в заключение вернемся к свет5щимся бактериям и рассмотрим следующую задачу. В верхнем слое морской воды толщиной 100 м концентрация светящихся бактерий достигает 5-10* 1/л. Каждая бактерия испускает ежесекундно 10* фотонов; длина волны испускаемого света 0,5 мкм. Какова суммарная световая мощность, испускаемая бактериями, находящимися в слое воды, имеющем площадь 1 км и толщину 100 м?

Рассматриваемый объем воды равен 10 м или, иначе, 10 л. Значит, полное число высвечивающихся бактерий составляет 5-10. Эти бактерии испускают ежесекундно 5-10-10=5-Ю фотонов. Энергию каждого фотона е определяем по формуле

E=hc/K,

где Х=0,5 мкм=5-10 м, /2=6,6-10- Дж-с (постояннаяПланка), с==3-10* м/с (скорость света в вакууме). Легко подсчитать, что Е=4-10 Дж. Умножив эту величину на число фотонов, испускаемых всеми бактериями в секунду (напомним, что оно равно 5 10), находим искомую световую мощность; она составляет 20 Вт.

Особенности свечения живых организмов. Еще в XVII в. Р. Бойль установил, что свечение гниющей древесины прекращается без воз-

духа и снова возобновляется в воздушной среде. Отсюда следовало, что свечение возникает в результате химической реакции с участием воздуха. Впоследствии установили, что в данной реакции участвует кислород - это есть реакция окисления.

Существенно, что свечение организмов возникает лишь при наличии определенного внешнего раздражения и является своеобразным откликом на него. Характер раздражения может быть различным. Высокоорганизованные организмы, снабженные фотофорами, можно раздражать светом; они отвечают световым откликом на световые сигналы особей того же вида. Раздражители могут быть химическими, механическими, тепловыми, электрическими. Например, ночесветки и мелкие рачки откликаются световыми импульсами на любое механическое раздражение - малейшее волнение водной массы, ее незначительные перемешивания и т. д. Существуют организмы, не реагирующие ни на механические, ни на электрические раздражители, но вспыхивающие при добавлении в морскую воду пресной воды.

Вспомним сказку Андерсена о старом уличном фонаре, а точнее говоря, замечания селедочной головки и гнилушки о том, что светлячок светится не постоянно, а лишь временами. Замечание справедливое. Однако и селедочная головка хорошо светится не все время, а лишь в определенных условиях. Ведь интенсивность высвечивания бактерий зависит от разных факторов, и в частности от температуры среды.

Свечение живых организмов - холодное свечение. Будучи раздражены, они выделяют энергию исключительно в виде света, нисколько не нагреваясь. Практически вся выделяемая ими световая энергия попадает в область видимого света, а точнее, в интервал длин волн от 0,4 до 0,6 мкм; максимум излучения соответствует синей и зеленой частям спектра. Это хорошо видно на рисунке 11.3, где для различных светящихся организмов приведена зависи-

мость интенсивности излучения от длины волны. Вспомним в связи с этим холодный свет зеленых светляков .

Светящиеся организмы оказываются очень рациональными излучателями. Во-первых, они совсем не расходуют энергию на невидимое, и в частности тепловое, излучение. Для сравнения заметим, что даже самые совершенные лампы дневного света примерно половину энергии излучают в инфракрасной области. Во-вторых, максимум интенсивности излучения морских организмов приходится на область спектра, для которой морская вода наиболее прозрачна (сине-зеленая область), поэтому световые сигналы организмов распространяются в воде с наименьшими потерями.

Исследования последних лет показали, что организмы испускают не непрерывное излучение, а световые импульсы. В качестве примера можно привести световые

Рачок эуфаузиа

Ночесветна

Рыба минтофум

Морской червь хетоптерус

Рачок ципридина

Л. мкм

0.40 О.

импульсы ночесветки, которые она испускает при химическом раздражении. Импульсы показаны вверху в левой части с. 165. Общая длительность этих импульсов составляет примерно 2 с. Ниже приведены группы световых импульсов светляков; каждая группа импульсов относится к светлякам определенного вида. Любопытно, что различные виды светляков говорят на разных световых языках.

Хемилюминесценция. В предыдущей главе, рассказывая о люминесценции, мы отмечали несколько различных ее видов. В частности, мы упоминали о хемилюминес-ценции - люминесценции за счет энергии, выделяющейся при некоторых химических реакциях. Хе-милюминесцентный процесс можно разделить на два этапа, которые представим следующим образом:

A+BC+D (первый этап), C*C+Y (второй этап).

На первом этапе исходные молекулы А и В вступают в химическую реакцию; в результате образуется возбужденная молекула С*. На втором этапе молекула переходит из возбужденного состояния в основное, испуская фотон у.

с точки зрения физики, свечение живых организмов - особый вид хемилюминесценции. Для него существует специальный термин - биолюминесценция.

Биолюминесценция как особый вид хемилюминесценции. Светящиеся бактерии, светляки, светящиеся органы рачков, моллюсков.

рыб содержат особые молекулы-излучатели, высвечивающиеся в сине-зеленой области. Для высвечивания необходимо, чтобы молекула-излучатель предварительно возбудилась, для чего она должна вступить в реакцию с кислородом. Таким образом, первый этап биолюминесцентного процесса - реакция окисления, в которой участвуют специальные молекулы-излучатели. Именно реакция окисления поставляет ту энергию, которая затем превратится в световую энергию. Такова энергетическая основа биолюминесценции.

Существенно, что реакция окисления происходит лишь в присутствии некоторого вещества, вырабатываемого организмом. Это вещество называют в общем случае люциферазой; оно играет роль фермента. Сама люцифераза в реакции не участвует, однако ее присутствие имеет решающее значение. Появилась люцифераза - реакция окисления идет, молекулы-излучатели высвечиваются. Исчезла люцифераза - реакция окисления, а вместе с тем и высвечивание молекул-излучателей прекращается.

Итак, биолюминесцентный процесс можно представить себе следующим образом. В ответ на внешнее раздражение организм вырабатывает люциферазу. В присутствии люциферазы начинается окисление молекул-излучателей, в результате чего они переходят в возбужденные состояния. Возбужденные молекулы-излучатели возвращаются в исходное состояние, высвечивая фотоны синей или зеленой области спектра.

Механизм биолюминесценции таит в себе еще много загадок. Разгадать их важно не только для того, чтобы лучше понимать био-