Механолюминесценции
В теории любая форма энергии может быть преобразована в свет. В конечном счете, свет всегда связан с ускорением заряженных частиц, но к этому результату могут привести различные процессы. В случае теплового излучения ускорение зарядов напрямую связано с их температурой. В хемилюминесценции (например, собственном свечении атмосферы, полярном сиянии и биолюминесценции) ускорение является результатом конкретных химических реакций. Но как насчет механических сил? Можете ли вы согнуть что-то и заставить это светиться?
Оказывается, можете. Некоторые материалы излучают свет, когда вы их деформируете. Это известно как «пьезолюминесценция». Я не эксперт по этому вопросу, но, по-видимому, она относительно необычна и не очень важна в биологии. Более распространенными и потенциально биологически уместной является триболюминесценция, которая представляет собой световое излучение, вызванное разламыванием чего-либо. Этот эффект демонстрирует раскалываемый сахар и хрустящие конфеты, но со времён моего детства есть один классический пример триболюминесценции – конфеты Wint-O-Green LifeSaver (Вклейка 2).
Если вы погасите свет и начнёте крошить одну их таких конфет перед зеркалом, вы увидите яркие вспышки синего света. Линда Свитинг потратила часть своей карьеры, изучая этот эффект, и следующее объяснение основано на её замечательной и доступной статье «Свет в твоей конфете» (Sweeting, 1990).
Когда вы грызёте конфеты любого типа, вы разрываете кристаллы сахара, в которых может разделиться заряд. Другими словами, больше электронов оказывается на одной стороне разлома, чем на другой. Если дисбаланс заряда достаточно велик, электроны будут проноситься через разлом на высокой скорости. Когда они это делают, они сталкиваются с воздухом и возбуждают молекулы азота, которые затем испускают свет. Другими словами, во рту вы создали миниатюрную молнию. Звучит безумно, но Свитинг измерила спектр света, испускаемого дробленым сахаром, и обнаружила, что он соответствует молнии (кто бы мог предполагать?).
Проблема состоит в том, что спектр излучения азота в основном находится в ультрафиолете. Часть излучения находится в видимом диапазоне, но оно довольно тусклое. Для животных с ультрафиолетовым зрением размалывание сахара выглядело бы как молнии для нас. Однако с нашим ограниченным зрением свет, излучаемый обычной конфетой, не слишком увлекателен. Можно колоть сахар с чертовской настойчивостью, и никого не впечатлить. Я говорю это из личного опыта.
Конфеты Wint-O-Greens светят намного ярче, поскольку они флуоресцирующие. Мы больше обсудим флуоресценцию в главе 7, но на данный момент просто остановимся на том, что флуоресцентные материалы поглощают свет одной длины волны, и излучают свет другой, как правило, более длиной волны. Масло грушанки (wintergreen) особенно хорошо поглощает ультрафиолетовое излучение и излучает видимый свет. Испускаемый свет имеет широкий спектр, но для наших глаз кажется голубым. Так что полный рот флуоресцентных молний находится всего в нескольких минутах ходьбы от магазина.
Триболюминесценция проявляется и в других местах. Прикрепите длинную полосу клейкой ленты к столу, а затем оторвите её в темноте. Вы увидите вспышки света прямо там, где лента расстаётся с поверхностью стола (Camara et al., 2008).
Кристаллы кварца также излучают свет при разрушении или ударе друг от друга. В Интернете существует живучая история о том, что индейцы из центрального Колорадо делали церемониальные погремушки полупрозрачной сыромятной кожи и наполнили их кристаллами кварца. Когда погремушки тряслись, они излучали тусклый свет, который можно было увидеть в темноте. В Интернете есть фотографии погремушек, а кварц действительно триболюминесцентный, так что это возможно. Я не нашел научных подтверждений этой истории, но купил кристаллы кварца в магазине при местном музее и устроил им встряску в моей затемнённой ванной. Свет, который производил кварц, был ярче, чем я ожидал. Ещё предстоит удостоверится, является ли это триболюминесценцией.
Так есть ли какие-либо биологические последствия триболюминесценции? Может быть. Глубоководные сообщества гидротермальных источников являются одними из самых странных экосистем на Земле. Их обитатели должны иметь дело не только с большим подводным давлением, но также и температурами, колеблющимися от 4° C до 350° C иногда на расстоянии всего одного метра. Добавьте токсичные химические вещества, выбрасываемые вулканическими отверстиями, и вы можете понять, почему большая часть глубоководных гидротермальных источников имеют название вроде «Змеиная яма» и «Нора в ад».
На этих глубинах свет солнца уже давно поглощён толщей воды. Без сомнения, там ещё блуждают пара фотонов, но этого недостаточно. Биолюминесценция в сообществах гидротермальных источников не очень активно изучалась, и, по-видимому, относительно редка. Как и всё вокруг, источники излучают, но видимое излучение черного тела при 350° C (= 623° К) довольно низкое и преимущественно красное. Поэтому исследователи с удивлением обнаружили, что у обычного обитателя гидротермальных источников Атлантики, креветок Rimicaris exoculata, есть глаза. Глаза необычны и сначала их не заметили, что объясняет название вида. Вместо обычного глаза-камеры или глаза составного типа, каждый глаз имеет большую плоскую поверхность без какой-либо оптики для визуализации, и поверхность, по-видимому, предназначена для одной цели – обнаружение тусклого света (Van Dover et al., 1989).
Несмотря на неблагоприятные условия, гидротермальные источники являются богатым источником пищи для бактерий, которые, в свою очередь, являются основой процветающей экосистемы. Каждое сообщество представляет собой бактериальный оазис, окруженный бесплодной низкокалорийной равниной. Поэтому очевидная гипотеза заключалась в том, что Rimicaris exoculata использует глаза для нахождения сообществ термальных источников, ориентируясь на его тепловые выбросы. Однако последующие исследования показали, что зрительный пигмент, извлеченный из глаз животных, наиболее чувствителен к синему и зелёному свету, что делает его плохо подходящим для обнаружения теоретического (предсказанного на основе температуры) излучения источника. Это привело к измерению спектров излучения самих гидротермальных источников (что нелегко сделать), и результаты показали, что они испускают существенно более заметный свет, чем можно было ожидать от модели абсолютно чёрного тела – в девятнадцать раз больше в красной части спектра (Van Dover et al., 1989). За этими измерениями последовали другие (White et al., 2002), обнаружившие, что разница между измеренным светом и предсказанным по модели чёрного тела была ещё больше для более коротких длин волн. Например, для длины волны 500 нм было в 10 000 раз больше света, чем можно было бы объяснить температурой гидротермального источника.
Источник этого дополнительного света до сих пор неизвестен, но триболюминесценция в списке наиболее вероятных претендентов. Если вы когда-либо наливали кипящую воду в обычный стакан, вы знаете, что внезапные изменения температуры могут привести к трещине стекла. Гидротермальные источники не постоянно извергают лаву, а имеют большие перепады температуры, которые ослабляют и разрушают камни. Кроме того, кристаллизуется охлаждающая магма, что может привести к сродному процессу излучения света, называемому «кристаллолюминесценция». Хемилюминесценция и биолюминесценция также являются вероятными. Кроме того, неизвестно, обращает ли вообще Rimicaris exoculata внимание на излучение источников. Тем не менее, я лично считаю, что было бы замечательно, если бы глубоководные животные находили вулканы по свету от их крошащихся камней.