біолюмінесценція
цікаві факти з хімії (10, 11 клас)

здатність живих організмів світитися, що досягається самостійно або за допомогою симбіонтів.

Завантажити:

Попередній перегляд:

Підписи до слайдів:

БІОЛЮМІНЕСЦЕНЦІЯ Напевно багато хто з нас бачив світлячків. Ці комахи відомі вже не перше століття. З винаходом підводних човнів та батискафів людство отримало можливість зазирнути у підводний світ і виявилося, що там "світлячків" ще більше, ніж на суші. Хто світиться і чому?

Біолюмінесценція - здатність живих організмів світитися, що досягається самостійно або за допомогою симбіонтів. Назва походить від др.-грец. βίος, «життя» та лат. lumen - "світло". Світло створюється у більш високорозвинених організмів у спеціальних органах, що світяться (наприклад, у фотофорах риб), у одноклітинних еукаріотів — в особливих органоїдах, а у бактерій — у цитоплазмі. Біолюмінесценція ґрунтується на хімічних процесах, при яких енергія, що звільняється, виділяється у формі світла

Історії вивчення живих істот, що світяться в темряві, вже більше трьох сотень років. І це лише власне науковий підхід, а не спостереження за чудесами живої природи. Перші свідчення про загадкове свічення, зокрема морських вод, належать ще Аристотелю і Плінію Старшому. Аж до кінця 19 століття і навіть на початку двадцятого століття в суднових журналах зустрічаються записи моряків про чарівне світіння морської води, особливо на південних широтах. Не залишали поза увагою це явище і мандрівники, серед яких були й вчені-натуралісти, наприклад, Чарльз Дарвін у своїй відомій «Подорожі на кораблі Бігль».Перший досвід вивчення явища біолюмінесценції було зроблено у 1668 році. Роберт Бойль вивчав процеси горіння і виявив схожість між горінням звичайного кам'яного вугілля і свіченням гниляків: за відсутності кисню свічення в обох випадках зникає.

Першим, хто зайнявся ґрунтовним вивченням механізмів органічного світіння, став Рафаель Дюбуа. Він у 1887 році поставив серію дослідів з екстрактами з жуків Pyrophorus , що світяться . Головним результатом виконаної ним роботи за світіння були відповідальні дві фракції: низькомолекулярна (була названа люциферином) і білкова (люцифераза), що по-різному реагують на зміну температурного режиму. Вогненосний луг (лат. Pyrophorus) У 20-ті роки минулого століття Едмунд Ньютон Харві з Прінстонського університету розпочав роботи з вивчення біолюмінесценції ракоподібних. Він зумів виявити та докладно описати особливості люцеферину та люцеферази молюсків та ракоподібних. Харві показав (1920) відмінність люциферазних субстрат-ферментних систем різних таксонів: люциферин молюсків Pholas не світився під дією люциферази ракоподібних Cypridina і навпаки, люцифераза Pholas була неактивна по відношенню до люциферину Cypridina.

Хімічні механізми біолюмінесценції Хемілюмінесценція виникає при багатьох хімічних реакціях - наприклад, при рекомбінації вільних радикалів або в реакціях окислення (при вільнорадикальному окисленні парів білого фосфору в газовій фазі, окисленні люмінолу в полярних органічних розчинниках).У цьому випадку, як і в реакціях біолюмінесценції, енергія, що виділяється, не розсіюється у вигляді тепла, як це відбувається в ході більшості екзотермічних хімічних реакцій, а витрачається на утворення одного з продуктів реакції у збудженому електронному стані. Для випромінювання світла в ході хемілюмінесцентної реакції необхідно виконання як мінімум двох умов: по-перше, енергія, що виділяється в ході реакції, повинна перевищувати ~41-71,5 ккал/моль і, по-друге, різниця енергій основного та збудженого стану продукту реакції має бути нижче ентальпії хімічної реакції.

При дотриманні цих умов можливе утворення з досить високим виходом окисленої форми люциферину у збудженому стані та подальший перехід в основний стан з випромінюванням фотона видимого спектрального діапазону. Відношення числа випромінюваних фотонів до загальної кількості елементарних актів реакції називається квантовим виходом реакції, квантові виходи біолюмінесценції, на відміну від більшості хемілюмінесцентних реакцій, дуже високі і досягають значень 0,1-1. Такі квантові виходи для реакцій, що протікають у водних розчинах при нейтральних значеннях pH, незвичайні для хемілюмінесцентних процесів і зумовлені специфічною ферментативною природою окисних реакцій біолюмінесценції, що каталізуються люциферазними комплексами.

