Факультет

Студентам

Посетителям

Живое свечение

Астрономы говорят, что для изучения гораздо доступнее неимоверно удаленные от нас звезды, чем сравнительно близкие планеты солнечной системы.

Даже о Луне, обращающейся вокруг Земли «на расстоянии вытянутой руки», известно гораздо меньше, чем, например, о Сириусе, чей свет летит до нас несколько лет. В чем причина такого несоответствия?

Дело тут в следующем: звезды — самосветящиеся тела. Они посылают в пространство потоки фотонов. Фотоны — ценнейший переносчик информации. Люди научились им пользоваться. Естественно, что те тела, которые излучают собственные фотоны, глубоко и всесторонне изучены. Фотоны несут в себе следы своего происхождения и своих странствий. По интенсивности света, по спектру, по размытости отдельных спектральных линий, по изменению всех этих характеристик во времени ученые научились безошибочно разгадывать важнейшие тайны той раскаленной среды, которая излучает эти фотоны.

Каждая звезда имеет уникальный, неповторимый состав излучений. Нет двух звезд с одинаковым спектром, как нет двух людей с одинаковым рисунком отпечатков пальцев. Спектр звезды — ее паспорт. Умелые руки астронома берут его, разворачивают, привычный глаз быстро делает общую оценку, затем рассматривает детали: определяет температуру поверхности, размеры, период вращения вокруг оси, элементы, входящие в состав звезды, и т. д. А что можно сказать о планете, пересылающей нам лучи Солнца? Почти ничего, пока мы не высадим на этой планете человека или «умный» прибор.

Живая материя — одна из величайших загадок современной науки. Люди готовы сделать все, чтобы разгадать ее, проникнуть мыслью в глубины клетки. Но вторжение ланцета губит жизнь, дает возможность исследовать лишь ее останки, лишь трупы клеток. Кроме того, ланцет груб и огромен, он не может нащупывать отдельные микрочастицы, препарировать их. Тончайшим невесомым ланцетом явился бы луч света, идущий из живой ткани. Он рассказал бы о многом. Как жаль, что биолюминесценция — редкое явление! Но так ли уж оно редко? Ведь в таблице, где были перечислены светящиеся животные, нашли место только те организмы, чьи лучи находятся в видимом диапазоне и, кроме того, настолько ярки, что заметны без всяких оптических приборов. А не правильнее ли предположить, что значительно большее число видов дает свечение слишком слабое, чтобы броситься в глаза или состоящее из фотонов невидимых областей спектра?

В начале 20-х годов А. А. Гурвич хотел проверить, справедливо ли такое предположение, испускают ли живые ткани какие-либо недоступные нашему зрению лучи. Но чем регистрировать «живое излучение»? В те времена лабораторная техника была несравненно слабее сегодняшней и не существовало приборов, которые могли бы улавливать потоки света ничтожной интенсивности. Поэтому Гурвич решил использовать для обнаружения гипотетического свечения организмов другие организмы.

Он рассуждал просто: если клетки способны испускать фотоны, то они должны обладать также способностью их поглощать — ведь нам хорошо известен из физики принцип обратимости взаимодействия вещества и излучения. Но если клетка начнет поглощать лучи, испускаемые другой клеткой, то такое поглощение, по всей вероятности, как-то скажется на развитии организма. Иными словами, Гурвич избрал способ биологической индикации; один биологический объект должен был служить источником лучей, другой — их индикатором.

В 1923 г. А. А. Гурвич сообщил об обнаружении им очень слабого ультрафиолетового свечения, исходящего от различных живых тканей. Опыты этого ученого состояли примерно в следующем: рядом с прорастающими корешками лука он помещал ростки других растений и измерял скорость их развития. Затем изолировал рассаду непроницаемым для фотонов экраном и снова измерял скорость роста. Оказалось, что неизолированные растения, расположенные рядом, развивались быстрее, чем изолированные. Поскольку связи через почву у ростков не было, Гурвич истолковал полученный результат так: прорастающие корешки излучают чрезвычайно слабый поток ультрафиолетовых лучей, эти лучи воздействуют на соседние корешки, поглощаются ими и стимулируют их рост. По данным Гурвича чувствительность биологических индикаторов излучения была на несколько порядков выше, чем у самой лучшей фотоэмульсии. Он считал, что именно в связи с этим сбалое свечение многих организмов раньше не удавалось обнаружить физическими методами.

