Биолюминесценция

Представьте себе картину: вечер, Вы сидите в ресторане на набережной северного приморского городка. Официант приносит Вам салат со свежепойманной рыбой, Вы приподнимаете вилкой зелень и не верите своим глазам… Филе рыбы светится!

Нет, это не избыток фосфора и не радиоактивное заражение. Это всего лишь безобидная бактерия Photobacterium phosphoreum, обладающая биолюминесценцией.

Биолюминесценция — это способность некоторых живых организмов при помощи химических реакций производить свечение.

Всего в мире известно около 800 видов светящихся организмов из различных царств: животные, растения, грибы и бактерии. Большинство из них живут в соленых и пресных водоемах.

Среди одноклеточных открыто четыре рода люминесцирующих бактерий (фотобактерий) . Фотобактерии распространены почти по всему земному шару. Большинство из них обитает в морской воде, однако известны пресноводные и почвенные виды.

Зональность распределения морских светящихся бактерий зависит от температуры водоемов.

Для психрофильного вида Photobacterium phosphoreum характерны холодные зоны с температурой ниже 15ºС. Этот вид обитает в северных морях, а также на глубине более 500 метров.

Виды Photobacterium leiognathi, Vibrio harveyi, Vibrio fischeri являются мезофильными (оптимальная температура роста для них 25-37ºС) и обитают в морях умеренного, субтропического и тропического поясов.

Светящиеся бактерии являются прямыми или изогнутыми палочками, либо кокковидными бациллами. Каждый вид имеет собственный характерный тип жгутикования.

Большинство известных видов фотобактерий являются симбионтами рыб и головоногих моллюсков.

Помните рыб-удильщиков? Большинство из них используют свечение бактерий, которых бережно выращивают в специальных органах — фотофорах. Помимо рыб светящихся бактерий в своих целях выращивают шесть видов кальмаров, некоторые почвенные черви, губки и оболочники.

Как они светятся?

Всему виной бактериальная люцифераза — окислительный фермент, катализирующий реакцию свечения и его фермент — люциферин.

Нет, названия взяты вовсе не из преисподней, но от латинского слова «Lucifer», то есть «Светоносный».

Люциферазы разных видов фотобактерий являются катализаторами одной и той же реакции, субстратами в которой являются кислород и восстановленный флавиномононуклеотид.

Спектр излучения различается у разных штаммов светящихся бактерий.

Большинство бактерий излучают свет в зелёном спектре. Данное свечение характерно для рода Vibrio.

Большинство штаммов Photobacterium phosphoreum излучают свет в сине-голубом спектре.

Существует также уникальный штамм Vibrio fischeri Y1, имеющий жёлтое свечение.

Для людей почти все виды фотобактерий безопасны, кроме, разве что, одного светящегося штамма холерного вибриона (Vibrio cholerae). Более того, известен случай, когда светящиеся бактерии помогали людям выжить.

В 1862 году, во время Гражданской войны в США, раны некоторых солдат начали светиться в ночи. Эвакуировать раненных смогли лишь спустя два дня. За это время многие бойцы успели умереть от полученных ранений и заражения крови. Однако солдаты, чьи раны светились, в большинстве выжили. Их раны почти не гноились и быстрее заживали. Это чудо тогда назвали «Ангельским свечением». И только спустя полтора века Джонатану Кертису, Биллу Мартину и Филлис Мартин удалось раскрыть тайну.

Свечение вызывала фотобактерия почвенных нематод Photorhabdus luminescens, которая подавляла рост патогенных микроорганизмов в ране.

Однако не для всех фотобактерии столь же безопасны. Известны случаи поражения светящимися бактериями из рода Photobacterium насекомых и ракообразных. Особенно часто гибнут креветки, крабы и гусеницы бабочек. Известно, что определенные виды фотобактерий обладают свойством разрушать хитиновый слой членистоногих.

Зачем они светятся?

А вот это уже вопрос сложнее. Ученые до сих пор не имеют определенного мнения на этот счет. Наиболее распространенной гипотезой считается теория о том, что свечение является побочным продуктом в реакции нейтрализации опасного для бактерий пероксида водорода. В далеком прошлом все бактерии использовали именно эту реакцию люциферазы для избавления от активных форм кислорода. Позже большинство микроорганизмов избрали другие, более экономные стратегии выживания, и лишь небольшая группа, именуемая фотобактериями, осталась верна своим «светлым» принципам.

Вомбат напомнил о себе, и вот я здесь; успеваю поздравить за минуту до полуночи. Здравствуй, Вомбат, расти большой!

Надеюсь, вам понравится этот материал.
Сейчас вначале немного нудной теории (проматывайте, если скучно), затем очень красивые видосеки. 

Для интересующихся разберемся кратко - в чем суть люминесценции вообще?
Как известно, в атомах находятся электроны. Изначально электроны находятся в основном состоянии, то есть, в состоянии с 'нулевой' энергией. Однако путем различных механизмов можно заставить электрон приобрести энергию и перейти в возбужденное состояние. Например, атомы можно осветить, и при выполнении определенных условий электрон поглотит энергию света и возбудится.

