Биолюминесценция - излучение света живыми организмами - что это такое и как оно работает

Биолюминесценция - это явление, при котором живые организмы производят свет в результате химической реакции. Это форма хемилюминесценции, при которой два или более химических вещества вступают в реакцию с образованием возбужденного (высокоэнергетического) промежуточного продукта, который затем распадается, высвобождая часть энергии в виде фотонов света. Выделяемое при этом электромагнитное излучение может быть видимым, ультрафиолетовым или инфракрасным. Конечно, мы больше знакомы с биолюминесценцией, которую можно наблюдать, например,  при свечении светлячка, но многие другие биологические виды - и даже люди - излучают свет в той или иной форме. Итак, как это происходит?

Биолюминесценция во время красного прилива. Институт океанографии Скриппса Калифорнийского университета в Сан-Диего. 

Что вызывает биолюминесценцию?

Здесь мы должны остановиться и вспомнить второй закон термодинамики. Этот закон гласит, что энтропия в закрытых системах всегда возрастает. Это происходит потому, что ни один термодинамический процесс не является на 100% эффективным - всегда есть определенное количество энергии, которое не может быть преобразовано в работу. Эта "бесполезная" энергия выделяется в окружающую среду в виде тепла, увеличивая молекулярный беспорядок (энтропию) системы.

Однако процесс преобразования химической энергии в свет, происходящий при биолюминесценции, настолько эффективен, что в окружающую среду выделяется очень мало тепла. По этой причине она и называется "биолюминесценцией" - поскольку люминесценция -это излучение света определенными веществами, когда они относительно холодные. Так что это можно считать "холодным светом".

А как живые существа производят этот свет? Это зависит от вида.

Для химической реакции, которая обычно приводит к биолюминесценции, необходимы два химических вещества: люциферин и либо люцифераза, либо фотопротеин. Люциферин - это соединение, которое производит свет, а его цвет зависит от особенностей расположения молекул люциферина.

Некоторые биолюминесцентные организмы могут синтезировать люциферин самостоятельно, другие получают его благодаря другим организмам, либо потребляя их в пищу, либо находясь в симбиотической связи с организмом, производящим люциферин. Кальмары, например, имеют симбиоз с биолюминесцентными бактериями, которые живут в световых органах кальмара. Фермент люцифераза взаимодействует с окисленным люциферином, образуя сопутствующий продукт, называемый оксилюциферином, и именно эта химическая реакция создает свет.

Хотя в большинстве биолюминесцентных реакций участвуют люциферин и люцифераза, в некоторых случаях участвует химическое вещество, называемое фотопротеином. Для получения света фотопротеин соединяется с люциферином и кислородом, а также ещё с одним веществом -  ионом кальция.

Aequorea Victoria - кристаллическая медуза в аквариуме Монтерей-Бей, Монтерей, Калифорния. Источник: Adam Fagen/Flickr   

 

Так например кристаллическая медуза (Aequorea victoria) обитающая на западном побережье Северной Америки, использует фотопротеин под названием экворин, который активируется ионами кальция. Кальций является катализатором, причем настолько быстрым, что создаёт очень короткие вспышки света.

С другой стороны, светлячки - возможно, самые известные биолюминесцентные живые организмы - для получения света соединяют кислород с кальцием, аденозинтрифосфатом (АТФ) и люциферином в присутствии люциферазы. Эта реакция происходит в специальных органах, расположенных в их брюшной полости.

Также существуют бактерии, излучающие свет. Чаще всего они встречаются в морской среде. Одноклеточные существа, называемые динофлагеллятами, являются одноклеточным планктоном, который отвечает за создание искрящегося или сияющего эффекта на поверхности океана.

Практическое использование биолюминесценции

Но зачем живые существа излучают свет? Вероятно, вы слышали, что светлячки используют свой свет для привлечения партнеров, но это не единственные биолюминесцентные виды, которые делают это. Некоторые черви и крошечные ракообразные тоже привлекают таким образом своих сородичей. Самцы остракод, например, извергают биолюминесцентную слизь, чтобы произвести впечатление на самок.

