Человек излучает свет и явление биолюминесценции

(статья из журнала Наука и Техника, от марта 1969 г.)

Биолюминесценция — Свет, излучаемый живыми тканями. Что это за явление? Каково горючее этого холодного света? Сегодня на эти вопросы уже имеются ответы, хотя и не исчерпывающие. Оказывается, что мы (каждая наша клеточка) тоже излучаем свет.

Одним из наиболее интересных явлений в природе является биолюминесценция — способность живого организма излучать свет. Морская фауна, грибы, бактерии, разлагающаяся рыба, светлячки... Что же объединяет все горящие без огня объекты? Эта загадка природы с давних пор была известна человечеству, но для ее разгадки недостаточно было только лишь наблюдений. Следовало познать химические и физические процессы, протекающие в живых клетках.

Тайна светлячка

Первый важный шаг в исследовании механизма биолюминесценции сделал Р. Дубой. В 1885 году он доказал, что в химической реакции, вызывающей излучение света, участвуют два различных компонента. Выяснилось, что излучение света возникает в результате смешения двух групп веществ, имеющихся в организме, и что оно является результатом совершенно определенной химической реакции. Кроме того, почти во всех случаях эта реакция происходит лишь при наличии третьего компонента — кислорода. Таким образом, происходит окисление, если хотите, — горение.

Окисляемое вещество, иными словами, топливо люминесценции, назвали люциферином, а фермент, обеспечивающий появление люминесценции, — люциферазой. В действительности ни первое, ни второе не являются веществом, а скорее веществами, т. е. люциферинами и люциферазами. Для лучшего понимания введем две метафоры (надеюсь, что светлячки простят нам эту вольность). Назовем люциферин — свечой, а люциферазу — фитилем.

Исследования показали, что люциферин (свеча) является достаточно устойчивым веществом, которое не расщепляется даже при кипячении. Напротив, люцифераза (фитиль) является неустойчивым соединением и расщепляется при нагревании. Такое поведение характерно для сложных ферментов. Изучение люциферина, выделенного из различных организмов, показало, что «свеча» и «фитиль» в каждом случае разные, к тому же их индивидуальные свойства изменяются в больших пределах. Не все еще выяснено, но нет сомнения в том, что различные организмы используют в качестве люциферина химически разные вещества. Так, например, бактерии используют в качестве люциферинов флавинмононуклеотиды, ракообразные — вещества флавинового типа, светлячки — вещество, похожее на рибофлавин. Из чего только живая природа не отливает свои свечи!

Это же можно сказать и о «фитиле». В действительности словом люцифераза называют несколько ферментов, являющихся катализаторами реакций биолюминесценции. Однако у всех «фитилей» имеются общие свойства. Эти ферменты теряют свою активность не только при кипячении, но также и при воздействии на них ультрафиолетовыми лучами, ядами, вызывающими денатурацию белкового вещества, а также при изменении реакции среды (pH). Стало очевидно, что все люциферазы, как бы они ни отличались индивидуально, относятся к высшим органическим соединениям. Об этом свидетельствуют как большой молекулярный вес (около 100 000), так и максимум активности при + 23°С — явление типичное для целого ряда белковых веществ.

При смешивании люциферина или люциферазы, выделенных из раков, с люциферином или люциферазой, полученными из организмов какой-либо другой группы, свечение не наблюдается.

Таким образом, у каждого организма есть своя «свеча», которая горит только с одним «фитилем». Хотя люциферин и без «фитиля» окисляется быстро (непосредственно при наличии воздуха), однако окисление такого рода свечения не вызывает.

Когда была выяснена связь между биолюминесценцией и окислением, создалось впечатление, что способность организма к люминесценции связана с дыханием клеток. Однако результаты, полученные в экспериментах, свидетельствуют о том, что непосредственной связи здесь нет, так как люцифераза («фитиль») оказалась нечувствительной к цианиду — яду, который нарушает дыхание. В то же время уре-тан, оказывающий слабое влияние на дыхание, уменьшает активность люциферазы и «гасит» люминесценцию. До сих пор не удалось связать ни лю-циферин, ни люцифе-разу с какой-либо другой функцией организма за исключением люминесценции. Неужели действительно это явление находится в противоречии с гармонией и целесообразностью, которые царят в природе?

