Фосфоресценция и неупругое рассеяние
Два процесса ожидают на краю поля флуоресценции, один общеизвестный и, возможно, биологически неактуальный, другой малоизвестный, но, возможно, важный. Первый – фосфоресценция. Можно запутаться в том, что фосфоресценцией является, а что нет, поэтому я хотел бы сначала изложить это с точки зрения вещей, которые вы видите в повседневной жизни. Светящиеся в темноте наклейки являются фосфоресцирующими, изредка ими являются краски и картины, видимые под лампой чёрного света (но обычно они флуоресцирующие). Химические источники света (светящиеся палочки) не являются как фосфоресцирующими, так, конечно же, не являются биолюминесценцией (и то, и другое – примеры хемилюминесценции). В принципе, если вещество требует первоначального воздействия света, чтобы начать светиться, но будет продолжать светиться некоторое время после выключения света, оно фосфоресцирует. Однако из правила есть исключения. Есть фосфоресцирующие вещества, которые светятся только миллисекунды после отключения возбуждающего света. Хорошим примером являются красные, зелёные и синие фотолюминофоры в старых (теперь) цветных телевизорах. Фотолюминофоры, выстилающие внутренний слой «флуоресцентных» ламп, и преобразующие первоначальное ультрафиолетовое излучение в видимый свет, являются ещё одним примером.
Пока вещество светится в течение по меньшей мере одной миллисекунды после выключения возбуждающего света, его упоминают как фосфоресцирующее. Это может показаться ужасно быстрым, но флуоресцентные вещества, как правило, перестают светиться менее через одну наносекунду после выключения света, поэтому фосфоресценция по меньшей мере в миллион раз продолжительнее. Я действительно не могу представить, как объяснить, почему некоторые вещества являются фосфоресцирующими, а другие просто флуоресцентными, не написав отдельной книги по квантовой механике, так что ограничусь очень общим объяснением. Как мы обсуждали в начале этой главы, при флуоресценции молекула возбуждается фотоном в более высокое энергетическое состояние. Затем она немедленно возвращается в основное состояние чередой многих малых прыжков по энергетическим уровням, и, совершая последний, более крупный прыжок, испускает фотон с большей длиной волны. При фосфоресценции происходит то же самое, но молекула застревает на одном из низких энергетических уровней, прежде чем она сможет выполнить последний прыжок и испустить фотон (рисунок 7.6).
Он застрял, потому что где-то по пути электрон перевернул его спин. «Спин» (вращение), как и большинство квантово-механических терминов, на самом деле означает не то, чем представляется. Электрон не вращается физически, а свойство «спина» может принимать только два значения; вверх или вниз. Если вы учили физику в колледже, вы можете вспомнить нечто, называемое «Принцип исключения Паули», в котором говорится (примерно), что два электрона не могут иметь одинаковую орбиту и спин. Итак, если возбужденный электрон меняет свой спин, он не может опуститься к своей старой орбите, так как там есть еще один электрон с таким спином. В таких случаях говорят, что «переход запрещён», и возбужденный электрон оказывается в ловушке до тех пор, пока спин не вернётся назад, и он сможет упасть в основное состояние и испустить свой фотон. Переворот спина занимает от миллисекунд до минут, поэтому вещество продолжает светиться после исчезновения возбуждающего света. Я только что пробежал по верхам десятилетий работ людей в области сложной физики, но я надеюсь, что это объяснение имело смысл.
Фосфоресценция выглядит полезной для животных, особенно для видов, активных в сумерках или перемещающихся между яркими и тёмными средами, но, насколько мне известно, биологических примеров процесса фосфоресценции очень мало. Возможно кто-то документировал биологическую фосфоресценцию в прошлом, но найти это почти невозможно, поскольку до недавнего времени «фосфоресценция» использовалась взаимозаменяемо с «биолюминесценцией». Фактически, единственное известное мне достоверное доказательство истинной фосфоресценции встречается в каменистых кораллах. С середины 1980-х годов известно, что на рассматриваемых под ультрафиолетовым светом поперечных сечениях скелетов кораллов чередуются жёлтые/зелёные и синие полосы, соответствующие их ежегодным циклам роста. Позднее Wild et al. (2000) показали, что около 10% флуоресценции жёлто-зелёных полос было фактически вызвано фосфоресценцией, имеющей время затухания 1,5 секунды. Неизвестно, чем является фосфоресцирующее вещество, и крайне маловероятно, что излучаемый свет может играть экологическую роль.