Электроны не любят находиться в возбужденном состоянии, поэтому они стремятся сбросить энергию, и делают это посредством излучения света. Именно это излучение, которое мы с вами можем наблюдать, и называется люминесценцией.

Итак, для наблюдения люминесценции необходимо возбудить электрон каким-либо образом и подождать, пока он не скинет энергию в виде света.

По большей части все виды люминесценции отличаются способом возбуждения электронов - свет, разряд, звук, химические процессы и другие.

Важным моментом данной физики является тот факт, что принимать и испускать электрон может не любую энергию, а строго ограниченный набор значений. Можно это сравнить с лестницей. Я могу шагнуть на 1-2-3 ступеньки, но шагнуть на 2.3 ступеньки у меня не получится. Электронные уровни устроены аналогичным образом с единственным отличием - все ступеньки имеют разную высоту.

А теперь красивое. 

Флуоресценция - электроны возбуждаются под действием УФ или синего излучения и мгновенно испускают фотоны в ответ.

Фосфоресценция - электроны возбуждаются под действием УФ или синего излучения, однако вещество устроено так, что электроны не могут быстро скинуть энергию, поэтому они излучают фотоны с большой задержкой.

Электроны может возбудить не всякое излучение, а только то, что больше по энергии испускаемых электронами фотонов. По энергии синий>зеленый>красный

Хемилюминесценция - электроны возбуждаются за счет энергии, выделяющейся при химических реакциях.

Такой вид свечения используют в специальных палочках. Если разломать колбу с перекисью водорода внутри, то палочка начнет светиться.

Биолюминесценция - та же хемилюминесценция, только в живых организмах. Светлячках, например.

Триболюминесценция - свечение, возникающее при деформации тел. Электроны возбуждаются за счет микроразрядов, которые эта деформация вызывает.

А вот при разматывании скотча (это тоже своего рода деформация) выделяется рентген! При разматывании в воздухе он не опасен. В видео используют специальный экран, чтобы рентген вызывал синее свечение. Опыт проводят в вакууме.

К триболюминесценции относят еще и эффект Коппа-Этчеллса. Если вертолет взлетает в запыленных условиях, то песок бьется о лопасти и светится, создавая красивые кольца. Что интересно - Копп и Этчеллс были солдатами, а не учеными.

Сонолюминесценция - свечение под действием звуковых волн. Очень сложная реализация. В специальной колбе создается стоячая звуковая волна, которая отбирает один пузырек воздуха и удерживает его на месте.

Если посмотреть крупно, то пузырек под действием звуковой волны резко сжимается, и выделяющаяся энергия вызывает вспышку.

Термолюминесценция - свечение, возникающее при нагревании различных твердых веществ. Не путайте с обычным тепловым свечением (как красный раскаленный металл, например) - здесь абсолютно другой механизм.

Термолюминесцировать способны кристаллы, которые были подвергнуты воздействию какого-либо излучения (рентгена, например), приведшего к возникновению внутри кристалла различных дефектов. В эти дефекты захватываются электроны и удерживаются там, а при сильном нагревании высвобождаются, воссоединяются со своими ионами и испускают при этом свет. По сути, кристалл играет роль своеобразной батарейки, энергия из которой добывается путем нагревания.

Радиолюминесценция - свечение под действием частиц, появляющихся при распаде радиоактивных веществ. Эти частицы вызывают возбуждение электронов.

В видео показано сравнение часов с люминесцентной подсветкой (слева) и тритиевой подсветкой (справа). Люминофор ярче, но для свечения его постоянно нужно 'подзаряжать' светом. Тритиевые трубочки светят тускло, но они способны светить десять лет даже в кромешной темноте.

Катодолюминесценция - возникновение свечения при облучении вещества быстрыми электронами. Электроны получают при нагревании катода. Используется в известной всем пожилым людям ЭЛТ трубке.

И для самых-самых интересующихся бонус - свечение Вавилова-Черенкова. 

Ни одна частица не способна двигаться быстрее скорости света. Однако здесь речь по скорость света в вакууме - 300 000 км/с. В любой среде скорость света уменьшается из-за ослабления средой. Например, в воде скорость света меньше в 4/3 раза по сравнению с вакуумом.

Получается так, что любая частица может двигаться медленнее, чем свет в вакууме, но быстрее, чем свет в воде. Такие частицы будут сбрасывать с себя энергию за счет испускания фотонов. Проще говоря, светиться.

Именно это происходит во время запуска ядерного реактора, которое мы видим на видео. Запуск заключается в том, что из реактора частично выводятся защитные стержни, которые до этого предотвращали развитие цепной реакции с ураном. Начинается развитие цепной реакции. В этот момент вылетает множество элементарных частиц, движущихся быстрее скорости света в воде и испускающих из-за этого голубоватое свечение.

Я использовал слово 'люминесценция' 29 раз и написал эту строчку, чтобы разов стало 30.