Продуцирование клетками света и тепла

Живые клетки являются высокоэффективными саморегулирующимися системами, способными превращать химическую энергию во многие виды энергии — механическую, осмотическую, электрическую, световую, химическую. Часть энергии при этом рассеивается в виде тепла и света. В некоторых случаях данное явление стало биологически полезным свойством и поэтому получило дальнейшее развитие; появились клетки, которые способны в значительных количествах продуцировать свет или тепло.

Люминесценция клеток

Живые клетки обладают люминесценцией, т. е. излучают фотоны в видимой и ультрафиолетовой областях спектра. Обычно это свечение очень слабое, регистрируют его с помощью высокочувствительных фотоэлектронных приборов и называют темновой хемилюминесценцией. Она является следствием химических реакций, протекающих в живых клетках. Всякая экзотермическая реакция может привести к люминесценции так же, как и к выделению тепла. Основная часть свечения в видимой области спектра обусловлена, вероятно, окислением липидов. Свечение липидов занимает широкую спектральную область от синей до инфракрасной полосы.

Темновая хемилюминесценция наблюдается на самых разнообразных тканях — растущих корешках злаковых, стеблях и семенах, печени, мышцах, головном мозге, на гомогенатах растительных и животных тканей. Наиболее интенсивно светятся ткани, богатые жирами. Интенсивность свечения зависит от температуры, pH среды, от концентрации кислорода и от функционального состояния клеток. По интенсивности хемилюминесценции можно судить о состоянии клетки. При возбуждении клеток люминесценция усиливается.

У некоторых организмов свечение выражено в большой степени и может быть обнаружено без всяких приборов — в этом случае его называют биолюминесценцией или функциональной хемилюминесценцией. Встречается она среди различных групп организмов, но преимущественно среди морских. В настоящее время известно более 800 светящихся видов, среди них — бактерии, водоросли, грибы, простейшие, кишечнополостные, моллюски, кольчатые черви, некоторые виды медуз, гребневиков, полипов, ракообразные, из позвоночных — рыбы (более 200 видов). Особенно широко распространены светящиеся формы среди глубоководных организмов. Скопление огромного количества светящихся простейших вызывает свечение моря. Из наземных форм хорошо известны насекомые — светляки и их личинки; в тропических странах встречаются светящиеся мухи, жуки и черви. Вспышка люминесценции у светляка соответствует примерно 0,02—0,0025 кд, а устойчивое слабое свечение всего 0,00002 кд. Удалось зарегистрировать свечение одиночной бактерии, оно оказалось импульсным. В каждом импульсе излучается несколько десятков квантов.

Цвет биолюминесценции варьирует от синего до красного у разных организмов и в различных органах одного и того же организма. В таблице 21 приведены спектральные характеристики биолюминесценции некоторых животных.

Биолюминесценция связана с существованием специальных светящихся клеток — фотоцитов, вырабатывающих специфические вещества, участвующие в фотогенных реакциях.

Биолюминесценция может быть внутриклеточной (фотогенная реакция протекает внутри клетки) и внеклеточной (фотогенная реакция протекает в наружной среде). В последнем случае светящиеся органы, представляющие собой одноклеточные или многоклеточные железы, выводят свой секрет наружу. Так, у глубоководной креветки и у кальмара люминесцирующее вещество в случае опасности с силой выбрасывается наружу и образуется светящееся облако («осветительные ракеты»), благодаря которому животное легко скрывается от преследователей. При внутриклеточной люминесценции у высших животных часто развиваются специализированные органы свечения, состоящие не только из фотоцитов, но и из слоя отражающих клеток, слоя пигментных клеток и фокусирующего линзоподобного тельца (рис. 65). Внешне эти органы очень сходны с фоторецепторами. У простейших люминесцирующие гранулы равномерно рассеяны в наружном слое цитоплазмы.

Рис. 65. Схема строения светящихся органов: I — головоногого моллюска; II — глубоководной креветки; III — люминесцирующая зона эпидермиса полихеты; 1 — слой светящихся клеток фотоцитов; г — слой серебристых клеток, отражающих свет; а — слой пигментных клеток, защищающих от излучения внутренние органы; 4 — хрусталик; 5 — рефлектор; 6 — слизистые клетки; 7 — кутикула; в — разрядившиеся фотоциты

Раздражение организмов вызывает усиление свечения, вспышку люминесценции. В этой рефлекторной реакции могут участвовать и гормональные механизмы. У некоторых животных наблюдается четкая суточная ритмичность изменений интенсивности свечения.

Биолюминесценция — холодное свечение — осуществляется специальными молекулами, способными с большим совершенством преобразовывать химическую энергию в свет. Такой молекулой-излучателем является специфический фермент — люцифераза, с ее помощью происходит реакция окисления субстрата — люциферина — кислородом воздуха. Эта реакция ферментативного окисления и поставляет энергию для свечения. Люциферин и люцифераза выделены из светящихся организмов, и реакция биолюминесценции воспроизведена в пробирке. У разных организмов эти вещества оказались различными. Поэтому понятие «люциферин» относится не к определенному химическому веществу, а скорее к классу веществ, химически в некоторой степени отличающихся друг от друга. Под люциферазой также понимают группу ферментов, катализирующих биолюминесцентные реакции. У насекомых, светляков, в этой ферментативной реакции принимают участие АТФ и ионы магния. Поэтому интенсивность свечения линейно зависит от концентрации АТФ и прекращается в отсутствие кислорода. Видовая специфичность свечения, обнаруженная у насекомых-светляков и проявляющаяся в различии спектров испускания, в различной длительности латентного периода и вспышки, обусловлена видовой специфичностью люциферазы.

Реакции биолюминесценции могут быть разными по сложности, и путь от окисления до высвечивания может состоять из нескольких этапов. Самая простая реакция — это окисление субстрата в присутствии фермента люциферазы. У некоторых организмов для протекания такой реакции требуются АТФ, пиридин, флавин, аденин — нуклеотиды, перекиси и альдегиды. Но, несмотря на то что реакция может осуществляться разными путями, квант света всегда излучается энзим-субстратным комплексом.

Роль биолюминесценции не всегда ясна. Возможно, что она возникла как побочный процесс окислительных реакций клетки, а затем в процессе эволюции у ряда видов биолюминесценция стала биологически полезным свойством. Так, светляк использует световые вспышки для сигнализаций, для отыскания особей другого пола. У глубоководных организмов биолюминесценция служит для ориентации и защиты от врагов, для добывания пищи. У глубоководной рыбы-удильщика имеется своеобразная приманка в виде удочки со светящимся червячком; он качается перед ее пастью и привлекает внимание маленьких рыбок, которые и становятся жертвой рыбы-удильщика.

Имеются также предположения, что биолюминесценция используется как предохранительный клапан, с помощью которого выпускается лишняя энергия.

Предыдущая | Оглавление | Следующая