Трудно понять, почему фосфоресценция, по-видимому, нечасто встречается у живых существ. Одна из причин заключается в том, что люди просто не искали её. Проблема с фосфоресценцией заключается в том, что вещество нужно осветить ярким светом, а затем быстро погасить свет и искать тусклый сигнал. Человеческие зрительные системы адаптируются к темноте медленно, поэтому сигнал можно легко пропустить. Этот факт также указывает на экологическую причину явной редкости фосфоресценции – животные редко в спешке перемещаются из ярких областей в темные, а когда они это делают, их глаза, скорее всего, остаются не адаптированы к темноте. Наконец, на самом деле это может быть вопросом ограничений. В отличие от флуоресценции, которая встречается во множестве биологических молекул, фосфоресцирующие молекулы, как правило, включают в себя биологически необычные элементы, такие как цинк, стронций, алюминий, селен, кадмий и различные редкоземельные элементы. Хотя организмы действительно содержат эти вещества, они обычно находятся в очень низких концентрациях. Многие также токсичны.
Моя догадка заключается в том, что если фосфоресценция где-то и происходит, она происходит в фотофорах и используется для увеличения продолжительности эмиссии света. Но даже там она, вероятно, будет редкой, поскольку большая часть биолюминесценции происходит быстро, а длительная биолюминесценция обычно имеет бактериальное происхождение (и, следовательно, постоянна). Однако, биологическую фосфоресценцию было бы интересно поискать!
Другим подобным флуоресценции процессом является неупругое рассеяние. Как я упоминал в главе 5, рассеяние света на самом деле не представляет собой фотон, отскакивающий от молекулы. Вместо этого, возможно, было бы лучше сказать, что рассеяние – это поглощение, быстро сменяющееся излучением. Таким образом, флуоресценцию, при которой фотон поглощается и снова излучается, но теперь меньшей энергии и в случайном направлении, можно рассматривать как случай неупругого рассеяния (столкновение, в котором энергия теряется). Однако термин «неупругое рассеяние» зарезервирован для других процессов. Большинство из них связаны с аспектами физики, которые вряд ли встретятся внутри или вблизи живых существ, но один из них – «эффект Рамана» или «комбинационное рассеяние» – может оказаться экологически уместным.
Как и при флуоресценции, при комбинационном рассеянии фотон сначала ударяет по молекуле, а затем с разной энергией покидает сцену. Также как и при флуоресценции, энергия нового фотона может быть выше, чем раньше, но обычно ниже, при этом точный эмиссионный спектр является характеристикой встреченной фотоном молекулы. Здесь сходство заканчивается. Большая разница заключается в том, что не существует фиксированного спектра эмиссии. Как мы обсуждали ранее в этой главе, флуоресцентное вещество имеет определенный эмиссионный спектр, не зависящий от длины волны возбуждающего света. В комбинационном рассеянии длина волны возбуждающего света определяет, где прекратится эмиссионный спектр. Если вы измените возбуждающий свет с лазера 400 нм на лазер 500 нм, эмиссионный спектр сдвинется примерно на 100 нм (сдвиг будет точным, если вы работаете с частотами). Другое различие между флуоресценцией и комбинационным рассеянием состоит в том, что последнее намного слабее. Как правило, менее одного из десяти тысяч фотонов преобразуется в фотон с другой энергией.
Поскольку это такое слабое явление, оно может иметь экологический эффект только при соблюдении нескольких условий. Во-первых, должен быть источник яркого, почти монохроматического света, чтобы создать детектируемое количество комбинационно рассеянных фотонов и легко отделить их от возбуждающего света. Во-вторых, должен быть огромный объем прозрачного материала, чтобы дать фотонам наилучшие шансы стать комбинационно рассеянными. Оба эти условия существуют в верхних 100 метрах открытого океана, и именно здесь комбинационное рассеяние, скорее всего, будет иметь значительный экологический эффект. В реальности, Раман начал думать об этом процессе во время морского рейса между Лондоном и Бомбеем, где больше нечем было заняться, кроме размышлений о глубоком синем цвете моря.
