Пётр Волцит
«Квантик» №2, 2017

Рисунок Артёма Костюкевича («Квантик» №2, 2017)

Пара
     пароходов
          говорит на рейде:
То один моргнёт,
          а то
               другой моргнёт.

Владимир Маяковский

Если тёплой летней или майской ночью не побояться пройтись по лесу без фонарика, можно увидеть чудесное явление: десятки зеленоватых огоньков то вспыхивают, то гаснут во мраке. Это «разговаривают» жуки-светляки: самки привлекают самцов вспышками света, а самцы отвечают им взаимностью. Ритм мигания у каждого вида этих жуков (а их на планете более 2000!) свой, так что самец и самка, немного поперемигивавшись, могут легко удостовериться, что не ошиблись с выбором партнёра.

Впрочем, самки некоторых тропических светляков умеют имитировать ритм миганий других видов и так подманивать их. Уверенный, что нашёл подругу, самец летит в её объятия... и попадает в челюсти коварной хищницы. Обмануть светляка под силу и человеку: сымитировав ритм вспышек маленьким фонариком, можно легко привлечь несколько жуков.

Любопытно, что «фонарики» жуков отличает необычайно высокий КПД: в световую форму у них переходит 98% затраченной энергии. Для сравнения: у лампы накаливания — не более 5%, и даже у современных светодиодов — только 40–50%. О свечке и говорить нечего: у неё в свет превращается менее 1% энергии, остальное выделяется в виде тепла. Светлячок же, испуская весьма яркий свет (посадив несколько жуков в банку, можно освещать ею дорогу, как фонарём), почти не нагревается.

Рисунок Артёма Костюкевича («Квантик» №2, 2017)

Как жуки проделывают эти фокусы? И как им удаётся регулировать свечение: то «включать», то «выключать»?

Свечение живых существ — а кроме светляков оно встречается и у глубоководных рыб, и у медуз, рачков, и даже у грибов и бактерий (особенно у бактерий!) — называется биолюминесценцией. Люминесценция — это излучение света при низкой температуре с небольшим выходом теплового излучения, то есть с преобладанием видимого света. Свет пламени, свечение раскалённого металла, излучение Солнца — это не люминесценция, а результат нагрева до больших температур; при этом, помимо видимого света, излучается огромное количество тепловых (инфракрасных) лучей — мы даже на расстоянии чувствуем жар.

У животных же свечение возникает в ходе биохимической реакции окисления особого вещества люциферина под действием фермента люциферазы. (Фермент — это вещество, которое осуществляет реакцию, но само в ходе неё остаётся неизменным, не расходуется.) Люциферин соединяется с кислородом, и при этом выделяется энергия в виде света.

Но ведь горение свечи — тоже реакция окисления! И в нашем организме непрерывно идут такие реакции — именно за счёт них наше тело поддерживает довольно высокую температуру 36,6°С. Почему же мы не светимся, а в пламени лишь ничтожная часть энергии выделяется в форме видимого света? Что такого особенного в реакции окисления люциферина?

На самом деле, особенна не реакция, а сам люциферин. Но, чтобы понять, как он «светит, но не греет», нужно сначала разобраться, как вообще излучается свет. А для этого... вспомнить строение атома.

Схема поглощения и излучения энергии электронами при переходе с орбитали на орбиталь («Квантик» №2, 2017)

Схема поглощения и излучения энергии электронами при переходе с орбитали на орбиталь

В центре всех атомов находится ядро, вокруг которого вращаются по своим орбитам (правильнее называть их «орбиталями») электроны. Электрон может находиться на ближайшей к ядру свободной орбитали, а может перейти на более далёкую, внешнюю.

Находясь на внешней орбитали, электрон обладает большим запасом энергии, поэтому, чтобы его туда забросить, ему нужно эту энергию сообщить. И наоборот, когда электрон «спускается» на внутреннюю орбиталь, энергия высвобождается — в форме излучения (инфракрасного, видимого или иного).

Излучать энергию непрерывным потоком нельзя: она выделяется только квантами — порциями (квант света называется фотоном). Таков закон природы. Не вдаваясь в подробности, отметим только, что размер этой «порции» может быть разным. Фотоны видимого света, особенно в синей части спектра, несут в себе гораздо больше энергии, чем «инфракрасные». Грубо говоря, энергия одного «синего» фотона примерно равна энергии двух-трёх «инфракрасных». То есть, получив избыток энергии, атом или молекула может избавиться от него, испустив либо один «синий» фотон, либо серию «инфракрасных».

У большинства веществ атомы, получив порцию энергии, излучают её в виде серии «инфракрасных» фотонов: «греют, но не светят». Условно говоря, их электроны спускаются с высокой орбитали на низкую «по ступенькам»: перепрыгивают помаленьку, каждый раз выделяя небольшой квант энергии. А вот устройство молекулы люциферина таково, что электрон, получив энергию, не может прыгать по ступенькам: он сразу же, одним махом, возвращается на внутреннюю орбиталь, излучая при этом фотон высокой энергии — квант видимого света.

Рисунок Артёма Костюкевича («Квантик» №2, 2017)

Многие другие биохимические реакции идут в несколько этапов, и, хотя итоговый выход энергии может быть колоссальным, на каждом этапе она выделяется по чуть-чуть: ни одна порция не достигает энергии даже «красного» фотона, не то что «синего». Эти порции клетка использует для своей жизнедеятельности, а их остатки «достаются» соседним молекулам, вызывая их движение, то есть попросту нагревая вещество клетки. В обоих случаях энергия в итоге превращается в тепловую. А при окислении люциферина происходит резкая перестройка молекулы с одномоментным выделением большого количества энергии — в световой форме.

Удивительно, но факт: резкое окисление меньше нагревает жука, чем серия плавных, постепенных реакций.

Думаю, теперь вы сами найдёте ответ на вопрос, как светлячки и другие организмы, способные к люминесценции, регулируют свечение, излучая свет не непрерывно, а вспышками.

Задача

Предложите несколько способов, которыми светящиеся организмы могли бы создавать вспышки.

Ответ

Таких способов действительно несколько. Первый — «перекрыть кислород». Поскольку реакция окисления не идёт без окислителя, достаточно уменьшить поступление воздуха к светящемуся органу. Светляки просто сжимают трахеи — тонкие трубочки, проводящие воздух к каждому органу внутри тела. Некоторые глубоководные рыбы сжимают кровеносные сосуды, снижая поступление кислорода в светящиеся органы (фотофоры).

Другие глубоководные рыбы пользуются вторым способом — «шторкой». Их фотофоры находятся в ямках на теле, и рыба может просто сужать отверстие этих углублений, перекрывая путь свету — а внутри всё так же продолжает идти реакция.

Есть и третий способ. У некоторых рыб светится слизь, покрывающая кожу. Содержащиеся в ней люциферин и люцифераза выделяются двумя разными типами желёз. Только встретившись вместе, уже на поверхности, оба компонента начинают реакцию, выделяя свет. Соответственно, меняя скорость выделения двух видов слизи, рыбы могут регулировать интенсивность её свечения.

Художник Артём Костюкевич


0
Написать комментарий


    Сюжет


    Биолюминесценция

    Биолюминесценция

    Избранное






    Элементы

    © 2005–2025 «Элементы»