Биолюминесценция
Как я уже упоминал в начале главы, биолюминесценция наряду с Солнцем является одним из двух основных источников света на планете. Да, есть полярное сияние, собственное свечение атмосферы, звёздный свет, и даже какие-то молнии время от времени, но для подавляющего большинства организмов почти все фотоны, которые они видят или с которыми взаимодействуют, происходят либо от Солнца, либо от биолюминесцентных организмов.
Причина, по которой мы не обращаем большого внимания на биолюминесценцию, состоит в том, что более 80% светящихся родов животных (и подавляющее большинство светящихся особей) являются морскими. По неизвестным причинам биолюминесценция редко встречается на суше, и ограничена светлячками, светящимися червями и набором случайных членистоногих, грибов и червей. Пресноводная биолюминесценция встречается ещё реже, и мы вернёмся к ней позже. Однако в морской среде, и особенно в водном столбе открытого океана, биолюминесценция распространена абсурдно широко. Заявляется, что по меньшей мере 90% океанической жизни испускает свет. Хотя подобные заявления всегда немного глупы (90% животных, видов, или биомассы? Как кто-либо смог это подсчитать?), любой исследовательский круиз в открытое море быстро убедит вас в том, что биолюминесценция столь же распространена, как и грязь. Посмотрите ночью за борт корабля, и увидите, как светится кильватер. Во время ночного погружения с аквалангом каждое ваше движение подчёркивается голубыми вспышками. Спустите воду в унитазе, и наблюдайте световое шоу (многие исследовательские суда используют забортную воду в качестве технической, поэтому унитазные бачки полны биолюминесцентных организмов). В целом биолюминесценция настолько распространена, что мой друг когда-то опубликовал статью с единственным важным выводом, заключавшимся в том, что некоторые виды из массово биолюминесцентной группы животных, оказывается, не излучают свет (Haddock and Case, 1995).
Биолюминесценция является фермент-опосредованной хемилюминесценцией. Прежде чем мы подробно рассмотрим это, давайте просто остановимся и оценим тот факт, что существуют нетепловые источники излучения света. Как мы упоминали ранее, весь свет создаётся движущимися заряженными частицами. На молекулярном уровне всё всегда движется, поэтому материя всегда излучает. Однако, как мы также обсуждали, спектр этого излучения не имеет значительного компонента в видимой области до тех пор, пока температура излучающего тела не достигнет по крайней мере 650° К. Даже если какое-либо животное сможет выжить при этой температуре, спектр излучения абсолютно чёрного тела настолько широк, что это ужасно неэффективный способ получения видимого света. Например, световая эффективность (воспринимаемая глазом яркость объекта на ватт потребляемой им мощности) лампы накаливания в 60 Вт составляет всего 2% (у лазерной указки, излучающей на длине волны 555 нм - 100%). Световая эффективность нашего обжигающего животного температурой 650° K настолько низка, что её даже не стоит упоминать.
Предположим, мы обнаружили чуждую форму жизни, которая излучает свет, каким-то образом выживая при температуре тела 6600° К. Объект при этой температуре имеет самую высокую световую эффективность, возможную для абсолютно чёрного тела - около 14%. Звучит невпечатляющее, но на самом деле довольно неплохо, эффективность примерно равна высококачественной флуоресцентной лампе. К сожалению, инопланетянин также испускал бы ужасные количества излучения на более длинных и более коротких длинах волн. Вспомните, что за вычетом потерь в атмосфере получаемая от Солнца облучённость зависит только от его температуры и телесного угла. Итак, если инопланетянин был бы размером с монету (диаметром 1 см), находиться на расстоянии 114 см от него было бы похожим на нахождение на улице в солнечный день, но с одним большим исключением. Нет никакого слоя озона между вами и инопланетянином для поглощения коротковолнового ультрафиолетового излучения. Вам было бы тепло и хорошо, а затем вы медленно умерли бы от радиационного повреждения. Если инопланетянин своими размерами был чем-то близким к человеку, он должен оставаться на расстоянии не менее 100 метров, иначе вам не нужно ждать повреждения ультрафиолетовым излучением - можно просто поджариться и так. Греческие мифы, в которых постоянно говорится что приближение к яркому как Солнце богу смертельно для человека, подразумевают что боги являются абсолютно чёрными телами. Результатом всего этого является то, что использование теплового излучения для передачи зрительной информации у животных просто невозможно, даже если делать большие допущения о существовании этой возможности. Есть, конечно, животные, которые могут обнаруживать тепловое излучение объектов при физиологически разумных температурах, но только в инфракрасном диапазоне.
