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文 | 薛铮铮aa

编辑 | 薛铮铮aa

太阳紫外线（UV）辐射，是一种影响地球生态系统和人类人口的 遗传毒性环境因子 ，主要的后果为平流层臭氧层损耗，增加紫外线发病率水平。有害后果会严重影响到生物圈和人类，科研人员正在努力了解，阳光在DNA损伤的诱导、突变和细胞死亡。

事实上，各种紫外线波长引起了特有的生物影响，这在很大程度上依赖于生物体中生物分子，特别是DNA的光吸收，因此，研究人员证明了开发生物传感器以监测各种环境条件下，太阳紫外线辐射的有害影响越来越大。

研究人员使用了几种，于测量太阳光中紫外线成分和生物效应的 生物传感器 ，同时介绍并比较了基于DNA、细菌甚至哺乳动物细胞的传感器的适用性。

数据还显示，在使用基于dna的传感器时，该分子会暴露在水缓冲液或干溶液中，而所产生的各种类型的损伤是不同的。

除了由此产生的数据外，新型生物传感器的开发，还有助于评估太阳光对环境的生物开放获取效应，它们也成为使用活体动物寻找保护性防晒产品的替代工具。

太阳光中的紫外线成分

紫外线（UV）辐射是太阳电磁波谱的一部分，波长比可见光短，比x射线长。它是许多全球生物和环境现象的一个重要因素，UV射线主要有三种亚型：UVA（315-400nm）、UVB（280-315nm）和UVC（100-280nm）。

UVA约地球表面的总紫外线能量的95%，而剩下的5%都是UVB，由于波长越短，被大气的吸收越大，紫外线就被平流层气体，主要原因则是氧气和臭氧完全吸收，无法到达对流层。

此外，由于UVB被臭氧分子非常有效地筛选出来，只有其中的一小部分真正到达了表面，研究人员们鉴于最近增加全球臭氧水平的措施，面对全球减少消耗臭氧层物质的努力，证明《关于消耗臭氧层物质的蒙特利尔议定书》确实有效。

除了消耗臭氧层的气体政策外，研究人员还在不断努力监测每年地表 紫外线辐射 的发生率，在过去的两年里，人们全天都在测量太阳中波紫外线和UVA辐射的发生率。

在图中所示的全年图表，在冬季中紫外线以及UVB每日剂量减少的更明显，主要是由于太阳角效应在这个纬度，UVB更吸收大气空气质量，而UVA几乎是自由通过的。这恰恰说明了，UVA的日流量除了显著大于UVB外，在当天的早些时候也更稳定和可检测到。

此外，臭氧浓度虽然很重要，但并不是影响紫外线辐射发生率的唯一因素，太阳的天顶角随时间、日和纬度而变化，对该研究也有着很大的贡献。

尽管大气中的臭氧水平正在恢复，但仍不确定地球的气候变化，是否会推迟或加速臭氧的恢复，随着地表紫外线辐射水平持续上升，涉及生态系统和人类健康风险的问题，就更需要加倍关注。

另一个值得考虑的因素，则是地球的椭圆轨道，它使得北半球在夏季离太阳的距离比南半球更远。而一些其他因素，比如与人为活动相关的活动，也能够影响紫外线发病率。

具体行为如下：空气污染/颗粒物排放、云（可以减少或增加紫外线辐照度）、气候效应、反照率（从地球反射的太阳能的比例）和海拔高度。

紫外线对生物圈和人类健康的影响

紫外线辐照度的不断增加，进而导致的 生物学后果 是众多的。在陆地生态系统中，这些因素会影响植物、病原体，以及食草动物、土壤微生物和其他基本过程，但由于每种类型的生物体对紫外线损伤的反应方式不同，平衡的最终变化，也可能会导致碳和氮循环的显著改变。

此外，除了臭氧浓度依赖性外，紫外线辐照度也会受到气候变化因素的影响，因此研究人员需要预计各种复杂的相互作用，从而对陆地生态系统产生不同的干预。

实验结果表明，紫外线辐射有一些 有害影响 ，但它对人类健康的影响有更好的方面，紫外线除了能产生维生素D外，UVB辐射本身就和皮肤癌、光老化、免疫抑制和白内障有关。

人类身体内重要的成分之一，就来自维生素d，研究表明，每天少量的紫外线剂量足以防止维生素D的缺乏。然而，还有一些证据表明，现代社会的生活方式，可能是导致室内工人体中黑色素瘤水平上升的原因。

据研究人员推测， 窗户和防晒霜 可以有效阻断UVB，促进UVA的渗透，但这也会导致皮肤中维生素D水平的降低，而在机制上，紫外线辐照度是许多有害影响的原因，如诱导DNA损伤，这些有害影响和那些有益处是不可分割的。

从观察者的角度来看，生态系统和人类暴露于UVA的环境总是比UVB辐照度更多，考虑到这一点，了解不同地点的紫外线模式，对于确定世界各地当地紫外线辐射所产生的潜在风险也至关重要，因此，开发生物传感器，在紫外线发病率增加的情况下能发挥重要作用。

DNA分子是细胞内紫外光照射的主要靶点

研究发现，由紫外线辐射诱导的细胞效应，与主要涉及DNA损伤诱导的一系列事件直接相关，进而可以得出结论：DNA损伤形成的化学性质和效率，很大程度上取决于入射的紫外光子的波长，以及DNA分子的碱基组成。

