Меню

Светлячок как источник света



Почему светлячки светятся? (3 фото)

Фотофор состоит из 3-х слоев. Нижний слой, зеркальный, способен отражать свет. Верхний — представляет собой светопрозрачную кутикулу. В среднем слое находятся фотогенные клетки, вырабатывающие свет. Как видно, по своему устройству фотофор напоминает обычный фонарик. Подобный вид свечения называется биолюминисценцией, которая возникает в результате соединения внутриклеточного кислорода с кальцием, молекулой аденозинтрифосфата (АТФ) и пигментом люциферином в присутствии фермента лоюциферазы.

Свет, излучаемый светлячками — холодный. В отличие от обычной электрической лампы, где основная часть энергии переходит в бесполезное тепло, а КПД составляет 5% — 10 %, светлячки переводят в световое излучение 87% — 98% затраченной энергии. Свечение этих насекомых относится к видимой желто-зеленой части спектра, соответствующей длинам волн от 500 до 600 нм. Многие виды светлячков в состоянии по своему желанию уменьшать и увеличивать интенсивность свечения или излучать прерывистый свет. Когда нервная система жука подает сигнал о «включении» света, в фотофор начинает интенсивно поступать кислород, а для «выключения» достаточно прекратить подачу. У насекомых нет легких, а кислород передается посредством специальных трубочек — трахеол. Запас кислорода находится в митохондриях. Для быстрого выделения необходимого количества кислорода, организм светлячка вырабатывает окись азота, которая, поступая в митохондрии, вытесняет из них кислород.

Биолюминисценция для светлячков является средством межполового общения. Насекомые не только сигнализируют о своем местоположении, но и отличают своего партнера по особой частоте мерцания. Тропические и североамериканские виды светлячков иногда исполняют целые хоровые серенады для своих партнерш, одновременно вспыхивая и затухая всей стайкой. Стайка самок отвечает им такой же светомузыкой.

Источник

Лампочка дьявола, или Откуда светлячки берут энергию

МОСКВА, 25 июня — РИА Новости, Татьяна Пичугина. Биолюминесценцию используют многие живые существа — чтобы найти полового партнера или скрыться от врага. Энергию для свечения они получают из химической реакции, которая происходит у них в организме. О том, как изучение этого природного феномена привело к одному из самых масштабных прорывов в биологии, — в материала РИА Новости.

В глубине океана не так темно, как принято считать. Биологи обнаружили, что очень многие морские обитатели испускают холодный свет голубого или зеленого цвета. Это называется биолюминесценцией. Свечение возникает в организме в результате химической реакции окисления. Бактерии, черви, ракообразные, моллюски и даже рыбы широко применяют биолюминесценцию в качестве сигнальной системы или для маскировки.

Одноклеточные водоросли (динофлагелляты), живущие в поверхностном слое тропических морей, светятся, если их что-то потревожит. Вот почему вечером на Средиземном или Красном море волны, ударяясь о берег, сверкают.

Кальмар сепиолида, обитающий у Гавайских островов, сам не умеет светиться, поэтому вступает в симбиоз с бактериями Vibrio fischeri. Они селятся в особом органе. При приближении хищника моллюск окутывает себя облачком голубых бактерий. Излучение в этом диапазоне лучше всего распространяется в морской воде и напоминает мягкий лунный свет. Ведь сепиолиды — ночные животные.

Биолюминесценция много раз возникала в процессе эволюции у совершенно разных групп организмов. По всей видимости, это очень удобный механизм адаптации. А вот растения и более сложные, чем рыбы, животные не светятся.

Немножко химии

Чтобы светиться, в организме постоянно должно быть топливо. Им служит органическое соединение люциферин, которое окисляется при участии фермента люциферазы, молекул кислорода или перекиси водорода, то есть, по сути, сгорает. Но без выделения тепла. Энергия, образовавшаяся при окислении, выходит в виде фотонов — квантов электромагнитного излучения видимой части спектра.

