Биолюминесценция

Биохемилюминесценцию можно подразделить на биолюминесценцию и на сверхслабое свечение живых тканей.

Биолюминесценция представляет собой свечение в видимой области оптического спектра, свойственное некоторым живым организмам, испускаемое обычно специализированными органами. Этому виду люминесценции характерна высокая эффективность превращения химической энергии в световую. Механизм биолюминесценции очень сложен и изучен еще недостаточно. Ясно, однако, что он определяется реакциями окисления. Связь биолюминесценции с окислением была показана еще Р. Бойлем в XVIII в., поместившим кусок светящегося гнилого пня под колпак воздушного насоса. При откачивании воздуха свечение прекращалось, но возобновлялось после впускания под колпак воздуха.

В организмах многих живых существ происходит ферментативное окисление богатых водородом органических соединений люцифериноз (греч. люцифер – светоносный). Ферменты, катализирующие окисление, называются люциферазами. Скорость окисления и свечение отдельно взятого люциферина невелики, но под действием люциферазы интенсивность люминесценции повышается в некоторых случаях до 10 000 раз. Иногда для возникновения биолюминесценции необходимо присутствие еще одного компонента, а именно молекул АТФ. Достаточно 10^–9 г этого вещества в растворе люциферина с люциферазой, чтобы возникла вспышка свечения. В некоторых случаях, однако, возможно свечение и без участия ферментов. Например, у медузы свечение возникает при контакте особого белка экварина с ионами кальция.

Биолюминесценция присуща самым разнообразным видам живых существ – бактериям, насекомым, рыбам, моллюскам. Всего насчитывают около 250 видов живых организмов, в той или иной степени создающих свечение. Некоторые из них используют свечение для приманивания жертв на охоте (глубоководные рыбы), другие для отпугивания хищников (светляки, глубоководные креветки). Свечение бывает иногда весьма интенсивным; у некоторых светляков в начале вспышки сила света от одного насекомого достигает 0,02 кд. Известен случай, когда во время войны в Южной Америке в конце прошлого столетия хирурги оперировали в полевых условиях по ночам при свете банок, наполненных тропическими светляками. Однако у многих животных свечение, видимо, не связано с какими-либо полезными для них функциями. Во всяком случае, мы о них пока что не знаем. Таково, например, свечение кольчатых червей, мелких ракообразных и светящихся бактерий, скопления которых в огромных количествах вызывают «свечение моря».

Сверхслабое свечение (ССС) растительных и животных тканей представляет собой свечение чрезвычайно низкой интенсивности (10–100 фотонов на 1 см² поверхности ткани), которое можно регистрировать лишь фотоэлектронными умножителями (ФЭУ), имеющими коэффициент усиления 10⁵–10⁹. Существование этого свечения было доказано в 1959 г. Ю.А.Владимировым и в дальнейшем исследовано Б. Н. Тарусовым, А. И. Журавлевым и др. Максимумы его интенсивности приходятся на видимый и инфракрасный участки спектра (от 360 до 800 нм). ССС, в отличие от биолюминесценции, обусловлена неферментативными процессами и сопровождает цепную реакцию окисления липидных структур клетки с образованием перекисных радикалов. Эта реакция могла бы нарастать лавинообразно, однако в таком случае все клеточные липиды рано или поздно были бы уничтожены. Поэтому в состав всех жиров живых тканей входят антиокислители (токоферол и др.), которые нейтрализуют возникающие при окислении липидов радикалы и постоянно удерживают процессы окисления, а значит, и количество испускаемого при этом света на стабильном уровне.

Само по себе ССС не оказывает прямого влияния на скорость клеточного деления, но поскольку интенсивность свечения связана с процессами, происходящими в клеточных мембранах,. и с образованием свободных радикалов, оказывающих существенное влияние на все системы и структуры клетки и, следовательно, на скорость клеточного деления, то интенсивность ССС дает дополнительную информацию о первичных физико-химических явлениях в живом организме на клеточном уровне, что особенно важно для диагностики ряда заболеваний. Как было показано А. И. Журавлевым и др. в 1975 г., ССС может быть использовано в диагностических целях, так как интенсивность свечения сыворотки крови изменяется при злокачественных новообразованиях, отравлениях, воспалительных процессах. Например, в начальной стадии роста злокачественной опухоли в ней увеличивается концентрация антиокислителей, которые приносят кровь из других тканей. Повышение концентрации антиокислителей, видимо, приводит к снижению интенсивности свечения сыворотки крови. Напротив, при распаде опухоли концентрация антиокислителей в сыворотке уменьшается и интенсивность свечения возрастает.

Таким образом, сверхслабое свечение, т.е. метаболическая люминесценция, представляет собой характерный признак живого организма. Что касается ферментативной биолюминесценции, то она присуща лишь некоторым представителям животного мира и ее физиологическая роль во многих случаях неясна. Существует предположение, что она возникла на ранней стадии развития жизни на Земле. Первые живые существа на земной суше были, очевидно, анаэробными, так как первичная атмосфера нашей планеты не содержала кислорода, который появился позднее в результате деятельности зеленых растений. По мере накопления кислорода в атмосфере из живших тогда существ выживали лишь те, которые вырабатывали какие-то способы удаления кислорода из своего организма, а это было возможно, например, путем связывания кислорода вырабатываемыми для этой цели органическими соединениями, отдававшими избыточную энергию в виде света. Таким образом, можно предположить, что биолюминесценция есть рудиментарное явление, которое потеряло в наше время биологическое значение и лишь у некоторых живых существ нашло новое применение (для охоты, маскировки и пр.).