Биологическая люминесценция

биолюминесценция«Холодный свет»

Люминесценцию называют холодным светом, подчеркивая этим ее отличие от основного вида свечения, распространенного в природе — высоко­температурного.

Известно, что по мере нагревания многих тел они начинают светиться. Температура красного кале­ния, говорим мы, имея в виду цвет железа, нагре­того выше 600° С. Чтобы получить видимый свет, обычно требуется нагревание до температуры порядка тысячи градусов. А между тем видимый свет люминесценции излучают совсем холодные тела.

Великолепно многообразие холодного света в природе — это северные сияния и «горящее» ноч­ное море, свечение камней и гниющих пней и, на­конец, мерцание светляков. Сотни лет люди доиски­вались причины этих удивительных явлений природы, пытались обнаружить источник холодного свечения.

Так, были выделены вещества, получившие название люминофоров — что значит «носители света». Семейство люминофоров пополнялось год от года: сначала следовали открытия разных их видов, суще­ствующих в природе, а затем удалось получить эти вещества и синтетическим путем.

Так как причины, вызывающие свечение различ­ных люминофоров, различны, то в соответствии с этими причинами или, как говорят специалисты, в зависимости от вида возбуждения, различают не­сколько классов веществ — «носителей света».

Многим, наверное, встречались украшения, заго­рающиеся под лучом солнца или электрической лампы. Это «горят» фотолюминофоры, возбуждае­мые световыми волнами различной длины.

На телевизионных экранах и экранах осциллогра­фов под действием потока электронов светятся катодолюминофоры. Кроме фото- и катодолюминесценции, существует «холодное» свечение, возбуждае­мое тепловой, механической, электрической и, на­конец, химической энергией.

К последнему виду — хемилюминесценции — от­носится всем знакомое свечение светляка и вообще свечение всего живого — биолюминесценция. Как и другие биохимические процессы, биолюминесценция стала в наши дни предметом живейшего исследо­вания.

Изучаются не только состав и особенности ве­ществ, ответственных за люминесценцию живых ор­ганизмов, не только сам механизм свечения, но и причины возникновения люминесценции в ходе эво­люции определенных видов. Появляются заманчивые идеи использовать в технике принцип сигнализации светляков — остроумный и безотказный.

Не так давно появилось сообщение, что грузинские инженеры, заимствуя «опыт» светляков, суме­ли усовершенствовать управление целой энергетиче­ской системой. Светляки, находящиеся неподалеку друг от друга, мигают с абсолютно одинаковой ча­стотой. Переведенное на язык кибернетики, это яв­ление называется самосинхронизацией. Вот такая самосинхронизация и была использована инженера­ми в методе быстрого подключения гидрогенерато­ров к линиям электропередач. Как светляки син­хронно посылают импульсы света, так и подключен­ные по «схеме светляков» генераторы начинают ра­ботать в едином режиме…

Таким образом, природа «холодного света», принципы и механизм этого явления не только по­стоянно ставят перед исследователями новые вопро­сы, но и наталкивают на поиски совершенно неожи­данных решений в сугубо «посторонних» областях.

Вот почему читателям нашего журнала, по-види­мому, будет интересно узнать подробнее о наибо­лее распространенном в природе типе свечения — биологической люминесценции.

С давних пор человека пора­жало свечение светляков и других живых организмов. Возникало множество вопросов. Есть ли какая-нибудь польза для организма в способности из­лучать свет? На самом ли деле это свече­ние «холодное», как принято счи­тать издавна? И наконец, как протекает сам процесс свечения?

Несмотря на усиленное изуче­ние этих проблем, очень долго не удавалось добиться каких-ни­будь заметных результатов. И только тогда, когда ученые научи­лись измерять яркость свечения и сумели выделить и определить природу веществ, вызывающих свечение в живых организмах, были достигнуты первые успехи.

Полученные сведения помогли ус­тановить, как в ходе эволюции возникла биологическая люминес­ценция.

Самое удивительное, пожалуй, то, что люминесценция, свойст­венная огромному множеству живых организмов — бактериям, ра­диоляриям, грибам, губкам, рако­образным, моллюскам, улиткам, устрицам, многоножкам, рыбам и насекомым, — неизвестна для зем­новодных, птиц и млекопитающих. Не люминесцирует ни одно из высших растений. Никакие орга­низмы, обитающие в пресной во­де, не имеют светящихся форм, хотя некоторые из них по виду очень близки к люминесцирующим организмам моря.

