelhos de refrigeração, ar condicionado, propelentes (desodorantes, tintas, etc.), entre outros. Os CFC’s estão listados entre as substâncias que tem prejudicado à camada de ozônio e atuado na destruição desta ao longo dos anos.

Outros grupos de substâncias sintéticas como os bromofluorocarbonos (BFC’s), utilizados no combate à incêndios e os hidroclorofluorocarbonos (HCFC’s), substitutos do CFC’s, também utilizados na produção de aparelhos de refrigeração e em agentes de expansão, contribuem para a degradação da camada de ozônio. Estas substâncias interagem com o Ozônio regenerando o oxigênio molecular e diminuindo dessa forma a concentração de ozônio.

Com a diminuição da concentração do O3 estratosférico, consequentemente, haverá um aumento substancial da irradiância espectral da RUV, o que pode colocar em risco a manutenção da vida na Terra.

  1. Medidores de Irradiância Solar

Medias de irradiância solar são realizadas por aparelhos específicos que colimam a luz incidida pelo sol e de alguma forma são detectadas e quantizadas. As Figuras 2 e 3, que foram tiradas na estação de meteorologia da Faculdade de Ciência e Tecnologia da Universidade Estadual Paulista “Julio de Mesquita Filho” em presidente prudente, são exemplos de instrumentos de medida de irradiância solar.

O heliógrafo é um instrumento para o registro da duração de sol descoberto (insolação). Ele é composto por uma lente esférica que concentra os raios solares sobre uma tira de papel (cartões), produzindo nesta fita traços de carbonização sempre que o sol está descoberto. Estes cartões são mudados e analisados diariamente, em horas e décimos. O suporte esférico dos cartões é provido de três pares de fendas para colocação de três tipos de cartões (Equinociais, Inverno e Verão) a utilizar durante o ano de acordo com a declinação do sol. A figura 2 é uma foto do heliógrafo.

Figura 2. Foto do Heliógrafo.

O pironógrafo registra continuamente as variações da intensidade da radiação solar global, em cal.cm².mm¹. A figura 4 é uma foto do piranógrafo.

Figura 3. Foto do instrumento Piranógrafo

Em uma escala de 0 a 16, a média do índice UV em Presidente Prudente, tanto em condições de céu claro quanto com a presença de nuvens, ficou acima de 8 durante nove meses do ano. No inverno, a média foi 4,6, sendo, no verão, 9,8, com picos de 14,9.

4. As formas de Exposição Solar

O aumento da intensidade da Radiação Ultra Violeta (R-UV) que atinge a Terra, tende alterar o complexo sistema ecológico em vigor, provocando um desequilíbrio na biosfera, onde a flora e a fauna, aquática e marinha, de alguma forma, sofrerão influências diretas ou indiretas. Alguns efeitos já conhecidos, que podemos citar são: Efeitos aos Materiais, as Plantas, aos Ecossistemas Marinhos e principalmente a Saúde Humana (este tem sido um dos efeitos mais estudados entre os cientistas).

    1. Efeito sobre os materiais

Materiais de interesse comercial como os biopolímeros de ocorrência natural, polímeros sintéticos, assim como outros materiais são adversamente afetados pela R-UV solar. Desta forma, qualquer aumento nos níveis de R-UVB irá, portanto acelerar sua degradação limitando o seu tempo de vida útil ao ar livre. Neste sentido, vários materiais recebem aditivos especiais para terem alguma proteção contra a R-UVB.

    1. Efeito sobre os vegetais

Processos fisiológicos e de desenvolvimento das plantas são afetados pela Radiação ultravioleta B (R-UVB), mesmo nas quantidades presentes habitualmente. Independente dos mecanismos para reduzir ou reparar esses efeitos, a limitada capacidade de adaptação das plantas ao aumento nos níveis de R-UVB e o crescimento das plantas podem ser diretamente afetados. Em geral plantas de crescimento rápido, são mais sensíveis a radiação e tendem a ter menores concentrações de clorofila.