Екологія ДОВІДНИК

Біолюмінесценція обумовлена ​​перебігом хімічних реакцій, у продуктах яких утворюються збуджені молекули, які потім збуджуються і народжують кванти світла. Хімічні реакції (хемілюмінесценція), що лежать в основі перебігу цих процесів, добре відомі і можуть бути відтворені в лабораторних умовах. ]

Біолюмінесценція (біологічне свічення) - здатність організмів до свічення внаслідок внутрішніх хімічних реакцій. Це в основному окислення складних органічних сполук (люциферинів) за допомогою білкових каталізаторів (люцифераз), причому лише 1% енергії, витраченої на вироблення світла, втрачається у вигляді тепла. Більшість тварин, що світяться, виробляють світло в спеціальних органах (фотофорах), які складаються з маси клітин, здатних генерувати випромінювання. Цією властивістю мають бактерії, деякі гриби і найпростіші, молюски, комахи, ракоподібні, глибоководні риби та ін. Біологічна різноманітність світіння пов'язана з поведінковими функціями організмів: для орієнтації в зграї, залучення особин іншого поля, приманювання жертв, для маскування або відволікання та ін. [ . ]

Біолюмінесценція – досить енергоємний процес; припускають, що він виник уперше на стадії переходу від анаеробних форм життя до аеробних. ]

Особливо біолюмінесценція поширена серед морських організмів. Так, у Світовому океані відомо більше 800 видів організмів, що світяться, у тому числі понад 200 видів молюсків, близько 60 видів найпростіших, 100 видів кишкових, близько 50 видів черв'яків, близько 300 видів риб і понад 150 видів ракоподібних. Інтерес представляє глибоководна риба-вудильник, яка забезпечена "вудилищем", "ліскою" і "приманкою", що світиться. На кінці "вудочки" знаходиться орган, що виробляє світло, який при необхідності може вмикатися або вимикатися. На цю приманку в суцільній темряві залучаються цікаві жертви, потім вудилище підтягується, і приманка разом із жертвою виявляється біля самої пащі.Але зустрічається ще один вид риби-вудильника, органи якого світяться в ротовій порожнині, що дозволяє заманювати дрібних рибок прямо в яскраво освітлену пащу. Багато глибоководних риб-вудильників можуть випускати у воду в момент небезпеки хмара вогників, що світяться, що дозволяє їм, вимкнувши свої вогні, врятуватися втечею. ]

Властивості та характеристики випромінювання при біолюмінесценції та хе-мілюмінесценції ніяк не пов'язані з колірною температурою об'єктів. Відповідні реакції генерують випромінювання у видимій ділянці при кімнатній температурі. Отже, справжня температура випромінюючої системи дорівнює приблизно 20 С (300 К), тоді як колірна температура, відповідно до рівняння (4.60), дорівнює 5000 К. Висловлювалися припущення, що видиме світло від кульової блискавки обумовлено перебігом певних хемілюмінесцентних реакцій, подібних відповідальні за випромінювання світлячків. . ]

Більшість проаналізованих проб пригнічували інтенсивність біолюмінесценції, і лише мала кількість – стимулювало. Приблизно 80% екстрактів побутового пилу від загальної кількості проаналізованих проб пригнічували біолюмінесценцію обох біосенсорів. Деякі зразки стимулювали інтенсивність світіння одного виду бактерій та пригнічували біолюмінесценцію іншого виду. У деяких випадках один із біосенсорів не показував токсичності в аналізованій пробі, а інший показував. Такий пил ми вважали токсичним. За допомогою модифікованого штаму Е. coli виявлено більше токсичних проб, ніж при використанні бактерій Ph, що світяться. phosphoreum. ]

Ще краще вивчена добова ритміка у тварин: цикли поділу, кон'югації, біолюмінесценції у найпростіших, час спарювання, відкладання яєць, вилуплення з лялечок у комах, ритмічна діяльність залоз у хребетних та багато іншого. У ряді випадків зафіксовано точні параметри таких циклів та їх складових. Так, добові кругові рухи кучерявих стебел Phaseolus vulgaris складаються з трьох параметрів (швидкість руху, його вертикальна і горизонтальна складові), що виявляють ультрадіанні ритми з періодом 80-110 хв (В. Millet, W. Koukkari, 1990). Експерименти з мадрепоровими коралами Acropora acuminata показали, що мічений вуглець включається в тканини тільки в денний час з максимумом післяполудні години; інтенсивність видимої кальцифікації максимальна опівдні і мінімальна опівночі (D. Barnes, G. Grassland, 1978). Досліди зі слимаками LaevicauUs alta виявили чітку періодичність рівня фосфорилазної активності з максимумом 0 год і мінімумом 12 год. Рівень глікогену цього виду показав зворотний тип динаміки: максимум —в 8 год і мінімум ——в 20 год. Для самців низки видів метеликів встановлено, що вони реагують на феромон самки лише вдень.[ . ]