Причина, по которой излучение чёрного тела настолько неэффективно, заключается в том, что это неспецифический процесс. Вы нагреваете что-то, частицы движутся более активно и больше излучают, но вы не можете контролировать, какие длины волн излучения вы получите. Это как встряхивать коробку Лего и надеяться, что вы получите машину. Свет, произведенный животными, должен быть сделан на заказ, и хемилюминесценция обеспечивает эту селективность.
Вместо того, чтобы полагаться на движение всех заряженных частиц, хемилюминесценция происходит в результате изменения движений небольшого и специально выбранного их подмножества. Существует множество способов интерпретировать происходящее, подряд по всей гамме: от классической до квазиклассической физики и квантовой оптики. Множественные интерпретации могут запутать, поэтому вместо путаницы я выбрал неполноту и просто опишу этот феномен одним интуитивным (надеюсь на это) способом. Я хотел бы потратить немного времени на это, потому что тот же процесс будет проходить обратным образом, когда мы дойдём в главе 4 до поглощения.
Представьте себе атом водорода с его единственным протоном и электроном. Считается, что электрон вращается вокруг протона. Можно представить это как один шар, вращающийся вокруг другого. На самом деле ничего подобного нет, а то что есть, возможно, даже нельзя описать, но сейчас нам нужна запоминаемая модель, а не истинное описание вселенной. Если обратиться к химии, можно представить себе эти орбитальные облака странной формы. Как вам будет удобней.
Этот атом имеет определённую внутреннюю энергию, которая зависит от взаимосвязи между электроном и протоном (мы игнорируем кинетическую энергию атома при его движении в пространстве). Предположим, что атом находится в основном состоянии, что означает, что внутренняя энергия настолько мала, насколько может быть. Предположим теперь, что некоторый процесс (природа которого неважна) воздействует на атом, что приводит к увеличению его внутренней энергии. Можете представить себе что электрон перемещается на более высокую орбиту, меняет форму своей орбиты или танцует ирландскую джигу. Это мало что значит, и мы всё равно никогда не узнаем, как всё это выглядит.
Значение имеют две вещи. Во-первых, внутренняя энергия атома может переходить только на определённые уровни. Атом теперь находится в «возбуждённом состоянии», и это один из центральных принципов квантовой механики. Уровни, часто изображаемые как вертикальные стопки параллельных линий, хорошо известны для водорода и нескольких других простых атомов. За пределами простых атомов ситуация быстро усложняется, и аналитические решения редки. Однако уровни энергии остаются дискретными и для сложных молекул, даже если они располагаются так близко друг к другу, что кажутся непрерывными.
Во-вторых, через короткое время энергетический уровень атома/молекулы опустится в основное состояние. Когда это произойдет, будет испускаться фотон (рисунок 3.19). Энергия этого фотона будет равна энергии перехода в основное состояние, которая обычно равна энергии, затраченной на переход в возбуждённое состояние (иногда переход в основное состояние происходит в несколько шагов, что мы рассмотрим в главе 7). Вспомните из главы 2, что энергия фотона равна hν, где h - постоянная Планка, а ν - частота. Таким образом, частота испускаемого фотона равна E/h, где E – количество энергии при переходе в основное состояние. Это означает, что длина волны фотона равна c/ν = сh/E, где c - скорость света в среде, в которой испускается фотон. Другими словами, найдите способ добавить определённое количество энергии в атом/молекулу, и она сможет излучать свет почти любой длины волны.
