Биолюминесценция. Истории изучения светящихся в темноте живых существ

1.

БИОЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯ
Наверняка многие из нас видели светлячков. Эти
насекомые известны уже не первый век. С
изобретением подводных лодок и батискафов
человечество получило возможность заглянуть в
подводный мир и обнаружилось, что там "светлячков"
ещё больше, чем на суше. Кто же светится и почему?

2.

Биолюминесце́нция — способность живых организмов светиться, достигаемая
самостоятельно или с помощью симбионтов. Название происходит от др.-греч. βίος,
«жизнь» и лат. lumen — «свет». Свет создаётся у более высокоразвитых организмов в
специальных светящихся органах (например, в фотофорах рыб), у одноклеточных
эукариот — в особых органоидах, а у бактерий — в цитоплазме. Биолюминесценция
основывается на химических процессах, при которых освобождающаяся энергия
выделяется в форме света

3.

4.

•Истории изучения светящихся в
темноте живых существ уже больше
трёх сотен лет. И это только
собственно научному подходу, а не
наблюдениям за чудесами живой
природы. Первые свидетельства о
загадочном свечении, в частности,
морских вод, принадлежат ещё
Аристотелю и Плинию Старшему.
•Вплоть до конца 19 века и даже в начале
двадцатого столетия в судовых журналах
встречаются записи моряков о
завораживающем свечении морской воды,
особенно на южных широтах. Не
оставляли без внимания это явление и
путешественники, среди которых были и
учёные-натуралисты, к примеру, Чарльз
Дарвин в своем известном «Путешествии
на корабле "Бигль"».
•Первый опыт изучения явления
биолюминесценции был
предпринят в 1668 году. Роберт
Бойль изучал процессы горения и
обнаружил сходство между
горением обычного каменного угля
и свечением гнилушек: при
отсутствии кислорода свечение в
обоих случаях исчезает.

5.

•Первым же, кто занялся основательным
изучением механизмов органического
свечения, стал Рафаэль Дюбуа. Он в 1887
году поставил серию опытов с экстрактами
из светящихся жуков Pyrophorus.
Главным результатом проделанной им
работы за свечение были ответственны две
фракции: низкомолекулярная (была названа
люциферином) и белковая (люцифераза),
по-разному реагирующие на изменение
температурного режима.
Огненосный щелкун (лат. Pyrophorus)
•В 20-ые годы прошлого века Эдмунд Ньютон
Харви из Принстонского университета начал
работы по изучению биолюминесценции
ракообразных. Он сумел выявить и подробно
описать особенности люцеферина и люцеферазы
моллюсков и ракообразных. Харви показал (1920)
различие люциферазных субстрат-ферментных
систем различных таксонов: люциферин
моллюсков Pholas не светился под действием
люциферазы ракообразных Cypridina и наоборот,
люцифераза Pholas была неактивна по отношению
к люциферину Cypridina.

6.

Химические механизмы
биолюминесценции
Хемилюминесценция возникает при многих химических реакциях — например,
при рекомбинации свободных радикалов или в реакциях окисления (при
свободнорадикальном окислении паров белого фосфора в газовой фазе,
окислении люминола в полярных органических растворителях и т. п.). В этом
случае, как и в реакциях биолюминесценции, выделяющаяся энергия не
рассеивается в виде тепла, как это происходит в ходе большинства
экзотермических химических реакций, а расходуется на образование одного из
продуктов реакции в возбуждённом электронном состоянии. Для излучения
света в ходе хемилюминесцентной реакции необходимо выполнение, как
минимум, двух условий: во-первых, энергия, выделяющаяся в ходе реакции,
должна превышать ~41-71,5 ккал/моль и, во-вторых, разница энергий основного
и возбуждённого состояния продукта реакции должна быть ниже энтальпии
химической реакции.

7.

При соблюдении этих условий возможно образование с достаточно
высоким выходом окисленной формы люциферина в возбуждённом
состоянии и дальнейший переход в основное состояние с испусканием
фотона видимого спектрального диапазона. Отношение числа
излученных фотонов к общему числу элементарных актов реакции
называется квантовым выходом реакции, квантовые выходы
биолюминесценции, в отличие от большинства хемилюминесцентных
реакций, очень высоки и достигают значений 0,1-1. Такие квантовые
выходы для реакций, протекающих в водных растворах при
нейтральных значениях pH, необычны для хемилюминесцентных
процессов и обусловлены специфичной ферментативной природой
окислительных реакций биолюминесценции, катализируемых
люциферазными комплексами.