Біолюмінесценція-випромінювання світла живими організмами-що це таке і як воно працює

0
61

Біолюмінесценція-це явище, при якому живі організми виробляють світло в результаті хімічної реакції. Це форма хемілюмінесценції, при якій два або більше хімічних речовини вступають в реакцію з утворенням збудженого (високоенергетичного) проміжного продукту, який потім розпадається, вивільняючи частину енергії у вигляді фотонів світла. Виділяється при цьому електромагнітне випромінювання може бути видимим, ультрафіолетовим або інфрачервоним. Звичайно, ми більше знайомі з біолюмінесценцією, яку можна спостерігати, наприклад, при світінні світлячка, але багато інших біологічні види — і навіть люди — випромінюють світло в тій чи іншій формі. Отже, як це відбувається?

Реклама

біолюмінесценція під час червоного припливу. Інститут океанографії скріппса каліфорнійського університету в сан-дієго.

Що викликає біолюмінесценцію?

Тут ми повинні зупинитися і згадати другий закон термодинаміки. Цей закон говорить, що ентропія в закритих системах завжди зростає. Це відбувається тому, що жоден термодинамічний процес не є на 100% ефективним — завжди є певна кількість енергії, яка не може бути перетворена в роботу. Ця» марна » енергія виділяється в навколишнє середовище у вигляді тепла, збільшуючи молекулярний безлад (ентропію) системи.

Однак процес перетворення хімічної енергії в світло, що відбувається при біолюмінесценції, настільки ефективний, що в навколишнє середовище виділяється дуже мало тепла. З цієї причини вона і називається «біолюмінесценцією» — оскільки люмінесценція-це випромінювання світла певними речовинами, коли вони відносно холодні. Так що це можна вважати»холодним світлом».

А як живі істоти виробляють це світло? це залежить від виду.

Для хімічної реакції, яка зазвичай призводить до біолюмінесценції, необхідні дві хімічні речовини: люциферин і або люцифераза, або фотопротеїн. Люциферин-це з’єднання, яке виробляє світло, а його колір залежить від особливостей розташування молекул люциферину.

Деякі біолюмінесцентні організми можуть синтезувати люциферин самостійно, інші отримують його завдяки іншим організмам, або споживаючи їх в їжу, або перебуваючи в симбіотичної зв’язку з організмом, що виробляє люциферин. Кальмари, наприклад, мають симбіоз з біолюмінесцентними бактеріями, які живуть в світлових органах кальмара. Фермент люциферази взаємодіє з окисленим люциферином, утворюючи супутній продукт, званий оксилюциферином, і саме ця хімічна реакція створює світло.

Хоча в більшості біолюмінесцентних реакцій беруть участь люциферин і люцифераза, в деяких випадках бере участь хімічна речовина, зване фотопротеїном. Для отримання світла фотопротеїн з’єднується з люциферином і киснем, а також ще з однією речовиною — іоном кальцію.

aequorea victoria-кристалічна медуза в акваріумі монтерей-бей, монтерей, каліфорнія. Джерело: adam fagen / flickr

Так наприклад кристалічна медуза (aequorea victoria) мешкає на західному узбережжі північної америки, використовує фотопротеїн під назвою екворін, який активується іонами кальцію. Кальцій є каталізатором, причому настільки швидким, що створює дуже короткі спалахи світла.

З іншого боку, світлячки — можливо, найвідоміші біолюмінесцентні живі організми — для отримання світла з’єднують кисень з кальцієм, аденозинтрифосфатом (атф) і люциферином в присутності люциферази. Ця реакція відбувається в спеціальних органах, розташованих в їх черевній порожнині.

Також існують бактерії, що випромінюють світло. Найчастіше вони зустрічаються в морському середовищі. Одноклітинні істоти, звані дінофлагеллятами, є одноклітинним планктоном, який відповідає за створення іскристого або сяючого ефекту на поверхні океану.

Практичне використання біолюмінесценції

Реклама

Але навіщо живі істоти випромінюють світло? ви, напевно, чули, що світлячки використовують своє світло для залучення партнерів, але це не єдині біолюмінесцентні види, які роблять це. Деякі черв’яки і крихітні ракоподібні теж залучають таким чином своїх родичів. Самці остракод, наприклад, викидають біолюмінесцентну слиз, щоб справити враження на самок.