Удобными для экспериментов такого типа оказались также дрожжевые клетки. По интенсивности их размножения можно было делать выводы о внешних факторах, стимулирующих деление клеток. Многие организмы подверглись исследованию с помощью биологических детекторов Гурвича. После обширного цикла опытов ученый пришел к заключению, что слабое ультрафиолетовое свечение тканей широко распространено в природе. Он считал, что светятся корешки бобовых, раковые опухоли, мышцы животных, кровь, различные виды дрожжей и т. д.

Надо сказать, что методика Гурвича имела одно очень уязвимое место: она не позволяла делать совершенно строгие, логически безупречные выводы. О наличии лучей свидетельствовали не прямые физические эксперименты, а косвенные данные: ускорение роста некоторых организмов. Однако эффект ускоренного деления клеток (митоза), названный митогенетическим эффектом, можно, в принципе, приписать действию не лучей, а другого агента, передающего информацию от одного растения к другому. Почему этим агентом не может явиться испарение или ультразвук? Если же предположить, что митогенез обусловлен именно лучами, то имеем ли мы право утверждать, что это ультрафиолетовые лучи?

После сообщений Гурвича было сделано множество попыток зафиксировать ультрафиолетовые лучи, как будто бы исходящие от живых тканей. Для этого применялись счетчики фотонов с чувствительностью до 10 фотонов в сек. Опыты проводились Р. Аудубертом в 1939 г., Свешниковым в 1941 г., С. Ф. Родионовым и Г. М. Франком в 1936 г., Родионовым, М. С. Хайкиным и А. И. Шальниковым в 1955 г., Хайкиным и Э. И. Абаулиным в 1955 г. Этим исследователям удалось зарегистрировать ультрафиолетовое излучение. В то же время эксперименты Г. Барта и М. В. Филлипова в 1937 г. в ряде случаев дали определенно отрицательные результаты.

Способ биологической индикации в лучшем случае может лишь обнаружить существование излучения, но он не обеспечивает возможности точно измерить интенсивность этого излучения и его спектральную принадлежность. Поэтому для окончательного подтверждения (или опровержения) теории Гурвича необходимы были тонкие и чувствительные фотометрические приборы. Они появились сравнительно недавно.

Работы Гурвича заняли особое место в истории изучения живой клетки. Они привлекли к митогенетическому эффекту исключительное внимание специалистов, заставили многих биологов работать над улучшением методики, над использованием достижений физики в исследовании живого свечения.

В 1954 г. итальянские ученые Колли и Фаччини, применив фотоэлектронные установки (физические методы), открыли слабое свечение растущих корешков злаковых. Однако это свечение в отличие от митогенетического лежало в видимой области спектра.

Ростки развивались из семян в стерильной среде в полной темноте. Корешки этих растений испускали световые кванты спонтанно, без всякого внешнего воздействия. Длины волн квантов лежали в видимой области спектра, максимум соответствовал зеленому свету (0,55 мк). Свет испускали также стебли и семена растений, но наиболее интенсивно светились корни. Кроме злаков были исследованы бобовые: у них тоже была зафиксирована биолюминесценция в видимой области спектра.

В дальнейшем Колли и Фаччини решили подвергнуть исследованию измельченные ткани упомянутых растений. Приготовлялся так называемый гомогенат — тщательно растертая эмульсия из ткани. Нормальные процессы жизнедеятельности в ней нарушались. Тем не менее, свечение было обнаружено и в этом случае. Для массы раздавленных семян общая интенсивность излучения составляла около 100 тыс. фотонов в секунду из одного грамма гомогената. Такой световой поток при обычных условиях не может быть замечем человеческим глазом.

С этого момента можно считать окончательно установленным, что слабая люминесценция живых растительных тканей в видимой области действительно существует. Работа, выполненная Колли, Фаччини и их сотрудниками, явилась началом нового этапа исследования клетки. В лабораториях биологов стали появляться фотоэлектронные умножители, современные счетчики фотонов. Открытие слабой биолюминесценции буквально всколыхнуло специалистов. Стало ясно, что наука получает в свое распоряжение чрезвычайно интересный инструмент исследования.