Ракушковый рачок Остракода (Arthropoda, Ostracoda)

    

 

Другие животные используют биолюминесценцию для охоты за добычей, защиты от хищников и других жизненно необходимых процессов. Солнечный свет проникает океан на глубину примерно 200 метров. Этот первый слой, на который попадает солнечный свет, называется фотозоной, и именно здесь обитает около 90% морских обитателей. 

По мере того как мы погружаемся все глубже и глубже, океан становится все темнее и темнее. Вскоре мы увидим морских обитателей, которые продемонстрировали невероятную адаптацию к постоянной, почти полной темноте. Одной из форм такой адаптации является способность излучать свет, чтобы приманить свою добычу.  Другие животные используют биолюминесценцию, чтобы сбить с толку врагов. Например, многие виды кальмаров отпугивают хищников вспышками света. Кальмар использует мгновенное замешательство нападающего для быстрого бегства.

 Контрлюминесцентный камуфляж кальмара-светлячка

Некоторые виды морских животных, например кальмар-светлячок,  используют свечение люминесцирующих бактерий для создания эффекта контр-освещения. Это своего рода метод активного камуфляжа, при котором животные используют свет, имитируя яркость и длину волн фона, чтобы создать эффект невидимости, когда они сливаются с окружающей средой.

Тем самым они остаются незамеченными или кажутся больше или меньше, чем они есть на самом деле, сбивая с толку хищников или расставляя ловушки для своей добычи. Чаще всего это происходит не на очень больших глубинах, где еще сохраняется тусклый свет.

Рыба-удильщик - еще одно животное, использующее метод контриллюминации. Ее органы, вырабатывающие свет, направлены вниз. Регулируя количество света, исходящего из нижней части тела, она может подобрать интенсивность света, оставаясь практически невидимой для любых хищников, находящихся на его пути.

Биолюминесценция у человека

Согласно недавнему исследованию, выяснилось, что на самом деле большинство животных излучают свет - в том числе и люди. Просто мы его не видим, потому что он в 1000 раз слабее, чем тот, который можно обнаружить невооруженным глазом.

В исследовании, проведенном Технологическим институтом Тохоку в 2009 году, ученые попросили пятерых добровольцев зайти в светонепроницаемую комнату и наблюдали за ними с помощью сверхчувствительной камеры, способной улавливать отдельные фотоны. В результате они обнаружили, что добровольцы в течение дня излучали свет.

Пик светового излучения приходился на 16:00, а ближе к ночи оно уменьшалось, из чего ученые сделали вывод, что это явление связано с внутренними часами человеческого организма. Чтобы проверить это, они нарушали режим сна добровольцев, в результате чего цикл свечения также менялся.

Большая часть фотонов излучалась в области лица, как показано на представленных ниже изображениях:

Изображение сверхслабого излучения фотонов от человеческого тела. Интенсивность излучения меняется в течение суток. Источник: PlosOne

 

Ученые точно не знают, почему это происходит, но связь с суточными ритмами организма заставляет их предположить, что это  имеет отношение к метаболизму организма.

Вполне вероятно, что биолюминесценция является побочным эффектом метаболических реакций, поскольку высокореактивные свободные радикалы, образующиеся в процессе клеточного дыхания, взаимодействуют со свободно плавающими липидами и белками. Образовавшиеся "возбужденные" молекулы могут реагировать с химическими веществами, называемыми флуорофорами, испуская фотоны. Ночью эти метаболические реакции происходят реже и менее интенсивны, поэтому и света излучается меньше.

Исследователь Хитоси Окамура, биолог из Киотского университета, говорит, что если это так, то наблюдение за световыми излучениями человеческого тела может помочь в определении медицинских заболеваний. Станут ли сверхчувствительные камеры в будущем диагностическим инструментом? Только время покажет.