Биолюминесцентные организмы используют этот процесс для получения видимого света. В их случае переход атомов в возбуждённое состояние обеспечивается химической реакцией. Хотя фактически используемые реагенты варьируются в зависимости от таксономической группы, все они связаны с окислением небольшой и обычно полученной из еды молекулы, известной как «люциферин». Окисление опосредуется ферментом, известным как «люцифераза», и обычно требует энергии, получаемой через аденозинтрифосфат (АТФ). Таксономическое распределение люциферинов на самом деле довольно озадачивает, равно как и эволюция самой биолюминесценции. Прекрасный недавний обзор этих проблем можно найти у Haddock et al. (2010). Сама реакция происходит в одном из трёх мест. У многих рыб и нескольких головоногих свет вырабатывается симбиотическими бактериями, которые живут в специальном мешочке. Бактерии производят свет непрерывно, поэтому животное использует биологические жалюзи для контроля объёма исходящего из тела света. Симбиотическая связь между бактериями и хозяином довольно глубока и подробно изучена Маргарет Макфолл-Нгай (рассмотрен Nyholm и McFall-Ngai, 2004). Во многих других случаях свет вырабатывается самим животным внутри клеток, известных как «фотоциты». Эти клетки часто являются частью прекрасных в своём устройстве органов, содержащих фильтры, зеркала, линзы и другие устройства для управления цветом и направлением света. Наконец, некоторые морские виды инициируют химическую реакцию за пределами собственных тел, буквально извергая в воду необходимые реагенты. Некоторые креветки являются мастерами этого дела, производя сверкающие облака того, что называют «биолюминесцентная рвота».
Несмотря на вездесущность биолюминесценции, её функции плохо понимаются. Прежде всего оттого, что, как правило, она встречается у населяющих открытый океан видов животных, которых трудно собрать и чьё поведение практически невозможно изучить. Было предложено множество функций биолюминесценции.
Однако, за исключением заманивания, контриллюминации и связи (для светлячков), большинство из этих предлагаемых функций всё ещё находятся в стадии гипотезы. Даже гипотеза заманивания в первую очередь основана на том, что светящийся шар, висящий перед зубастым ртом, вряд ли может быть чем-то другим, кроме приманки. Но насколько я знаю, нет прямых доказательств того, что такая приманка действительно работает. Таким образом остаются хорошо изученные половые сигналы у светлячков (исследования гораздо проще на суше), и контриллюминация, которую можно наблюдать непосредственно в лаборатории. Контриллюминация действительно замечательное изобретение, и основана на том факте, что независимо от того, насколько белой является поверхность брюшка, при взгляде снизу животное всё равно будет казаться чёрным силуэтом (Johnsen, 2002). Это объясняется тем, что нисходящий свет в океане на порядок ярче поднимающегося снизу света, в результате чего при взгляде снизу любая освещённая сверху поверхность на порядок темнее окружающего фона. Поскольку поверхность может отражать до 100% света, то если смотреть снизу, она всегда выглядит почти чёрной.
Таким образом, многие животные со стороны брюшной части покрыты фотофорами, имитирующими нисходящий свет и его интенсивность. Для того, чтобы лучше теряться среди нисходящего в воду света, иногда даже имитируется движение проходящих по небу облаков. Некоторые виды кальмаров способны изменять цвет свечения, чтобы лучше подстраиваться под нисходящую освещённость. Это хитрый трюк, поскольку сами головоногие, видимо, не различают цветов. По крайней мере в некоторых случаях они, по-видимому, используют температуру для подстройки цвета, исходя из обычно точного предположения что более теплая вода находится на мелководье, и потому является более зелёной (Herring et al., 1992). Поэтому, если поместить этих животных в теплую воду, их брюшная поверхность светится зелёным цветом. Поместите их в холодную воду, и они светятся синим.
Как вы можете догадаться, до конца книги можно было бы писать о химии, эволюции и функциях биолюминесценции, поэтому я должен с сожалением ограничиться несколькими оптическими аспектами и головоломками. Во-первых, биолюминесценция обычно довольно тусклая, и варьируется от 103 фотонов/с для одной бактерии до 1012 фотонов/с для некоторых видов криля и рыбы (обзор Widder, 2010). Последнее число может показаться довольно большим, но помните, что в него входит свет для всех длин волн, и излучаемый во всех направлениях. В то время как яркие вспышки можно увидеть при умеренном освещении, большинство проявлений биолюминесценции можно увидеть только адаптированным к темноте глазом. Хотя биолюминесценция является гораздо более эффективным способом получения света чем тепловое излучение (по крайней мере для организмов), производство достаточного количества света, легко различимого в условиях дневного освещения, является дорогостоящим. Главная проблема заключается не в расходах на энергию, а в том, что большинство люциферинов животные получают из рациона и могут использовать их только один раз. Мы постоянно видим это в море, когда собираем животных с использованием траловой сети. Как вы могли догадаться, оказаться в траловой сети не лучше, чем оказаться в ковше бульдозера, катящегося по оживленному тротуару. После того как их поймали большинство биолюминесцентных видов вспыхивают как сумасшедшие, и они используют почти все их люциферины к тому времени, когда мы поднимем их на борт. Для более качественного изучения биолюминесценции животных нам придётся найти более нежные способы их захвата.