Усі зразки пилу житлових приміщень виявляли токсичність. Найсильніше інгібувала біолюмінесценцію бактерій пил, зібраний з вентиляційних шахт житлових приміщень. Величина інгібування була більшою у зразках верхніх поверхів, ніж у пробах нижніх. Це пов'язано з тим, що у верхній частині будівлі йде накопичення дрібнодисперсного пилу, що утворюється внаслідок життєдіяльності людини (Гічов, 2003). ]

Сучасні методи люмінесцентного аналізу дозволяють визначати найменші зміни інтенсивності біолюмінесценції не тільки у фотобактерій, а й у багатьох інших біологічних об'єктів, що дозволило розробити комплекс високочутливих біотестів на присутність токсичних речовин [5, 6]. ]

За хмарної погоди бджоли орієнтуються на поляризоване світло вільної ділянки піднебіння. Площина поляризації світла залежить від положення Сонця. Певне сигнальне значення у житті тварин має біолюмінесценція, чи здатність тварин організмів світитися внаслідок окислення складних органічних сполук (лю-циферинів) з участю білкових каталізаторів (люцифераз), зазвичай, у відповідь роздратування, що надходять із довкілля (рис. 4.11) .[ . ]

Біосенсор "Еколюм", що використовується в тестуванні, є бактеріями, у яких метаболічні процеси супроводжуються світінням у видимій частині спектру. Дія токсичних сполук різної природи відбивається зміні світіння бактерій. Інтенсивність біолюмінесценції 1сг реєструється приладом "Біотокс-6". Критерієм оцінки є індекс токсичності Т, який у нормі не перевищує величини 20% відхилення від контролю і не допускає стимуляції світіння (негативною величиною, що виражається нижче -10%). ]

Уявлення про репрезентативність розрахованої колірної температури як істинної температури кульової блискавки правомірно аж ніяк не в жодному разі. У природі відомо кілька прикладів випромінювання світла без встановлення теплової рівноваги. Часто спостерігається і добре вивченим прикладом такого роду є біолюмінесценція, тобто випромінювання світла живими організмами.Здатністю випромінювати світло мають деякі види бактерій, грибків, найпростіших одноклітинних, риб та комах. Можливо, найчастіше зустрічається чи принаймні найвідомішим об'єктом подібного роду є светлячок.[ . ]

При цьому ЦЕЧ в ЩГК може змінювати свій стан внаслідок електромагнітного, температурного або комплексного впливу, що супроводжується люмінесценцією в ближньому УФ-, видимому та ІЧ-діапазонах спектра. З іншого боку, після таких же впливів структурні порушення в онковірусах до біологічних макромолекулах, змінюючи свій стан, породжують біолюмінесценцію в тих же спектральних діапазонах, що люмінесценція в ЩГК. ]

Значне забруднення атмосфери, води і грунту пестицидами, що містять хлор, стимулювало розвиток ефективних методів контролю за вмістом їх у повітрі. Детальний огляд, що містить систематичні відомості про небезпеку пестицидів для людини, їх токсичність, гранично допустимі концентрації в повітрі, методи відбору і техніки відбору проб аерозолів і пар цих сполук, методи зберігання та підготовки проб до аналізу, а також різні методи біологічного та фізико-хімічного. аналізу пестицидів (біолюмінесценція, ІЧ-спектро-скопія, газова хроматографія та ін) наведено в роботах [316, 366, 367], а методи газохроматографічного визначення пестицидів розглянуті в роботі [368]. ]

Наприкінці діб велика кількість фітопланктону рідко повертається до початкового, що спостерігалося також в умовах стратифікованого Сіверського озера (Маркевич та ін, 1982). З трьох випадків, що розглядаються для водосховищ, в одному відзначений тренд до наростання хлорофілу, в іншому - до зниження, а в третьому - відсутності будь-яких змін.Ймовірно, кожна ситуація залежить від фази сезонної сукцесії співтовариства. Добові флуктуації активності фітопланктону пов'язані зі змінами швидкостей фотосинтезу та клітинного поділу, поживних потреб, плавучості, біолюмінесценції тощо. Величезна кількість водоростей протягом доби регулюється ритмікою їх розмноження (Елізарова, 1982), ритмікою харчування зоопланктону (Крючкова, 1989), міграціями рухливих форм і перенесенням із струмами води “пасивних”. Репродукція фітопланктону відбувається в основному у вечірні чи нічні години, а споживання фітофагами – у нічний час (Maulood et al., 1978). Добовий період, порівнянний зі швидкостями зростання водоростей, сприймається як екологічний масштаб, у якого реалізуються механізми фізіологічної адаптації, дозволяють оптимізувати питому фотосинтетичну продуктивність (Reynolds, 1990). У відповідь на зміни освітленості змінюється вміст пігментів у клітині. У цьому виявляється хроматична адаптація, що відбувається в період, який можна порівняти з часом генерації (від кількох годин до кількох діб), і в нових поколінь розвиваються нові фотосинтетичні можливості. ]