Черепашковий рачок остракода (arthropoda, ostracoda)

Інші тварини використовують біолюмінесценцію для полювання за здобиччю, захисту від хижаків та інших життєво необхідних процесів. Сонячне світло проникає океан на глибину приблизно 200 метрів. Цей перший шар, на який потрапляє сонячне світло, називається фотозоною, і саме тут мешкає близько 90% морських мешканців.

Коли ми занурюємося глибше і глибше, океан стає темнішим і темнішим. Незабаром ми побачимо морських мешканців, які продемонстрували неймовірну адаптацію до постійної, майже повної темряви. Однією з форм такої адаптації є здатність випромінювати світло, щоб приманити свою здобич. Інші тварини використовують біолюмінесценцію, щоб збити з пантелику ворогів. Наприклад, багато видів кальмарів відлякують хижаків спалахами світла. Кальмар використовує миттєве замішання нападника для швидкого втечі.

Контрлюминесцентный камуфляж кальмара-світлячка

Деякі види морських тварин, наприклад кальмар-світлячок, використовують світіння люмінесценції бактерій для створення ефекту контр-освітлення. Це свого роду метод активного камуфляжу, при якому тварини використовують світло, імітуючи яскравість і довжину хвиль фону, щоб створити ефект невидимості, коли вони зливаються з навколишнім середовищем.

Тим самим вони залишаються непоміченими або здаються більше або менше, ніж вони є насправді, збиваючи з пантелику хижаків або розставляючи пастки для своєї здобичі. Найчастіше це відбувається не на дуже великих глибинах, де ще зберігається тьмяне світло.

Риба-вудильник — ще одна тварина, що використовує метод контріллюмінаціі. Її органи, що виробляють світло, спрямовані вниз. Регулюючи кількість світла, що виходить з нижньої частини тіла, вона може підібрати інтенсивність світла, залишаючись практично невидимою для будь-яких хижаків, що знаходяться на його шляху.

Біолюмінесценція у людини

Згідно з недавнім дослідженням, з’ясувалося, що насправді більшість тварин випромінюють світло — в тому числі і люди. Просто ми його не бачимо, тому що він в 1000 разів слабкіше, ніж той, який можна виявити неозброєним оком.

У дослідженні, проведеному технологічним інститутом тохоку в 2009 році, вчені попросили п’ятьох добровольців зайти в світлонепроникну кімнату і спостерігали за ними за допомогою надчутливої камери, здатної вловлювати окремі фотони. В результаті вони виявили, що добровольці протягом дня випромінювали світло.

Пік світлового випромінювання припадав на 16:00, а ближче до ночі воно зменшувалося, з чого вчені зробили висновок, що це явище пов’язане з внутрішнім годинником людського організму. Щоб перевірити це, вони порушували режим сну добровольців, в результаті чого цикл світіння також змінювався.

Більша частина фотонів випромінювалася в області обличчя, як показано на представлених нижче зображеннях:

зображення надслабкого випромінювання фотонів від людського тіла. Інтенсивність випромінювання змінюється протягом доби. Джерело: plosone

Вчені точно не знають, чому це відбувається, але зв’язок з добовими ритмами організму змушує їх припустити, що це має відношення до метаболізму організму.

Цілком імовірно, що біолюмінесценція є побічним ефектом метаболічних реакцій, оскільки високореактивні вільні радикали, що утворюються в процесі клітинного дихання, взаємодіють з вільно плаваючими ліпідами і білками. Утворені» збуджені » молекули можуть реагувати з хімічними речовинами, званими флуорофорами, випускаючи фотони. Вночі ці метаболічні реакції відбуваються рідше і менш інтенсивні, тому і світла випромінюється менше.

Дослідник хітосі окамура, біолог з кіотського університету, каже, що якщо це так, то спостереження за світловими випромінюваннями людського тіла може допомогти у визначенні медичних захворювань. Чи стануть надчутливі камери в майбутньому діагностичним інструментом? тільки час покаже.

ОСТАВЬТЕ ОТВЕТ

Please enter your comment!
Please enter your name here