Хотя комбинационное рассеяние в воде известно довольно давно, оно было знакомо только группам физиков и оптических океанографов. Я наткнулся на него, изучая камуфляжную окраску пелагических животных в 2000 году. Мой план состоял в том, чтобы предсказать, какие идеальные камуфляжные цвета подойдут для животных в зависимости от глубины их обитания и других факторов. Для этого мне нужно было знать, сколько света существует в каждом направлении на нескольких длинах волн. Сначала я использовал сложный пакет оптического моделирования. Работа шла хорошо, пока я не заметил две вещи: (1) на глубине было гораздо больше длинноволнового света, чем я ожидал, и (2) этот длинноволновый свет, казалось, был равномерно распределен во всех направлениях. Другими словами, длинноволнового света снизу поднималось столько же, сколько шло сверху (рис. 7.7).
Это беспокоило меня, потому что любой ныряльщик знает, что нисходящий свет намного ярче, чем восходящий свет. Я предположил, что сделал что-то не так, и провёл некоторые реальные измерения освещённости в океане. Эти измерения показали те же две проблемы. Длинноволнового света было больше, чем я ожидал, и снизу шло почти столько же, сколько и сверху. Поэтому я начал консультироваться с различными специалистами в области океанической оптики, и узнал о комбинационном рассеянии.
И вот что я узнал. Во-первых, по мере погружения в океан, длинноволновый (оранжевый и красный) свет быстро поглощается, и даже в самых чистых водах после нескольких метров его остаётся очень мало. Можно ожидать, что если погрузиться ещё глубже, длинноволновый свет по-прежнему поглощался и его невозможно было бы обнаружить любыми средствами. Однако, то мере того как эти «солнечные» длинноволновые фотоны поглощаются, с помощью комбинационного рассеяния создаются новые. Комбинационное рассеяние является слабым процессом, но голубой свет настолько ярче длинноволнового, и присутствует так много воды, что длинноволновых фотонов создаётся гораздо больше, чем доходит сверху. Фактически, вместо того, чтобы затухать очень быстро, как это и предполагается в воде, длинноволновый свет затухает примерно с той же скоростью что и синий свет, поскольку синий свет – это то, что создаёт длинноволновый свет. Таким образом, на глубине гораздо больше длинноволнового света, чем можно ожидать. Однажды я сделал расчеты, и они показали, что к тому времени когда вы доберётесь до глубины 1000 метров, отношение созданных комбинационным рассеянием фотонов красного света к оригинальным красным фотонам от солнца составляет около двухсот порядков (рисунок 7.8). Изотропность этого длинноволнового света (равная яркость во всех направлениях) происходит из-за того, что комбинационное рассеивание рассеивает свет одинаково во всех направлениях.
Крайне важно понять, что световое поле в глубине океана не красное, и даже не оранжевое. Он по-прежнему чрезвычайно синее, по крайней мере, для наших глаз, а синий свет на несколько порядков ярче оранжевого и красного, даже с учётом комбинационного рассеяния. Всё же помните, что многие животные, включая нас, могут обнаруживать свет, который изменяется по интенсивности примерно на десять порядков. Таким образом, комбинационно рассеянный свет достаточно яркий, чтобы его можно было увидеть, если зрительная система может отфильтровать яркий синий свет. В некотором смысле это то же самое, что обнаруживать слабую флуоресценцию. Другими словами, вам нужен отличный фильтр, блокирующий синий свет, но всё же пропускающий длинноволновый комбинационно рассеянный свет. Звучит как непростое задание, но, к примеру, человеческий хрусталик имеет оптическую плотность около 4 для УФ света с 360 нм длиной волны, по сравнению с почти нулевым значением для жёлтого света 550 нм (Griswold and Stark, 1992). Это означает, что хрусталик блокирует 99,99% 360 нм света. Приблизительно столько в процентах необходимо будет отфильтровать синего света, чтобы увидеть под водой комбинационно рассеянный красный свет. Так что такое возможно.
Однако зачем об этом беспокоиться? Основная причина заключается в том, что световое поле комбинационно рассеянного света имеет абсолютно иную форму, чем обычное световое поле. Освещённость почти одинакова во всех направлениях, в отличие от обычного доминирования нисходящего света, поэтому оптимальные стратегии камуфляжа различны (Johnsen, 2002). Я не буду вдаваться во все геометрические аргументы, но суть в том, что скрытие в однородных световых полях требует очень большой отражающей способности, практически 100%. Отражающая способность у большинства животных гораздо ниже, и оптимальна для скрытия в обычном «ярком сверху» световом поле. Поэтому животное с правильным фильтром может обнаруживать животных, в противном случае скрытых.