БІОЛЮМІНЕСЦЕНЦІЯ

БІОЛЮМІНЕСЦЕНЦІЯ, видиме свічення деяких живих організмів. Біолюмінесценція - результат біохімічної реакції, в якій хімічна енергія збуджує специфічну молекулу і випромінює світло.

Походження.

Особливістю біолюмінесцентних систем є те, що вони не закріплювалися у філогенезі (тобто еволюційно). Більшість їх виникло в різних тварин незалежно, і тому вони сильно різняться як з біологічної, і з хімічної погляду. Таким чином, на противагу багатьом структурним білкам і ферментам (таким, як гістони, цитохроми або м'язові білки), подібним у філогенетично далеких форм, субстрати та ферменти біолюмінесцентних систем у різних тварин, здатних до світловипромінювання, зовсім різні.

Відомо принаймні 30 випадків виникнення біолюмінесценції у процесі еволюції. І хоча кожна з біолюмінесцентних систем формувалася самостійно, є приклади подібності між ними. Деякі з таких прикладів можуть пояснюватися спільністю факторів харчування, інші – латеральним перенесенням генів або конвергенцією (збігом) незалежно розвинених ознак.

Фізика та хімія.

Деякі фізичні та хімічні особливості є спільними для всіх біолюмінесцентних реакцій. Випромінене світло не залежить від світла або іншої енергії, що безпосередньо поглинається організмом. Він також не пов'язаний із термічним збудженням при високій температурі.

Біолюмінесценція - це хемілюмінесцентна реакція, в якій хімічна енергія перетворюється на світлову. У результаті реакції субстрат (люциферин) окислюється під впливом ферменту (люциферази).Люциферини та люциферази у різних організмів хімічно різняться, проте всі хемілюмінесцентні реакції вимагають молекулярного кисню та протікають з утворенням проміжних комплексів – органічних пероксидних сполук. Під час розпаду цих комплексів вивільняється енергія, що збуджує молекули речовини, відповідальної за світловипромінювання.

Від енергії світлового кванта (фотона) залежить частота світла, що випускається (тобто його колір). Оскільки люциферини у тварин різні, світло, що випромінюється, варіює від синього (у морських водоростей динофлагеллат) до зеленого (у медузи), жовтого (у світляків) і червоного (у личинки південно-американського жука). Phrixothrix). Відповідні цим кольорам енергії фотонів складають від 70 (для блакитного світла) до 40 (для червоного) кілокалорій (ккал) на 1 ейнштейн (610 23 фотонів). Така енергія, що вивільняється одноактно, значно перевищує енергію більшості біохімічних реакцій, зокрема розпад високоенергетичної молекули аденозинтрифосфату (АТФ, 7 ккал).

Організми, світловипромінювання та біохімія.

Люмінесценція зустрічається у еволюційно різнорідних груп організмів, у тому числі у деяких бактерій, грибів, водоростей, кишковопорожнинних, черв'яків, молюсків, комах і навіть риб, але не спостерігається у більш високоорганізованих тварин. Прояв та регуляторні механізми люмінесценції у цих організмів відрізняються, як різні за характером і фотофори (структури) та фотоцити (клітинні типи), відповідальні за ці процеси. Існує 30 типів біолюмінесцентних систем, їх детально вивчені менше десяти. П'ять таких типів описано нижче.

Бактерії.

Люмінесцентні бактерії живуть у морській воді і рідше – на суші. Їх легко виростити у чашках із агаром.Такі бактерії бувають також симбіонтами деяких морських риб та кальмарів, що живуть у спеціальних світлових органах. Часто вони існують як кишкові бактерії у багатьох морських видів, іноді як паразити у ракоподібних, як сапрофіти – на останках тварин. Бактерії світяться блакитним світлом, що випускається молекулою флавіну. (Окислення альдегіду та відновлення молекули рибофлавінфосфату супроводжуються збудженням флавіну.) Там, де бактерії існують як симбіонти, свічення може регулюватися господарем. також СІМБІОЗ.

