Биолюминесценция — это явление, при котором живые организмы излучают свет в результате химической реакции. Это форма хемилюминесценции, при которой два или более химических вещества реагируют с образованием возбужденного (высокоэнергетического) промежуточного соединения, которое затем распадается, высвобождая часть своей энергии в виде фотонов света, чтобы достичь своего основного состояния. Высвобождаемое электромагнитное излучение может быть видимым, ультрафиолетовым или инфракрасным светом.
Однако в биолюминесценции менее 20% света генерирует тепловое излучение или тепло.
Естественно, нам больше знакома видимая биолюминесценция, которую мы можем наблюдать, например, в свете светлячка, но многие другие виды — даже люди — излучают тот или иной свет.
Что вызывает биолюминесценцию?
Здесь мы должны остановиться и вспомнить второй закон термодинамики . Этот закон гласит, что энтропия в замкнутых системах всегда возрастает. Это связано с тем, что ни один термодинамический процесс не эффективен на 100% — всегда есть определенное количество энергии, которое нельзя преобразовать в работу. Эта «бесполезная» энергия выделяется в окружающую среду в виде тепла, что увеличивает молекулярный беспорядок (энтропию) системы.
Но преобразование химической энергии в свет, происходящее при биолюминесценции, настолько эффективно, что в окружающую среду выделяется очень мало тепла. Вот почему это называется «биолюминесценцией» — потому что люминесценция — это излучение света определенными материалами, когда они относительно холодные . Таким образом, это можно рассматривать как «холодный свет».
И как живые существа производят этот свет? Это зависит от вида.
Химическая реакция, которая обычно приводит к биолюминесценции, требует двух химических веществ: люциферина и либо люциферазы, либо фотопротеина. Люциферин — это соединение, которое производит свет, а точный цвет получается в результате расположения молекул люциферина.
Некоторые биолюминесцентные организмы могут синтезировать люциферин самостоятельно, в то время как другие поглощают его через другие организмы, потребляя их в пищу или находясь в симбиотических отношениях с организмом, продуцирующим люциферин. Кальмары, например, имеют симбиотические отношения с биолюминесцентными бактериями , которые живут в световых органах кальмара.
Фермент люцифераза взаимодействует с окисленным люциферином с образованием побочного продукта, называемого оксилюциферином, и именно эта химическая реакция создает свет.
Хотя в большинстве биолюминесцентных реакций участвуют люциферин и люцифераза, в некоторых участвует химическое вещество, называемое фотопротеином . Фотопротеин соединяется с люциферинами и кислородом вместе с другим агентом, таким как ион кальция, для получения света.
Кристаллическое желе, разновидность гидромедузы, обитающей на западном побережье Северной Америки, использует фотопротеин под названием аэкворин, который активируется ионами кальция. Кальций генерирует катализ, и он происходит так быстро, что производит очень короткие вспышки света.
С другой стороны, светлячки — возможно, самые известные биолюминесцентные живые организмы — объединяют кислород с кальцием, аденозинтрифосфатом (АТФ) и люциферином в присутствии люциферазы для получения света. Эта реакция протекает в специальных органах, расположенных в их брюшной полости.
Есть также бактерии, излучающие свет. Чаще всего они встречаются в морской среде. Одноклеточные существа, называемые динофлагеллятами, являются планктонными обитателями поверхности, которые несут ответственность за создание блестящего или молочного эффекта на поверхности океана.
Биолюминесценция у человека
Согласно недавнему исследованию, оказывается, что большинство животных действительно излучают некоторое количество света, в том числе и люди. Просто мы не можем его увидеть, потому что он в 1000 раз менее интенсивен, чем то, что мы можем обнаружить невооруженным глазом.
Вполне вероятно, что эта биолюминесценция является побочным эффектом метаболических реакций, поскольку высокореактивные свободные радикалы, образующиеся в результате клеточного дыхания, взаимодействуют со свободно плавающими липидами и белками. Полученные «возбужденные» молекулы могут реагировать с химическими веществами, называемыми флуорофорами, с испусканием фотонов. Эти метаболические реакции менее часты или интенсивны ночью, поэтому в это время излучается меньше света.