Во-вторых, несмотря на то, что химические реакции могут обеспечить энергию в широких пределах, спектры биолюминесцентного излучения не так разнообразны. Они, как правило, имеют гауссову форму (т.е. выглядят как кривая колокола) и поэтому могут быть довольно хорошо описаны, если вы знаете максимальную длину волны и ширину кривой (ширина обычно задаётся как диапазон, крайние значения которого составляют не менее половины от пикового значения). Пиковые длины волн также в значительной степени не изменяются, и, как правило, составляют примерно от 450 до 550 нм, причем большинство из них падает на длину волны 480 нм. Другими словами, биолюминесценция, за редким исключением, является синей или зелёной (рис. 3.21).
Есть несколько случаев жёлтой биолюминесценции, и несколько размыто-пурпурной. Красная биолюминесценция крайне редка, единственными случаями являются «железнодорожные черви» (фриксотрикс, личинки жука Phrixothrix sp.), имеющие на головах красные фотофоры; глубоководный сифонофор Erenna sp.; и три вида глубоководных рыб, которые будут обсуждаться в следующей главе. За исключением железнодорожного червя и, возможно, Erenna sp., свет, создаваемый окислением люциферина, не является красным, а переводится на более длинную длину волны через флуоресценцию и/или длинноволновые фильтры.
Можно утверждать, что преобладающая сине-зелёная природа биолюминесценции обусловлена экологией. В конце концов, большинство светящихся видов являются морскими, а океанская вода лучше передаёт синий и зелёный свет. Тот факт, что океаническая биолюминесценция обычно синяя, а прибрежная биолюминесценция обычно является зелёной, усиливает этот аргумент, поскольку океанические и прибрежные воды оптимально передают синий и зелёный соответственно. Однако я подозреваю, что это не вся история. Прежде всего, наземная биолюминесценция тоже обычно является зелёной. Это может быть связано с тем, что первичными зрителями наземной биолюминесценции являются насекомые, которые чувствительны к зелёному свету, но как мне кажется, здесь уже ответ немного подгоняется под вопрос. Кроме того, тот факт, что почти вся красная биолюминесценция начинается на более коротких длинах волн свидетельствует о том, что существует какое-то биохимическое ограничение. В конце концов, флуоресценция и фильтрация, необходимые для преобразования зелёного света в красный, довольно неэффективны. Фильтрация, в частности, удаляет большую часть излучаемого света. И похоже не существует ультрафиолетовой биолюминесценции – хотя, разумеется, зафиксировать её было бы проблемой. Интересно, что также, как белковый компонент наших зрительных пигментов контролирует, свет с какими длинами волн наиболее вероятно будет поглощён (об этом в следующей главе), фермент люцифераза, по-видимому, контролирует, свет каких длин волн испускается при окислении люциферина. Мы знаем, что красная биолюминесценция железнодорожного червя зависит от его люциферазы, но не знаем, отчего люциферазы такого рода настолько редки. Элисон Суини однажды предложила модель оптического ограничения, которая более или менее была такой: (1) синий свет лучше всего передается в океане, поэтому (2) большинство глубоководных животных хорошо видят синий свет, поэтому (3) биолюминесценция эволюционно ограниченна быть синей (тот же аргумент работает для зелёных прибрежных вод). Предсказание этой модели состоит в том, что как только вы опуститесь ниже 1000 метров и солнечный свет исчезнет, это ограничение может ослабнуть, и можно будет увидеть биолюминесценцию в большем количестве цветов и визуальные пигменты большего разнообразия. Действительно, один из немногих примеров красной биолюминесценции в сифонофоре Erenna был обнаружен на глубинах 1600-2300 м (Haddock et al., 2005). Однако в этом случае похоже, что красный свет излучается через преобразование света с более короткой длиной волны с помощью флуоресценции.