Динофлагеллати.

Динофлагеллати – одноклітинні водорості, зі свіченням яких пов'язані, наприклад, фосфоресценція океану та знамениті фосфоресційні пляжі Карибського узбережжя. Динофлагеллати «спалахують» з появою брижів на воді, наприклад від човна. Світло виходить із органел (сцинтилонів) – спеціалізованих структур у цитоплазмі. Органели «вклинюються» в кислотну вакуоль і починають світитися при зміні pH у момент збудження. Присутній у них люциферин є тетрапірролом, подібним до хлорофілу; при каталізі люциферазою він реагує з киснем, випромінюючи блакитне свічення. також КАТАЛІЗ; КЛІТИНА; ЦИТОЛОГІЯ.

Ракоподібні.

Люмінесценція може бути позаклітинною. Ракоподібні Vargula, що у водах Японії, – типовий приклад світіння такого типу. Ці тварини виділяють окремо (з різних залоз) люциферин та люциферазу, і у воді в результаті їх взаємодії виникає люмінесценція. Під час Другої світової війни японці використовували сухі рачки як слабкі джерела світла на позиціях.Роздавлюючи кількох таких рачків у руці і змочуючи їх слиною, вони отримували свічення, достатнє читання карт і донесень, але непомітне противника. Висушені рачки застосовувалися також для одержання люциферази та люциферину в очищеному вигляді.

Кишковопорожнинні.

Багато медузи, такі, як Aequoreaсвітяться зеленими спалахами. У цьому випадку стимулятором є іон Ca++, що реагує з люциферин-люциферазним пероксидним комплексом. Цей комплекс (фотобілок), відомий як екворин, може бути виділений та очищений у безкальцієвому середовищі. Екворин використовується для аналізу змін внутрішньоклітинної концентрації Ca++, наприклад, при заплідненні яйцеклітини або скорочення м'язових клітин. Люциферин у Aequorea подібний до люциферину у Vargula.

Світляки.

Світляки випромінюють переважно жовте світло. Вони живуть на багатьох континентах, і їх свічення часто можна спостерігати на великих просторах полів і лісів у Північній Америці; з ним пов'язані й ефектні синхронні світлові спалахи, відомі у Південно-Східній Азії. Світіння запускається нервовим імпульсом, проте природа речовини, що запускає процес, поки невідома; вважають, що він може бути кисень. Люциферин у світляків – бензотіазол. Світловипромінювання виникає при розпаді циклічного пероксиду, синтез якого вимагає АТФ, люциферину та кисню.

Використання люмінесценції тварин.

Функціональна роль біолюмінесценції може бути різною, але в більшості випадків вона пов'язана з такими аспектами поведінки, як напад, захист та комунікація. Використання для комунікації властиве світлякам, у яких видоспецифічні спалахи є сигналами при залицянні та спарюванні. Vargula використовує люмінесценцію для відволікання та відлякування хижака.Подібним чином веде себе і глибоководний восьминіг. Часті короткі спалахи можуть, мабуть, відлякувати ворогів, тоді як тривале та постійне свічення – залучати видобуток. Глибоководна риба морський чорт має для цієї останньої мети складний пристрій: над його головою, як на риболовецькій вудці, підвішений спеціальний орган, який світиться постійно, погойдуючись перед ротом. Ймовірно, найменша приманка - це невеликий фотофор, що є в роті риби Neosopelus.

Практичне використання люмінесценції.

Хемілюмінесцентні системи (наприклад, палички, що світяться) іноді використовуються як джерела світла. Біолюмінесцентні системи широко застосовуються для аналітичних цілей, в основному в клінічній медицині та контролі за якістю харчових продуктів, а також у наукових дослідженнях (вимір у клітині концентрації Ca++ та АТФ). також БАКТЕРІЇ.