Um dos indicadores confiáveis da sensibilidade das plantas aos efeitos negativos e acumulativos da radiação UV-B sobre as funções fisiológicas é a redução da biomassa. O enrolamento das margens pode ser considerado como um mecanismo fotoprotetor das folhas para minimizar o efeito da radiação UV-B, uma vez que a área foliar exposta é menor. Consequentemente, o déficit hídrico também é afetado ao se reduzir a área foliar e o estresse térmico, aumentando-se a densidade estomática, ou seja, a folha diminui a área exposta, mas aumenta a espessura da lâmina, devido ao incremento dos tecidos fotossintéticos e dos espaços intercelulares, garantindo assim o volume da folha. O maior valor médio da espessura das folhas expostas ao UV-B parece ser um importante elemento para diminuir a penetração da radiação no interior da folha.

Estas modificações indiretas causadas pela R-UVB, tais como modificações na forma das plantas, relacionado ao fato dos nutrientes estarem distribuídos dentro das plantas, o tempo de desenvolvimento e metabolismo secundário, pode ser igualmente, ou muitas vezes mais, importantes que o efeito danoso da R-UVB. Logo estas modificações podem ter implicações importantes para a competitividade da planta, resistência a doenças e a pragas, etc.

    1. Efeitos no ecossistema marinho

São inúmeros os efeitos que o aumento dos níveis da R-UVB pode ocasionar ao ecossistema marinho, entretanto um dos efeitos mais severos é a diminuição da capacidade de reprodução e impedimento de desenvolvimento durante a fase de larva e/ou estado inicial dos aos peixes, camarões e caranguejo, anfíbios e outros animais. Estudos também revelam que a exposição dos fitoplanctons, que constituem a base da cadeia alimentar nos oceanos, altera os seus mecanismos de orientação e mobilidade, resultando numa diminuição da taxa de sobrevivência destes organismos. Portanto, os níveis de R-UVB já constituem um fator limitante, e mesmo um pequeno aumento nesses níveis poderia resultar em uma redução significativa no tamanho da população dos animais que comem estas pequenas criaturas.

    1. Efeitos na saúde humana

Nosso organismo percebe a presença das radiações do espectro solar de diferentes formas. A radiação infravermelha (IV) é percebida sob a forma de calor, a radiação visível (Vis) através das diferentes cores detectadas pelo sistema óptico e a radiação ultravioleta (UV) através de reações fotoquímicas. Tais reações podem estimular a produção de melanina cuja manifestação é visível sob a forma de bronzeamento da pele, ou pode levar desde a produção de simples inflamações até graves queimaduras. Também, há a possibilidade de ocorrerem mutações genéticas e comportamentos anormais das células, cuja freqüência tem aumentado nos últimos anos. A Figura 4 mostra uma representação das radiações do espectro solar.

Figura. 4. Radiações predominantes que compõem o espectro solar.

A energia da radiação solar aumenta com a redução do comprimento de onda, assim a radiação UV é a de menor comprimento de onda e, conseqüentemente, a mais energética, ou seja, a mais propensa a induzir reações fotoquímicas.

Na prática, é comum separarmos a radiação UV em três partes: UVC (100-280 nm), UVB (280-320 nm) e UVA (320-400 nm).

Radiação UVC (faixa de comprimento de onda entre 100 e 280 nm): A radiação UVC é portadora de elevadas energias, ou seja, é altamente penetrante, característica que a torna extremamente lesiva aos seres vivos. É absorvida em sua maioria pela camada de ozônio de tal forma que a quantidade dessa radiação que atinge a população é muito pequena.

Radiação UVB (faixa de comprimento de onda entre 280 e 320 nm):A camada de ozônio absorve boa parte da radiação UVB que chega a terra. Mesmo em pequenas quantidades pode ser substancialmente danosa à saúde.