В симфонии «живого света» чаще всего встречается голубой цвет. Зеленые и желтые светляки и зелено-красный железнодорож­ный червь — изящные ноты в го­лубой теме светящихся бактерий и более крупных морских организмов.

Светящийся моллюск

Среди светящихся моллюсков пожалуй, наибольшей известно­стью пользуется Pholas dactylus. (В античные времена он заслужил к тому же славу деликатеса).

В 1887 году француз Р. Дюбо впервые попытался исследовать на этом моллюске вещества, вы­зывающие биологическую люми­несценцию. Дюбо заметил, что холодная вода, в которой раньше находились моллюски, продолжа­ет излучать свет еще в течение нескольких минут. Когда свечение прекращается, его можно восстановить вновь, добавив вытяжку, полученную обработкой моллю­сков в горячей воде.

Дюбо пришел к выгоду, что во второй вытяжке присутствует какое-то вещество, необходимое для возникновения люминесцен­ции, и что оно не разрушается при нагревании. Он назвал это вещество люциферином (по име­ни Люцифера — носителя огня). Веществу, содержащемуся в хо­лодной вытяжке, Дюбо приписал каталитические свойства и назвал его люциферазой, указав суффи­ксом «аз» на принадлежность его к семейству ферментов.

Вслед за Дюбо американский ученый Э. Гарвей убедительно доказал, что излучение света живы­ми организмами — ферментатив­ный процесс. Он выяснил, однако, что взаимодействие люциферин- люцифераза у различных организмов неодинаково.

Для своих работ Гарвей был в изобилии обеспечен исследова­тельским материалом. Он обнару­жил в Японии маленьких светя­щихся устриц Cypridina, из кото­рых удалось добыть много кило­граммов люциферина и люциферазы.

Во время второй мировой вой­ны японские солдаты использова­ли устриц Cypridina как источник слабого света, когда во время боев нельзя было пользоваться яркими огнями. Немного порошка из высушенных устриц смачивали в ладони водой — и света было достаточно для чтения карты или приказа.

В природе существует несколь­ко видов Cypridina, некоторые из них обитают в морской, а часть — в пресной воде. Но люминесцируют только морские формы. Светящаяся Cypridina живет на дне моря у берегов и охотится за пищей по ночам. Само тело Cypridina не люминесцирует, уст­рица лишь выделяет в воду люциферин и люциферазу, и при их взаимодействии возникает го­лубое свечение.

Несколько лет назад японские биохимики определили молеку­лярную структуру люциферина и люциферазы, выделенных из этих устриц. Она оказалась очень по­хожей на структуру тех же ве­ществ, полученных из светящихся морских червей, о которых пой­дет речь ниже.

Морские светящиеся черви

Среди морских кольчатых чер­вей, имеющих в длину от одного до нескольких сантиметров, изве­стно очень много люминесцент­ных форм.

Можно предположить, что именно их имел в виду Колумб, когда описывал встреченные им во время первого путешествия в Новый свет огоньки в океане, похожие на зажженные свечи.

У кольчатых червей Odontoryllis enopla, обитающих около Бермудских островов, наблюдате­ли подметили интересную особен­ность: свечение у них прямо связано с периодичностью раз­множения и фазами луны. Через два-три дня после полнолуния на поверхности моря появляются самки. Они описывают малень­кие круги, излучая свет. Наиболь­шая яркость и скорость движе­ния у червей отмечается между 55 и 56 минутами после захода солнца. Свет привлекает самцов, обитающих обычно на большой глубине. Они подплывают к сам­кам и на расстоянии в несколько сантиметров от них начинают из­лучать свет короткими вспышка­ми. Обычно около одной самки собирается несколько самцов, и вся группа кружится в светящем­ся кольце…

По окончании брачного перио­да самцы все еще продолжают реагировать на свет. Например, они собираются вокруг опущен­ного в воду электрического фо­наря.