Интересную гипотезу о возникновении люминесценции выдвинули В. Макелройи Г. Селиджер. Их внимание привлекло то обстоятельство, что люми-несцируют главным образом простейшие организмы — бактерии, грибы, беспозвоночные и ракообразные, то есть большей частью те организмы, которые живут в воде в относительно анаэробных условиях. Авторы гипотезы считают, что во время появления первых форм жизни на Земле существовали анаэробные условия (отсутствие кислорода). Организмы, деятельность которых была приспособлена к бескислородным условиям, восприняли более позднее появление

кислорода как токсический фактор и, таким образом, появилась необходимость химически связать кислород, по крайней мере в организме. Поэтому в результате естественного отбора выживали только те формы организмов, у которых появились специфические окислители — ферменты, обеспечивающие быстрое использование кислорода. Люцифераза действует именно по этому принципу — она ускоряет соединение кислорода в реакциях химической люминесценции. В ходе дальнейшей эволюции живая природа приспособилась к кислородной среде, поэтому биолюминесценция потеряла свою необходимость в качестве защитной реакции и сохранилась только лишь как рудиментарное явление. Однако некоторые виды используют эту особенность организма: одни для освещения, другие для сигнализации, третьи для защиты.

Светится все, что живет

Но если в основе биолюминесценции лежат химические реакции, возникает вопрос, почему светятся не все организмы, — ведь химические реакции, как известно, происходят в каждой клетке. Мысль о том, что, наряду со специализированным излучением — биолюминисценцней, в биологических системах существует слабое излучение, универсальное по своей природе и характерное для всех клеток организма, была высказана уже давно. В 30-х годах В. Леиеш-кин заявил, что ему удалось открыть очень слабые излучения в ультрафиолетовой части спектра, которые можно зафиксировать, применяя специальные фотопластинки. Поскольку это излучение возникает при отмирании клеток, его назвали некробиотическими лучами. Дальнейшие исследования не нашли широкого отклика и прекратились.

Несколько позднее А. Гурвич сообщил об универсальном излучении, которое производят клетки растений и животных.

В 1954 году группа итальянских физиков построила особо чувствительное устройство с охлаждаемым фотокатодом. Оно дало возможность наблюдать слабое излучение в видимой части спектра, производимое большим количеством корневых окончаний, то есть участками, в которых происходит интенсивный рост. Со временем стали известны поразительные факты: практически любые живые ткани излучают слабый свет в видимой части спектра.

В явлении, которое теперь называют сверхслабым свечением, поток света чрезвычайно незначителен. Электроток, который возбуждается на фотоэлементе световым излучением тканей,    настолько слаб, что его нельзя измерить гальванометром. Для того, чтобы зарегистрировать это излучение, первичный фототок усиливают фотоэлектронным усилителем в миллион раз. Что нового вносит открытие слабого излучения в исследование жизненных процессов? Если до сих пор, исследуя клеточные явления, приходилось проникать внутрь объектов, что, разумеется, не оставалось без последствий, то теперь открылись широкие возможности исследовать живые нормально функционирующие клетки. Сама природа помогает науке. Человеку следует только научиться воспринимать сигналы, анализировать и правильно оценивать. Совершенствуя фотоэлектрический метод наблюдения, удалось выяснить, что свечение вызывается несколькими реакциями. Главная роль при температурах ниже 25°С принадлежит ферментным реакциям, а при 30°С и выше — реакциям с окислением липидов. Экспериментально выяснено, что белковые ! вещества не участвуют в свечении, углеводороды светятся очень слабо, а липиды являются основным источником слабого свечения. Очевидно, дальнейшие исследования будут непосредственно связаны с определением роли липидов в слабой биолюминесценции.