Как флуоресценция может заставить вещи казаться ярче
Несмотря на то, что флуоресценция не создаёт свет, она, тем не менее, способна сделать вещи более яркими и/или более заметными. Это происходит с помощью нескольких процессов. Во-первых, флуоресценция может преобразовывать свет в длины волн, которые легче обнаруживаются с помощью конкретной зрительной системы. Как мы обсуждали в главах 2 и 4, наши глаза (и глаза всех животных) к одним длинам волн света более чувствительны, чем к другим. Например, люди примерно в пятьдесят раз более чувствительны к зелёному свету 550 нм, чем к голубому свету 440 нм и красному свету 670 нм. Вот почему зелёные лазерные указки выглядят намного ярче, чем красные или синие. Поэтому флуоресцентная поверхность, которая преобразует только 20% фотонов с длиной волны 440 нм в 550 нм (и полностью поглощает оставшиеся 80%), будет примерно в 10 раз ярче (= 20% от 50), чем нефлуоресцентная поверхность, отражающая 100% фотонов 440 нм. Не возникло больше фотонов (в реальности 80% из них потерянно), но вещи выглядят ярче, поскольку новые фотоны гораздо чаще поглощаются нашими фоторецепторами. Эффект редко бывает столь драматичным, как описан выше, поскольку спектры возбуждения и эмиссии обычно широкие и перекрываются, поэтому конвертирующиеся фотоны редко отстоят очень далеко друг от друга на длинах волн.
Во-вторых, флуоресценция может быть использована для преобразования света в длины волн, которые легче распространяются в данной среде. Хотя воздух передает свет с разными длинами волн относительно одинаково (по крайней мере, на релевантных для биолога расстояниях), вода, конечно же, так не делает. Поэтому, например, синяя биолюминесценция может быть преобразована в зелёный свет через флуорофор, чтобы пройти больший путь в зелёных прибрежных водах (где синий свет поглощается хлорофиллом). Свет снова не создаётся, но распространяется на большее расстояние.
Возможно более важно то, что флуоресценцию можно использовать для создания света с длинами волн, редко встречающегося в данной среде. Даже чистая океанская вода сильно поглощает длинноволновый свет, оставляя мало оранжевого, жёлтого и красного света уже через нескольких метров от поверхности, а ниже нескольких десятков метров остаётся только немного зелёного света. Цвет объекта зависит от освещающего его света не меньше, чем от фактической отражающей способности, поэтому красные объекты на несколько метров ниже поверхности выглядят чёрными (губы и языки на глубинах плавания с аквалангом выглядят ужасно). Однако флуоресцентное вещество может преобразовывать свет доминирующих длин волн (например, голубой свет в океане) в свет редких длин волн, создавая очень заметный и специфический сигнал. Получатели сигнала могут выделять этот эффект используя глазные фильтры, которые отсеивают доминирующие длины волн и тем самым увеличивают контраст еще больше. Кроме того, поскольку флуоресцентный свет рассеивается примерно одинаково во всех направлениях, он может быть ещё более заметным, если смотреть с определенных углов (рис. 7.3).
Как на суше, так и в океане нисходящий свет намного ярче горизонтального света, иногда на пару порядков. Поэтому даже относительно неэффективный флуорофор может казаться довольно ярким если смотреть горизонтально, поскольку он поглощает часть гораздо более яркого нисходящего света и преобразует его в свет, излучающийся во всех направлениях. Даже эта малая часть света может быть ярче горизонтального фонового света.
Поэтому, хотя флуоресценция не может создавать свет, она, безусловно, имеет потенциал для создания видимых сигналов, особенно в почти монохроматических средах. Биолюминесценция имеет схожие преимущества, но за неё нужно платить большую цену – для излучения света требуется энергия. Поскольку биолюминесценция настолько распространена в океане, её цена явно не является запретительной, но всё же она, по-видимому, ограничивается средами с низким уровнем освещённости. Флуоресценция, напротив, может быть использована в ярко освещённых приповерхностных тропических водах, из-за чего некоторые их нашего сообщества визуальной экологии называют ей «биолюминесценцией для бедных».