Сонолюминесценция
Последний источник излучения света кажется настолько эзотерическим, что трудно себе вообразить его связь с биологией. Однако в последнее десятилетие он был обнаружен в двух группах животных, что ещё раз доказывает, что почти любой физический процесс где-то отражён в биологическом мире.
Сонолюминесценция – это свет, создаваемый схлопыванием пузырьков воздуха в воде. Первоначально он был обнаружен Френцелем и Шультесом (1934), рабочими, обслуживающими сонар. Они поместили ультразвуковой динамик в контейнер с проявителем плёнки, чтобы проверить, сократит ли это время обработки. Вместо этого они обнаружили на всех своих фотографиях маленькие пятна, которые, как они поняли, были вызваны светом, испускаемым схлопывающимися пузырьками воздуха.
Изучение этого процесса усовершенствовалось на протяжении многих лет, и теперь сонолюминесценция одиночных пузырьков может быть изучена детально. Несмотря на согласованные усилия в изучении феномена, нет полного согласия в вопросе о том, что вызывает излучение. Известно, что пузырьки схлопываются чрезвычайно быстро. Радиус сжимается со сверхзвуковыми скоростями, создавая значительное, но недолговечное увеличение давления. Это увеличение давления приводит к столь же значительному и кратковременному повышению температуры. Первоначальные оценки этой температуры достигали ста миллионов градусов, но были пересмотрены в сторону понижения в пределах от 6000° К до 20 000° К. Это всё ещё экстремально горячо, поэтому основная гипотеза заключается в том, что сонолюминесценция является тепловым излучением. Но всё ещё есть поле для споров.
Сонолюминесценция и биология связаны кавитацией. Воду трудно сжимать или растягивать. Если вы нальёте воду в герметичный шприц, вам нелегко будет тянуть за поршень. Однако, если дёргать достаточно сильно, удастся создать в воде воздушный пузырь. Полагаю, можно сказать, что вы разорвали воду. Этот процесс, называемый «кавитация», происходит всякий раз, когда давление в воде падает ниже давления находящихся в воде газов. Последнее значение зависит от температуры – при комнатной температуре оно составляет около 0,02 атм. Это низкое давление, но легко достижимое. Кавитация всё время происходит с гребными винтами.
Как только местное давление повышается, пузырь быстро разрушается. Коллапс настолько жесток, что создает ударные волны, которые могут пробивать отверстия в металле. Производители лодочных винтов тратят много времени на беспокойство о действии кавитации. Схлопывание пузырьков также может приводить к сонолюминесценции.
По крайней мере два водных животных достаточно быстро движутся под водой, чтобы вызвать кавитацию. Первыми, в ком было замечено это свойство, являются раки-щелкуны (Lohse et al., 2001). Эти странные существа выглядят как маленькие омары с асимметричными клешнями. На более крупной клешне есть механизм взведения, который позволяет животному накапливать значительное напряжение в одной мышце, которое затем высвобождается второй мышцей – своеобразным спускателем курка. Это создает высокоскоростную струю воды, оставляющую на своем пути пузыри кавитации. Схлопывание этих пузырей создаёт впечатляюще громкий звук щелчка (190-210 дБ на 1 мкПа на 1 м), который используется для обороны территории, и на некоторых коралловых рифах эти щелчки можно слышать тысячами. Lohse et al. (2001) изучил производимую раками-щелкунами кавитацию и обнаружил, что она приводит к сонолюминесценции. Вспышка длится менее 10 наносекунд и даёт всего 5 × 104 фотонов, поэтому она, скорее всего, находится ниже зрительного порога любых животных.
Другими кавитирующими животными являются раки-богомолы (стоматоподы), группа ракообразных, славящаяся многими оптическим трюкам. Известно, что они производят по меньшей мере двенадцать различных зрительных пигментов, что дает им, возможно, самое сложное цветовое зрение. Они могут видеть свет как линейной, так и круговой поляризации, а также на своих телах имеют участки, которые могут видеть только животные с такими же способностями (об этом больше в главе 8). Они также создают странные шумы. Однако здесь уместно отметить, что у этих раков есть действительно скверная пара придатков, которые они используют для рытья нор и убийства как добычи, так и сородичей. Эти придатки являются модификациями вторых грудных ног и представлены в двух видах – копья и молоты. Копья имеют длинный острый наконечник, а молоты - булаву. Молоты могут использоваться для разрушения раковин и могут ударять силой до 1500 Н на площадь всего в несколько квадратных мм. Это эквивалентно весу в 336 фунтов (представьте, что на вашем животе балансирует незаточенный карандаш, а затем кто-то ставит на него стиральную машину). Этой силы достаточно, чтобы вызвать в воде кавитацию, что было доказано с помощью высокоскоростной фотографии (Patek and Caldwell, 2005). Вполне вероятно, что эта кавитация также приводит к сонолюминесценции, но это не было документировано.
Есть ещё несколько естественных источников света (например, молнии, лава, взрывы метана), но для краткости, вероятно, лучше всего перейти к тому, что происходит после испускания света. Этому посвящены следующие четыре главы: поглощение, рассеяние и флуоресценция.