Читайте также:  Галогеновые лампы белого света hb4

Люциферин можно сравнить с лампочкой, а люциферазу — с электрическим током. Одной лампочки достаточно, чтобы осветить большое помещение, так же и сырья для биолюминесценции организму нужно предельно мало. Поэтому природный люциферин очень сложно выявить.

Плюс к тому его молекула совсем крошечная, состоит всего из нескольких десятков атомов. Требуется много биомассы, чтобы найти люциферин и расшифровать его структуру. Например, красноярским ученым Валентину Петушкову и Наталье Родионовой из Института биофизики Сибирского отделения РАН пришлось для своих исследований добыть сотни тысяч почвенных червей Fridericia heliota.

Кроме того, в биомассе сложно разделить люциферин и люциферазу. Все это тормозит изучение биолюминесценции: пока известна структура всего девяти люциферинов. Но в результате исследовательские и аналитические методы получили мощное развитие.

Грибы на обочине

Большинство люциферинов состоят из производных аминокислот, что понятно: этого материала в организме много, все ДНК и белки — из него. Несколько по-другому устроен люциферин почвенного сибирского червя, в расшифровке которого принимали участие ученые под руководством Ильи Ямпольского из Института биоорганической химии РАН имени академиков Шемякина и Овчинникова. Кроме того, реакция свечения у червя требует присутствия АТФ — главной энергетической молекулы клетки и ионов магния.

Люциферин высших грибов отличается всего на одну гидроксильную группу от гиспидина — вещества, образующегося и у несветящихся грибов в процессе вторичного метаболизма. Получается, что недостатка в компонентах для биолюминесценции нет. В случае необходимости хватит небольшой подстройки генома, чтобы ее запустить.

Зачем биолюминесценция грибам, кстати, объяснить непросто. Ведь образ жизни у них практически растительный, а растения не светятся, они и без этого неплохо устроились на Земле. Пока есть только одно предположение — грибы привлекают светом насекомых, которые разносят их биологический материал и таким образом способствуют размножению.

Эволюция-изобретатель

Головоногий моллюск под названием «адский вампир» живет на большой глубине. Считается, что свечением он отпугивает хищников. Самки цератиевидных рыб, тоже глубоководных, для охоты приспособили особый орган на голове — иллиций. Он похож на удочку (отсюда название — рыбы-удильщики) и населен светящимися бактериями.

Самкам обычных лесных светлячков биолюминесценция помогает найти половых партнеров. Самец видит зеленый фонарик издалека и летит к нему. Самки червей на Бермудских островах специально держатся на поверхности моря, светятся и приманивают самцов.

Когда и кто в животном мире изобрел биолюминесценцию — неизвестно. Ясно только, что ее открывали снова и снова самые разные группы существ независимо друг от друга. Вероятно, это один из способов эволюционного приспособления к новым условиям.

Светятся клетки и травы

Ученые научились синтезировать люциферин и люциферазу, чтобы использовать их в качестве меток при работе с тканями и культурами клеток. Как и зеленый флуоресцентный белок, они позволяют легко проследить разные стадии развития клетки, заболевания. Это называют биоимиджингом и широко применяют биотехнологи, фармацевты, молекулярные биологи.

Определение генов, отвечающих за синтез люциферина и люциферазы, открыло совершенно новые возможности. Первый эксперимент с биолюминесценцией над млекопитающим провела в 1995 году группа Кристофера Контага (Christopher Contag) из Стэнфордского университета (США). Ученые внедрили ген, обеспечивающий свечение у бактерий, в другую бактерию — сальмонеллу. Микробов скормили мышам и по светящемуся следу наблюдали, как они движутся в организме.

Читайте также:  Как научиться управлять светом

В Институте Скриппса (США) ген биолюминесценции вставили в траву резуховидку, чтобы изучить смену ее состояний в течение дня, так называемые циркадные ритмы.

Источник

Светлячки

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

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.

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

Читайте также:  Как соединить две лампы дневного света

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.

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.

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.

Источник