Исследователям удалось выде­лить из этой разновидности мор­ских червей люциферин и люци­феразу. При смешивании этих ве­ществ возникало яркое свечение, но изучить реакцию подробно пока не удалось — препаратов было получено слишком мало.

Простейшие организмы моря

«Горящее море» — так говорят о свечении воды, возникающем иногда за кораблем в тропиче­ских широтах. Поэтичным назва­нием море обязано простейшим светящимся организмам, растре­воженным корпусом проходящего корабля.

В некоторых районах мира есть целые люминесцирующие бухты, которые привлекают мно­жество туристов. Самые живопис­ные из них — залив на северном берегу Ямайки и бухта на южном берегу Пуэрто-Рико. Свечение воды в этих заливах вызвано од­ноклеточными организмами Pyrodinium bohamense. Перед глазами туристов развертываются здесь поистине фантастические картины: огненные следы оставляют в воде проплывающие стаи рыб, цвет го­рящего моря меняется за ночь по нескольку раз…

Простейшие светящиеся орга­низмы не видны невооруженным глазом, их существование вообще оставалось тайной вплоть до 1830 года. В наши дни Pyrodinium bohamense выращивают в лабора­ториях, и особенности их биолю­минесценции изучены детально.

Днем а местах обитания Pyrodinium bohamense в море образу­ются «красные течения», а иногда цвет воды становится желтым или коричневым. Но ночью свечение преимущественно голубое.

Иногда морские воды окраши­ваются в красный цвет жгутико­выми вида Noctiluса. Вдоль тихо­океанского побережья США встречается еще один сильно люминесцирующий вид — Conyaulax polyheelro. Культуру Conyaulax вырастили в лабораторных усло­виях и установили, что на рассве­те она перестает светиться, свече­ние появляется вновь только в сумерках.

Если для этой культуры нару­шить нормальный цикл день — ночь, то можно наблюдать инте­ресное явление. При нормальном цикле самое яркое свечение при­ходится примерно на час ночи, а самое слабое наступает через двенадцать часов. Та же законо­мерность сохраняется, если куль­туру освещать постоянно. Но за­мечательные биологические часы разрушаются, если создать искус­ственный цикл: например, восемь часов содержать бактерии в аб­солютной темноте, а восемь — на ярком свету. Культура «привы­кает» к новому ритму и начинает люминесцировать только во вре­мя восьмичасовой «ночи» Если культуру некоторое время выдер­живать при таком искусственном шестнадцатичасовом цикле, а за­тем перевести на постоянное ос­вещение слабым светом, то ритм люминесценции станет таким же, как при естественном двадцатиче­тырехчасовом цикле. Механизм этого явления до сих пор не раскрыт.

Интересно, что в вытяжках из Conyaulax, полученных в ночное время, обнаружено гораздо боль­ше люциферина и люциферазы, чем в дневных вытяжках. Отсюда следует вывод, что люминесцен­ция отражает ритмичность биохимических процессов.

Вряд ли, конечно, можно на­звать люминесценцию «часовым механизмом» бактерии, по-види­мому, она сама находится под контролем каких-то главных «ча­сов», регулирующих все физиоло­гические процессы.

Люминесценция грибов и бактерий

Может быть, вам случалось ночью в лесу споткнуться о гни­ющую колоду и на свежем раз­ломе ее обнаружить яркое свече­ние! Люминесценцию этого вида обычно вызывают грибы или бак­терии.

Наиболее известен светящийся гриб Panis Stiptcus, американская форма которого люминесцирует, а европейская нет.

До изобретения холодильни­ков довольно часто появлялись сообщения о каком-то «таинст­венном» светящемся мясе. Сей­час хорошо известно, что тайны тут никакой нет, просто сущест­вуют в природе бактерии, размножающиеся на несвежем мясе и мертвой рыбе. Эти бактерии ярко люминесиируют.

Еще в 1668 г. Р. Бойль показал, что для люминесценции таких бактерий необходим воздух. Позднее подобные бактерии бы­ли открыты в морской воде и стали излюбленным объектом для изучения биолюминесценции. Лучшей питательной средой для бак­терий, обитающих в морской во­де, оказалась мертвая рыба и морские рачки, не обмытые прес­ной водой. Если такую рыбу или рачков подержать ночь при тем­пературе 15—20° С, то к утру они покрываются колониями светя­щихся бактерий. Затем бактерии можно перенести на агар и вы­растить чистую культуру, излуча­ющую сильный синий или сине- зеленый свет.

