Солнечный луч
Шрифт:
Светящиеся составы, содержащие в качестве источников радиолюминесценции ничтожное количество радия или тория, используют для изготовления светящихся циферблатов часов. Благодаря длительности процесса распада радия подобное свечение сохраняется без изменений сотни лет.
Свечение, возникающее при трении некоторых веществ, например при раскалывании кусков рафинада,— триболюминесценция — и при раздавливании некоторых кристаллов — кристаллолюминесценция — является результатом возникновения статических электрических полей на трущихся поверхностях или в местах разлома. При разряде статического электричества возникает ультрафиолетовое излучение, которое и есть непосредственная причина люминесценции.
Источником энергии для свечения могут служить разнообразные химические реакции, главным образом реакции окисления. Примерами такого свечения — хемилюминесценции — являются окисление фосфора (изделия из фосфорита длительное время светятся и в темноте), свечение гнилых пней.
Наибольший интерес для нас, конечно, представляет свечение живых организмов — биолюминесценция. Это явление широко распространено среди различных форм живого: есть светящиеся бактерии, жуки-светляки, ракообразные, моллюски, многощетинковые, морские черви, грибы, простейшие, рыбы.
Всего насчитывается 245 светящихся видов животных, в том числе 20 видов простейших, 51 — кишечнополостных, 47 — моллюсков, 19 — кольчатых червей, 40 — членистоногих, 60 — хордовых. Таким образом, светящиеся виды встречаются на всех уровнях организации животного мира, от одноклеточных до рыб. Свечение животные используют для отыскания особей другого пола. Жуки-светляки, приближаясь, сигнализируют на расстоянии в сотни метров вспышками с ритмом в 1 минуту.
Морские черви, обитающие у Багамских островов, всплывают для размножения после заката Солнца, но до восхода полной Луны, и отыскивают друг друга по свечению. Эти огоньки были приняты Колумбом в октябре 1492 г. за огни на берегу. Вспышки живого света— отличное средство защиты, отпугивания врагов. От света уползают даже змеи. И индейцы, привязывая светляков к пальцам ног, успешно используют это свойство живого света. Наконец, освещение весьма полезно при отыскании добычи. Однако у многих видов свечение, очевидно, никак не связано с физиологическими функциями.
Несмотря на различие светящихся организмов и веществ, участвующих в окислении, механизм свечения в большинстве случаев сходен. Восстановленное, богатое водородом органическое соединение — люциферин (от греческого слова «люцифер» — светоносный) — соединяется с кислородом при участии фермента люциферазы.
Люцифераза в 100 раз повышает скорость окисления люциферина и в 100 тыс. раз — выход люминесценции. Люциферин — производное бензотиазола, горючее процесса люминесценции, имеющее такую структуру:
Люцифераза же определяет суть, специфику процесса, делает его биологически значимым.
Однако у медуз свечение возникает без участия ферментов, при контакте особого белка экварина с ионами кальция. Нередко для возникновения живого свечения нужен еще один компонент, кроме люциферина, люцифе-разы и кислорода (свободного или связанного). Это АТФ (аденозинтрифосфат) — основное звено энергетики живого. Достаточно присутствия 10 – 9г АТФ, чтобы в растворе люциферина — люциферазы возникла вспышка свечения. Такой «космический фонарик» может быть использован для обнаружения жизни на других планетах, ведь АТФ — непременная деталь механизма жизни в земном понимании. В процессе быстрого окисления молекулы люциферина приходят в возбужденное состояние и отдают избыточную энергию в виде света с длиной волны 4600—5600 А (сине-зеленая область спектра). Иногда излучение находится в желтой и даже в красной области спектра. Такое свечение — разновидность хемилюминесценции.
До сих пор мы рассматривали только живое свечение в видимой области спектра, да и то настолько интенсивное, что оно улавливается простым глазом. Но если снять оба этих ограничения, то оказывается, что все живые ткани, у всех живых существ, от медузы до человека, являются источником свечения. Оно настолько слабо, что обнаружить его удается только с помощью очень чувствительных электронных приборов. Советский ученый Ю. А. Владимиров дал этому свечению заслуженное название «сверхслабое».
Сверхслабые свечения обнаруживаются и в видимой, и в ультрафиолетовой, и в инфракрасной областях спектpa. Все они, по-видимому, возникают за счет энергии окисления органических соединений. Следовательно, это тоже разновидность хемилюминесценции.