В 1962 г. группа биологов — Б. Н. Тарусов, В. A. Bеселовский и Е. Н. Секамова — изучали свечение проростков ячменя. Были получены важные данные о зависимости интенсивности этого свечения от парциального давления кислорода.

Выяснилось также, что светятся не только корешки растений, но и ткани большинства животных. Б. Н. Тарусов, А. И. Поливода и А. И. Журавлев в 1961 г. установили, что ткани млекопитающих излучают фотоны. В частности, было найдено, что печень и мышцы живых мышей испускают сверхслабый световой поток в видимой области спектра. Наблюдавшееся излучение исходило с поверхности органа без каких-либо внешних воздействий. Эти же ученые решили выяснить: не будут ли светиться также гомогенаты тканей млекопитающих? Эксперимент дал положительный результат. При соответствующем нагревании (ведь живая ткань теплая) гомогенаты давали не менее интенсивное свечение, чем живые органы. Стало ясно: слабая биолюминесценция вызывается реакциями, которые могут протекать как в живой, так и в мертвой тканях.

Было установлено, что интенсивнее всего светятся ткани, богатые жирами. Белок яйца, содержащий ничтожные количества жира, люминесценции не обнаруживал вовсе. При изучении растертой ткани, разделенной на центрифуге, подтвердилась связь между жиром и биолюминесценцией: наиболее интенсивно светился более легкий верхний слой отцентрифугированной массы, обогащенный жирами.

Постепенно выяснилось, что почти все живые организмы проявляли способность к люминесценции. После того, как слабое свечение тканей окончательно подтвердилось многократными опытами, ученые пытались понять причины его появления, старались проникнуть в суть явления.

Очень важно было установить, зависит ли интенсивность сверхслабой биолюминесценции от каких-либо внешних причин, нельзя ли воздействовать на свечение тканей физическим или химическим способом. Вспомним, что классическая работа Роберта Бойля — основоположника научного исследования живого свечения — состояла как раз в том, что люминесцирующее вещество приводилось в контакт с кислородом воздуха или лишалось этого контакта. Естественно, что свечение тканей — новую форму биолюминесценции — необходимо было исследовать, начиная с выяснения тех же основных вопросов, которыми занимался Бойль, изучавший яркую биолюминесценцию. Следовало также рассмотреть зависимость интенсивности сверхслабого свечения тканей от времени, протекшего после гибели животного.

Опыты Ю. А. Владимирова и Ф. Ф. Литвина (1962), А. И. Поливоды и Е. Н. Секамовой (1962) показали, что свечение наиболее интенсивно сразу после забоя подопытного животного, а затем оно постепенно слабеет. Потускнение люминесценции, вероятно, связано с разрушением структур и освобождением из клеток «тушителей» — веществ, гасящих люминесцентную реакцию.

В отношении роли кислорода данные получились такими же, как у Бойля. Хемилюминесценция гомогенатов наблюдается только в присутствии кислорода; она почти не изменяется при парциальных давлениях этого газа до 21%, а затем резко падает и полностью исчезает в вакууме. Это очень важное открытие, так как оно показывает, что между видимой глазом «экзотической» биолюминесценцией и сверхслабым свечением тканей, имеющим широчайшее распространение, существует глубокое родство. Оба явления связаны с окислением, оба они являются следствиями химических реакций, происходящих с органическими молекулами.

Сейчас даже в любой лаборатории имеется гораздо больше приборов, чем было в распоряжении Бойля. Значительно выросла и техника эксперимента. Наши и зарубежные ученые подвергли светящиеся ткани и гомогенаты воздействию не только кислорода, но и множества других разнообразных по своей природе факторов.

Интенсивность люминесценции непрерывно измерялась по мере увеличения температуры ткани. Свечение корешков растений усиливалось с нагреванием до определенного предела, потом начинало быстро уменьшаться. Первый максимум, как было выяснено В. А. Веселовским и Б. Н. Тарусовым, расположен вблизи температуры 40° С и определяет термостойкость. Если же продолжать нагревание растения, то интенсивность свечения снова начинает увеличиваться; такое непрерывное увеличение наблюдалось до температуры 60° С.

Добавление к гомогенату перекиси водорода резко увеличивает интенсивность свечения — это наблюдали еще Колли и Фаччини в 1954 г. Этот факт, как мы потом увидим, оказал большую помощь ученым, старающимся разгадать механизм биолюминесценции.