Техника таких экспериментов была разработана еще Дюбо. Он писал: «В 1900 году в Париже я смог осветить ярчайшим, похо­жим на лунный, светом огромную комнату. Для этого я использовал большой стеклянный сосуд объе­мом в 25 литров, заполненный… светящимися бактериями. Любой человек, входящий в мою комна­ту в вечернее время, хорошо ви­дел всех присутствующих и мог свободно читать».

Многие светящиеся бактерии существуют только в симбиозе с другими организмами, чаще все­го с рыбами.

Обычно у рыбы-хозяина есть сложный светоносный орган, в ко­тором обитают светящиеся бакте­рии. Бактерии излучают свет не­прерывно, но у рыбы может быть особый затвор, которым она вре­мя от времени то открывает, то закрывает свой светильник.

Примером подобного удиви­тельного симбиоза служит хоро­шо известная в Индонезии ры­ба — Photoblepharon. У нее под глазами расположено большое белое овальное пятно, обильно пронизанное кровеносными сосу­дами. В этих сосудах обитают люминесцирующие бактерии. Пятно может закрываться складкой ко­жи — некоторым подобием века.

Физиология и биохимия люми­несценции бактерий изучена очень подробно. Правда, точный меха­низм самого этого явления по-прежнему известен плохо, но за­то мы хорошо осведомлены о ве­ществах, участвующих в процессе люминесценции.

Совершенно ясно, что реак­ция, вызывающая свечение, тесно связана с окислительными про­цессами в клетке. Свечение мо­жет протекать только в присут­ствии рибофлавина, какого-нибудь альдегида, кислорода и фермента.

Люминесцентные бактерии — излюбленные объекты для изуче­ния действия различных наркоти­ков и других веществ, тормозя­щих дыхание клетки. Эффект дей­ствия этих веществ легко наблю­дать, измеряя интенсивность лю­минесценции бактерий.

Получая различные нелюминесцирующие или слабо люминесцирующие мутантные штаммы светящихся бактерий, можно ис­следовать способность различных веществ восстанавливать люми­несценцию.

Слабый свет, излучаемый му­тантными бактериями, можно уси­лить добавлением альдегида с длинной цепью — например тако­го, как додеканаль. Скорость про­никновения альдегида через стен­ку клетки можно определить просто, измерив скорость возраста­ния интенсивности света люминес­ценции.

Жуки-светляки

Больше всего светящихся орга­низмов встречается среди насеко­мых — это ногохвостки, цикады-фонарницы, жуки-щелкуны и, ра­зумеется, жуки-светляки и их ли­чинки.

В Новой Зеландии есть знаме­нитые пещеры, стены которых покрыты тысячами светящихся личинок светляков. От каждой ли­чинки тянется люминесцирующая нить, с помощью которой насеко­мое ловит пищу. Если в такой пе­щере громко заговорить, то све­чение немедленно пропадает. Но через некоторое время оно возоб­новляется — сначала отдельные участки, а потом и все стены на­чинают сверкать. Светляки, извест­ные во всем мире, — самый распространенный пример биолюминесцирующих организмов.

Сейчас полностью принята ги­потеза о том, что свет светляков служит для приманивания особей другого пола.

В сумерках самцы и самки по­рознь вылетают из травы. Самцы летят в 5—б метрах над землей, излучая через небольшие интер­валы короткие вспышки света. Самки ждут их на какой-нибудь возвышенности. Когда самцы подлетают на близкое расстояние, самки, подождав «приличное» время, отвечают им короткой вспышкой. Тогда самец поворачи­вает в сторону самки и, все вре­мя излучая свет, настигает ее. Быстрота узнавания зависит от интервалов между вспышками, а они в свою очередь связаны с температурой воздуха. Например, при температуре 25 ° С интервал составляет две секунды.

У светляков известны и другие системы сигналов. Например, на­блюдались синхронные вспышки нескольких самцов около одной самки. Эта система редко встре­чается у северных видов светля­ков, но распространена у тропических видов.