Чтобы отличить сверхслабое свечение от люциферин-люциферазной реакции, его назвали биохемилюминесценцией. Более подробно она рассматривается в следующей главе. Но и по существу химического механизма, и по происхождению сверхслабые свечения и люциферин-люциферазная реакция — это разновидности биолюминесценции — свечения живых тканей.
О происхождении биолюминесценции современная наука выдвигает смелое предположение. В период зарождения жизни на Земле господствовали восстановительные условия. Кислород в атмосфере появился позже благодаря процессу фотосинтеза. Следовательно, первые живые организмы на Земле не только не нуждались в кислороде, они в нем не размножались. (И сейчас немало есть микроорганизмов, живущих в бескислородных условиях; присутствие кислорода в среде, где они живут, останавливает развитие и размножение таких микроорганизмов.)] С появлением зеленых растений в атмосфере начал накапливаться свободный кислород. Из организмов, приспособленных к бескислородным условиям существования, выживали те, которые вырабатывали какие-то способы удаления кислорода из своего тела. Связывание кислорода специально накопленными органическими соединениями, высвечивавшими затем свою избыточную энергию (явление биолюминесценции), способствовало выживанию организмов в новых условиях жизни. Таким образом, четвертая, а по времени возникновения и по универсальности распространения первая функция биолюминесценции — сброс избыточной энергии возбуждения и нейтрализация свободного кислорода. Свечение различных представителей животного мира — это своего рода рудиментарный признак, который лишь на более поздних этапах эволюции нашел новое применение.
Люминесцентный анализ в науке и технике
Использование явления люминесценции дало ценные результаты в разных областях науки и практической деятельности людей. Люминесцентный анализ состава и чистоты веществ, природы примесей и включений широко применяется в химии, биохимии, биологии, медицине, геологии и т. п. По чувствительности, удобству использования и быстроте получения результатов он не имеет себе равных. Люминесцентный анализ позволяет обнаруживать примесь в концентрации 10 – 10г в 1 г вещества, если эта примесь люминесцирует. Но такой способностью обладают практически все органические соединения, особенно с ароматической структурой. Простейший тип анализа позволяет фиксировать неоднородность пробы, присутствие примеси (например, фальсификацию пищевого продукта, смешение разных сортов продуктов, определение границ распространения кожных заболеваний и т, п.). Качественный люминесцентный анализ состоит в сопоставлении полученного спектра свечения (после освещения пробы ультрафиолетовой лампой с отфильтрованным видимым свечением) со спектрами веществ-эталонов и в установлении природы (идентификации) анализируемого вещества. Количественный люминесцентный анализ более сложен, требует учета количества возбуждающего света, учета присутствия тушащих примесей и т. п.
В промышленности люминесцентный анализ применяется для контроля сырья, чистоты конечных продуктов химического синтеза, выплавляемого металла, в производстве полупроводников. В медицине — для определения присутствия канцерогенных веществ (например, 3,4-бенз-пирена) в пищевых продуктах, воздухе, воде. С помощью люминесцирующих красителей (флуорохромов) удается прижизненно наблюдать состояние ядра, хромосом, ядрышка и других деталей в клетках, отличать в ткани живые клетки от погибших. В геологии флуорохромы применяют для обнаружения залегания урановых и вольфрамовых руд, обладающих сильной люминесценцией, для выявления алмазов в породе (люминесцирующих в невидимых рентгеновских лучах), для распознавания следов нефти, битумов и изучения их состава и т. п.
Применение дневных люминесцентных красок дало хорошие результаты при оформлении различных сигнальных знаков (дорожных), витрин магазинов, рекламных объявлений, лобовой части локомотивов, автобусов, фюзеляжей самолетов и т. п. Их необычайная яркость объясняется тем, что они не только отражают часть видимых лучей (подобно обычным красителям), но и превращают в видимый свет часть поглощенных коротковолновых лучей Солнца. Поэтому люминесцентные краски некоторое время светятся в темноте. При использовании ультрафиолетовой подсветки, невидимой глазом, люминесцентные краски дают необычайно яркие и контрастные изображения (костров и пожаров, звезд на черном небе и т. п.), позволяют, меняя освещение, превращать зимний пейзаж в летний и т. п.