可事实上，大于300 nm波长的DNA的 吸收光谱 ，会因为吸收随鸟嘌呤-胞嘧啶含量而增加，因此，DNA分子的光吸收最大值为260 nm，同时，UVC才是诱导DNA光产物的最有效波长。

DNA分子的吸收光谱，会将纯化的质粒DNA样品稀释在TE缓冲液中，随后按指定浓度稀释，便可以用光度计获得该光谱。

而不同波长的紫外光，会诱导不同类型的 DNA损伤 。DNA分子被紫外阳光的直接激发会导致触发相邻嘧啶之间的二聚反应，这些光化学反应产生的主要产物是环丁烷嘧啶二聚体（CPDs）和嘧啶（6-4）嘧啶光产物（6-4PPs）。

此外，在UVA波长（约320 nm）的进一步照射下，6-4个PPs的正常异构体可以转化为杜瓦价异构体，而在细菌产生的某些休眠生命形式中，暴露在紫外线下产生的唯一DNA光产物，则对应于由其中一个碱基的甲基连接的两个胸腺嘧啶。

这种特定病变的形成，可能是由于孢子的特定特征，包括DNA构象（A形式）、脱水，以及核心中二吡啶啉酸的存在，以及小酸溶性蛋白与DNA的结合。

DNA损伤除了可以直接诱导外，紫外线辐射也可以间接引起DNA损伤，它可以通过被DNA本身以外的发色团吸收光子，从而产生活性氧。

而氧化产生的DNA损伤，主要以7,8-二氢和8-氧鸟嘌呤的形式出现，由此可以得出，UVA比UVB更有效，这种情况通常被认为，是UVA突变前中的一种病变。

另一种紫外线诱导的DNA损伤效率相当低，但它是单链断裂。也有研究人员认为，这可能是一种无害的病变，很少参与突变的形成，而紫外线诱导的DNA损伤的主要类型如图中所示。

图中展示了紫外光诱导的主要DNA损伤：CPD-环丁烷嘧啶二聚体；6-4PP-嘧啶；嘧啶光产物；Dewar价异构体；单链断裂；8-oxoG-7、8-二氢-8-氧鸟嘌呤；孢子光产物。

因此，太阳紫外线辐射可以在DNA结构中产生化学修饰，进而导致一些生物学后果。在地球上生命的进化过程中，细胞已经发展出了特定的DNA修复机制，能够处理不同类型的损伤。

而在原核生物和真核生物中，这些生化途径对于通过去除受损的DNA碱基，或含有紫外线光产物的核苷酸短片段，来维持基因组的完整性是不可或缺的。

然而，由于修复不足，未去除的紫外线诱导的DNA损伤，可能会干扰基本的细胞过程，如果进行转录和DNA复制，可能导致突变或细胞死亡。

紫外线用生物传感器

为了解决这个问题，一些研究人员在研究中发现，平流层臭氧层的逐渐下降，和相应的中波紫外线水平的增加，这引起了世界各地许多研究小组的兴趣。

随后通过开发使用生物材料的剂量学系统，人们普遍测试了太阳紫外线辐射的生物效应，一般来说，生物传感器集成了太阳光的入射紫外线波长，从而根据它们各自的生物有效性进行加权，因此，它的光谱响应是相关的光生物学效应。

在过去的几十年里，各种简单的测试系统，已经被开发用于生物紫外线剂量计，这些实验通过直接或间接，测量太阳紫外线辐射的DNA损伤能力，以及对人类健康和生命的各种有害影响的起始事件，反映了生物体辐射的主要目标对紫外线的敏感性。

研究人员考虑到，生物传感器的有效性最重要的标准之一，同时也和各自的光生物以及光化学过程的具有相关性，但是，拟用作生物紫外线剂量计的每种生物材料，需要符合几个标准。

标准如下 ：应清楚表明由紫外线引起的某种生物效应，从而对人类健康或生态系统构成可能的风险或益处；光谱响应（UVB/UVA）应与特定的光生物过程一致；紫外线光的生物效应以可测量单位进行量化；数据应可重复。

下图中所展示的，是DNA诱导的uvc诱导的DNA损伤，在缓冲液或干燥条件下的分析。其中，DNA暴露于UVC辐射后，DNA光致所诱导的典型例子。

两种回收的DNA样本均用T4-endo V和UVDE酶处理200 ng，而FI表示超卷曲的DNA形式，FII表示DNA光产物酶裂解产生的松弛的DNA形式。

孢子剂量测定法

为了证实这个实验的可行性，研究人员开发了一种 孢子剂量计 ，作为定义紫外线照射，对DNA损伤能力的原型生物传感器，全世界的许多国家，已经使用了这种生物系统，并对太阳紫外线照射进行了生物测量。

这种生物剂量计适合于全球范围内的比较和长期监测，它是基于孢子灭活的测量，而当使用枯草芽孢杆菌突变株的高度紫外线敏感孢子时，在核苷酸切除修复，和孢子光产物裂解酶方面都有缺陷。

结论

太阳紫外线辐射下的生物传感器是一种创新的科技工具，通过 感应紫外线 的强度并提供警示，为生态保护和人类健康提供了重要的信息和手段。

它们的应用为我们深入了解紫外线辐射的影响、采取相应的防护措施和促进科学研究提供了强有力的支持， 对于建设可持续和健康的社会具有重要意义。