В Бирме и Таиланде в листве деревьев обитает особый вид светляков. Все насекомые, нахо­дящиеся на одном дереве, вспы­хивают и гаснут одновременно. Вспышки, происходящие на двух деревьях, имеют один и тот же интервал, но сдвинуты по фазе. Предполагают, что на одном дере­ве располагаются самцы, а на другом — самки, но точно это пока не установлено.

Химия люминесценции светляков впервые была изучена в 1916 году Гарвеем, установившим, что свечение и в этом случае возникает в результате взаимодейст­вия: люциферин — люцифераза.

Представителем немногих жи­вых существ, наделенных люми­несценцией двух цветов, служит жук Phixothrik. Его личинка укра­шена по бокам одиннадцатью люминесцирующими зелеными пят­нами, а на голове у нее расположены два ярких красных пятна. Ночью светятся только красные пятна, и личинка напоминает заж­женную сигару. Если ее растрево­жить, то загораются боковые огни, и личинка становится похо­жей на освещенный железнодо­рожный вагон. Отсюда и ее наз­вание — железнодорожный червь.

Люминесценция и эволюция

У различных многоклеточных организмов функции люминесцен­ции весьма разнообразны. Она служит приманивающим сигналом у насекомых, помогает замани­вать добычу глубоководным ры­бам, служит своеобразной защи­той у многих морских животных.

Широкое распространение люминесцирующих организмов в природе, существование совер­шенно различных функций свече­ния наводят на мысль, что, воз­можно, когда-то люминесцирующий механизм являлся преимуществом при естественном от­боре.

Несмотря на то, что в составе люциферина, полученного из раз­ных организмов, есть существен­ные отличия, можно с уверенно­стью сказать, что во всех случаях процесс свечения прямо или кос­венно связан с освобождением энергии в клетке и во всех этих процессах оказывается необходи­мым кислород.

Было высказано предположе­ние, что возникновение люминес­ценции связано с ранней эволю­цией жизни на земле. А, если можно так выразиться, «практиче­ское» ее применение пришло го­раздо позже.

Вероятно, сначала биолюми­несценция сопутствовала химиче­ским реакциям, связанным с уда­лением кислорода из живых ор­ганизмов. Широко принята гипо­теза о том, что ранние формы жизни на земле развивались без кислорода, т. е. первые живые организмы на Земле были анаэ­робами. Кислород был очень ток­сичен для анаэробов, и они стремились как можно скорее от него избавиться. Самый эффективный способ избавиться от кислорода — восстановить его до воды. В фор­мах жизни, которые тогда сущест­вовали, наиболее подходящими восстанавливающими агентами были, по-видимому, те органиче­ские соединения, которые участво­вали в системе, транспортирую­щей водород в примитивных анаэ­робах.

В процессе соединения этих веществ с кислородом выделя­лась достаточная порция энергии, чтобы возбудить свечение органи­ческого вещества. Таким обра­зом, те организмы, которым уда­валось избавиться от кислорода, потенциально могли люминесцировать.

В течение последующей эво­люции анаэробные организмы бы­ли вытеснены темн, которые мог­ли использовать кислород в об­менных процессах, и реакции уда­ления кислорода перестали опре­делять естественный отбор. На поскольку свечение было связано с важнейшим процессом окисле­ния, оно не могло совсем исчез­нуть. В большинстве изученных случаев люминесценция произво­дится не основными ферментны­ми системами организма. Можно, например, вырастить люминесцирующие бактерии в таких усло­виях, что с появлением люминес­ценции одновременно уменьшается размер бактерий. И, с другой стороны, возможно вырастить му­тантные штаммы люминесцирующей культуры бактерий, которые разовьются полностью, но не бу­дут люминесцировать.

Подтверждение этой гипотезе мы видим и в том факте, что все реакции, вызывающие свечение, могут протекать при чрезвычайно низких концентрациях кислорода. Бактерии начинают светиться с яркостью, поддающейся измере­нию, при концентрации кислорода в 1 : 100000000.

Таким образом мы считаем, что люминесценция — это руди­ментарный процесс, сохранивший­ся для некоторых видов как вто­ричное приспособление в процес­се естественного отбора.

В. Макэлрой, Г. Сэлиджер

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Можно использовать следующие HTML-теги и атрибуты: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <strike> <strong>