Em condições de exposição limitada, induz o bronzeamento da pele, sendo responsável pela transformação do ergosterol epidérmico em vitamina D. A exposição freqüente e intensa à radiação UVB pode causar lesões no DNA, além de suprimir a resposta imunológica da pele. Desta forma, além de aumentar o risco de mutações fatais, manifestado sob a forma de câncer de pele, sua atividade reduz a chance de uma célula maligna ser reconhecida e destruída pelo organismo. Esta radiação é prejudicial a quase todas as formas de vida, produz reações agudas desde o eritema solar (vermelhidão) até à queimadura solar, pigmentação da pele e imunossupressão do sistema imunológico (diminuição da resistência e portanto da defesa contra infecções locais e sistêmicas. O indivíduo fica mais sensível a infecções por agentes bacterianos virais e outros). As lesões crônicas têm aspectos clínicos muito variados, traduzidos pelo fotoenvelhecimento e, principalmente, pela ocorrência de cancros cutâneos. Este tipo de doença, além de função de diferentes sensibilidades de pele, é decorrência de um processo acumulativo de exposição ao sol, durante toda a vida de uma pessoa. A exposição excessiva ao UVB aumenta a probabilidade da incidência deste tipo de doença. A radiação UVA é 800 a 1000 vezes menos ativa que a UVB na pele.

Radiação UVA (faixa de comprimento de onda entre 320 e 400 nm: As radiações UVA, de maior comprimento de onda, são menos energéticas e 600-1000 vezes menos eritematógenos que os UVB. Dependendo da pele e da intensidade da radiação recebida, o eritema causado é mínimo. Quando comparada à radiação UVB, sua capacidade em induzir eritema na pele humana é aproximadamente mil vezes menor, porém penetra mais profundamente na derme. Induz pigmentação da pele promovendo o bronzeamento por meio do escurecimento da melanina pela fotooxidação da leucomelanina, localizada nas células das camadas externas da epiderme. É mais abundante que a radiação UVB na superfície terrestre (UVA 95%, UVB 5%). Histologicamente causa danos ao sistema vascular periférico e induz o câncer de pele, dependendo do tipo de pele e do tempo, freqüência e intensidade de exposição.

      1. A carcinogenêse da radiação ultravioleta

As bases científicas que comprovam a carcinogênese da RUV surgiram a partir da descoberta de formação do fotodímero ciclobutano, após a irradiação da base timina por radiação eletromagnética compreendida no comprimento de onda de 254 nm. Essas alterações irreversíveis na estrutura do DNA causada pela exposição à RUV são consideradas uma assinatura, haja vista que esse padrão de mutação genética não é produzido por nenhum outro agente.

A indução a mutação dos genes promotores de tumor e dos genes supressores de tumor, ocorre a partir da absorção de energia de um fóton da RUV pelo DNA, desencadeando alterações celulares malignas.

O dano no DNA por RUV ocorre a partir de dois mecanismos: o primeiro é a excitação direta das moléculas promovida pela exposição à radiação UVB; e o segundo é a geração de espécies reativas por oxigênio, na região UVA do espectro eletromagnético. Ensaios de irradiação de células com doses de RUV realizados em laboratórios identificaram a mutação no gene p-53, gene supressor de tumor, que está localizado no braço curto do cromossomo 17 e codifica a fosfoproteína 53 kD.

O gene p53 é o regulador da progressão do ciclo celular, do reparo do DNA danificado e a condução de apoptose (morte celular programada). Quando ocorre dano na estrutura do DNA em virtude de uma superexposição à RUV, o gene p-53 por meio da apoptose, controla a morte programada das células danificadas para que o organismo mantenha o equilíbrio. Contudo, quando o próprio gene p-53 é danificado pela RUV, as alterações desencadeadas no seu código genético fazem com que este perca a capacidade de controlar o ciclo celular induzindo ao crescimento desordenado das células e consequentemente à carcinogênese.

A radiação e a relação com a estrutura do DNA

DNA é a abreviatura de Desoxyribonucleic Acid, também designado por ADN (Ácido Desoxirribonucleico). É responsável pela transmissão das características hereditárias de cada espécie de todos os seres vivos. O DNA é uma macromolécula orgânica em forma de dupla-hélice que instrui o desenvolvimento e funcionamento de todos os organismos vivos. Seus segmentos são responsáveis por carregar a informação genética são denominados genes. A restante sequência de DNA tem importância estrutural ou está envolvida na regulação do uso da informação genética. A Figura 5 mostra a representação da molécula de DNA.

Figura 5: Representação esquemática da molécula de DNA.

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