Еще один причудливый факт о биолюминесценции заключается в том, что хотя она является вездесущей в океане и довольно распространена на суше (обнаружена у многих насекомых, мириаподов, грибов, брюхоногих моллюсков и даже некоторых дождевых червей), она чрезвычайно редко наблюдается в пресной воде. Единственными биолюминесцентными организмами в пресной воде являются личинки некоторых насекомых и липовидная улитка Latia nerotoides. Эта улитка встречается только в новозеландских ручьях и производит зелёный свет через реакцию люцифераселуциферина, которая использует уникальный люциферин (Ohmiya et al., 2005).
Для объяснения редкости биолюминесценции среди пресноводных приводятся две основные причины, ни одна из которых не кажется мне сильно убедительной. Первая гипотеза состоит в том, что пресная вода обычно не обеспечивает выгодную оптическую среду для биолюминесценции, поскольку она неглубокая и часто мутная. Аргумент глубины не имеет для меня никакого смысла. Даже если закрыть глаза на тот факт, что некоторые озера являются чрезвычайно глубокими, нужно помнить, что смысл глубины – в обеспечении темноты, что легко и постоянно обеспечивается ночью. В конце концов, есть много наземных биолюминесцентных видов. Относительная мутность многих пресных вод имеет больше смысла, поскольку тусклый сигнал не будет далеко распространяться в мутной воде. Тем не менее существует множество озер и ручьёв, которые, по крайней мере, столь же прозрачны как коралловые рифы, и некоторые из них столь же чисты, как и синие океанические воды. Другая большая гипотеза заключается в том, что пресноводные системы недостаточно стабильны для эволюции биолюминесценции. Хотя верно, что многие потоки и озера могут быть довольно эфемерными даже в человеческих временных масштабах, некоторые из них весьма древние, особенно рифтовые озера. Например, возраст озера Байкал составляет более 25 миллионов лет, и, кстати, оно также ясное и довольно глубокое (средняя глубина 750 м). В нём успели развиться 1000 эндемичных видов, включая действительно странных существ, таких как прозрачная голомянка. Кроме того, хотя многие пресноводные системы имеют короткую жизнь, в целом пресная вода является древней и в ней живёт множество видов, встречающихся во многих местах. Также было подсчитано, что биолюминесценция возникала как минимум сорок раз (Haddock et al., 2010), поэтому аргумент «недостаточно времени» не так убедителен. Наконец, это не проверяемая гипотеза.
Я не уверен, что происходит. Трудно разработать основанный на различиях между пресной и морской водой биохимический или осмотический аргумент, учитывая, что биолюминесценция часто является внутриклеточной. Учитывая, что люциферины часто содержаться в диете, возможно они относительно редки в пресноводных местообитаниях, и поэтому требуемый субстрат просто недоступен. Я не знаю, но хотел бы узнать ответ прежде, чем умру.
Два заключительных замечания, прежде чем я завершу этот слишком краткий обзор. Во-первых, несмотря на повсеместное использование, фосфоресценция и флуоресценция не являются синонимами биолюминесценции. Первые два процесса преобразуют существующие фотоны в фотоны, имеющие другую энергию. Они не могут сделать свет de novo. Большинство люциферинов флуоресцируют, и многие биолюминесцентные организмы используют флуоресцентные молекулы для изменения спектра испускаемого света (знаменитый зелёный флуоресцентный белок-GFP - самый известный пример), но в конечном счете биолюминесценция производит свет путём химической реакции.
Во-вторых, биолюминесценция прекрасна. Я не знаю, почему маленькие синие и зелёные огни на тёмном фоне оказывают такое влияние на людей, но они это делают. Ночное плавание в облаке биолюминесцентных динофлагеллятов или оставление за собой светящихся следов на пляже являются трансцендентным опытом. Даже если вы никогда не отправлялись в океанский исследовательский круиз или не смывали солёную воду в туалете, найдите способ добавить в вашу жизнь немного биолюминесценции.