Еще в 1953 г. Стрел ер обнаружил длительное свечение некоторых листьев, продолжающееся после прекращения освещения. Это явление напоминает свечение циферблата часов. Скорее всего, в этом случае происходит фотохемилюминесценция. Это значит, что под воздействием света в листьях проходят определенные химические реакции и накапливается какое-то специфическое вещество (или несколько веществ), которое после экранирования светового потока либо распадается, либо вступает в соединение с другими веществами листа и дает хемилюминесценцию. Таким образом, энергия света аккумулируется не в возбужденных метастабильных состояниях молекул (тогда мы говорили бы о фотолюминесценции), а в возникающем «горючем материале», способном к последующей хемилюминесценции.

Ф. Ф. Литвин, Ю. А. Владимиров и А. А. Красновский в 1960 г. нашли, что также светятся фотопродукты хлорофилла — вещества, способного к флуоресценции. Аналогичную способность накапливать люминесцирующие соединения под влиянием света проявила активная суспензия дрожжей. В последнем случае фотохемилюминесценция возникала не только от видимых лучей, но и от ультрафиолетовых. Послесвечение исчезало при убивании дрожжей нагреванием — это говорит о том, что хемилюминесцирующие реакции, по всей вероятности, связаны со структурами живого организма.

Способность к послесвечению при последующем нагревании проявили также пленки хлоропластов растений, изученные американскими учеными Арнольдом и Шервудом. Здесь механизм, должно быть, родствен фотохемилюминесценции, но в появлении свечения играет также роль тепловая энергия.

Задолго до открытия сверхслабой биолюминесценции было исследовано длительное послесвечение белков, облученных ультрафиолетовым или видимым светом. В 1937 г. итальянские исследователи Гизе и Лейтон наблюдали свечение сухожилий и хрящей. Эти ткани, следовательно, как бы проявляли способность к фотолюминесценции. Но из сказанного о послесвечении листьев читатель может сделать справедливое заключение, что природа фотолюминесценции белков не столь проста, как у неорганических веществ. Имея дело с таким сложным веществом, как белок, а тем более с сочетанием различных белков и других многоатомных молекул, каковое представляет собой ткань животного, можно заранее ожидать многоступенчатого и запутанного процесса, на одном конце которого стоит поглощение, а на другом конце — выделение световой энергии.

В 1952 г. Дебай и Эдвардс изучили 18 аминокислот — основных составляющих белков. Из них только три имели заметное послесвечение. Поскольку ученые в настоящее время довольно ясно представляют себе строение аминокислот, можно было высказать достаточно убедительные предположения относительно механизма послесвечения.

Уже из краткого перечня некоторых последних работ видно, что в науке о биолюминесценции произошел громадный сдвиг. За какие-нибудь десять лет сделано больше, чем за всю историю науки. Эксперименты и теоретические изыскания поставлены на совершенно новый уровень, организация работы продумана и планомерна, имеются четкие программы исследований, сотни ученых разных специальностей профессионально, день за днем занимаются проблемами биолюминесценции. Нет ничего удивительного в том, что в этих условиях был накоплен огромный материал и произошла полная переоценка значения живого свечения.

Современному биологу ясно, что в один узел связаны многие явления, сопровождающие жизнедеятельность и химические реакции между органическими молекулами: яркое свечение некоторых организмов; спонтанное сверхслабое свечение тканей животных; индуцированное внешним воздействием свечение тканей и гомогенатов; сверхслабое свечение практически всех организмов; послесвечение размельченной ткани убитого животного; флуоресценция хлорофилла; свечение экстрагированных из тканей жиров; окислительные процессы разных типов.

Настойчивые поиски энтузиастов изучения биолюминесценции влились в широкое русло биофизики. Разгадка тайны живого свечения стала немыслима без разгадки сотен других тайн, скрывающих пока от глаз ученых механизм действия живой клетки. И наоборот, глубоко понять устройство клетки сейчас невозможно без тщательного осмысливания данных по биолюминесценции. Поэтому перед исследователями живого свечения встала задача: концентрировать усилия на том, чтобы в каждом конкретном случае связывать биолюминесценцию с переходом микроструктур из одних форм в другие, т. е. с химическими реакциями.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.



Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: