Светящиеся животные

Учёные находятся на пороге открытий, которые очень скоро могут сделать современные системы освещения безнадёжно устаревшими, как сделали устаревшими свечи и керосиновые лампы. Они раскрывают тайны света, которым миллионы лет пользуется сама Природа, но бывшие загадкой для человека — получение света без тепла.

В лабораториях уже давно научились применять вещества получаемые из светлячков и глубоководных рыб, изготавливая светильники «холодного света». Однако задача состояла в том, чтобы получить эти светящиеся составы искусственно.

Анализируя свет, который испускают животные, учёные установили, что «живой свет» — технология с невероятной эффективностью, почти 100% энергии превращается в свет. Другие исследователи пошли иным путём — они заставляют вещества чисто химического, а не животного происхождения светиться под действием невидимых лучей.

Холодный свет

С начала времён человек получал свет только с помощью тепла — сжигая дерево, жир, смолу или масло. Чем выше температура — тем ярче свет. В лампе накаливания тонкая вольфрамовая нить разогревается с помощью электричества, раскаляется — и даёт свет.

Лампа накаливания безусловно, величайшее изобретение, но имеет тот же недостаток, что и более старые светильники — производит в основном тепло, а не свет. Лампа накаливания скорее печка, чем лампа — в свет преобразуется только 2% электроэнергии, остальное уходит на её нагрев.

Биолюминесценция, или «живой свет» гораздо эффективнее — почти вся энергия уходит в чистый свет. Светлячок в 50 раз эффективнее обычной лампочки!

Свечение животных — только одна из нескольких разновидностей холодного света, который можно получить несколькими способами. Поместите кисть руки под сильную лампу — кожа и ногти начнут светиться. Это не отражённый свет, он идёт от самой руки. Если отфильтровать свет лампы, кожа будет продолжать светиться. Волосы, зубы, глаза и почти любая другая часть вашего тела обладает способностью испускать такой свет. Это не флюоресценция, свечение возникает из-за способности живых тканей переизлучать полученный свет в другой части спектра, меняя длину их волны.

Длина волны

Свет, как мы знаем, это вид лучистой энергии, видимой для наших глаз. Как и радиоволны, рентгеновские лучи, ультрафиолет и другие формы излучения, он представляет собой колебания электромагнитного поля. Разница между ними заключается только в частоте этих колебаний — длине волны, чем выше частота, тем короче волны. Так, длина волны ультрафиолета или рентгеновского излучения — короче длины волны видимого света, а инфракрасных (тепловых) лучей и радиоволн — длиннее. Цвета радуги — тоже обусловлены разной длиной волн. В диапазоне видимого нами света самые короткие лучи — фиолетовые, а самые длинные — красные.

Люминесценция: Флюоресценция, фосфоресценция, триболюминесценция, хемилюминесценция

При флюоресценции короткие волны обычно преобразуются в волны света большей длины. Например, многие органические вещества – шёлк, шерсть, кость, волосы, превращают невидимый ультрафиолет в волны видимого света, ярко светясь под УФ-лампой.

Доктор Роберт Вуд проделывал замечательную демонстрацию такой флюоресценции. В полной темноте он направлял невидимые лучи лампы со светофильтром, пропускавшим только ультрафиолет, на банку с раствором эскулина — веществом, получаемым из экстракта коры конского каштана. И раствор немедленно начинал ярко светиться зеленовато-голубым светом.

Схожим образом светятся камни, кристаллы и другие вещества под действие катодным лучей (потоком электронов). На этом принципе устроен кинескоп — люминофор, покрывающий его экран светится, когда в него ударяет пучок электронов, испускаемых электронной пушкой и ускоренных электромагнитами.

Некоторые вещества продолжают светиться после того, как «возбуждающий» их свет исчез, иногда такое свечение продолжается часами. Это явление называется фосфоресценцией.

Ясно видимый в темноте холодный свет можно получить, если с силой, чтобы разрушались кристаллы, потереть друг о друга два кусочка пиленого сахара. Похожий свет возникает, если потрясти пробирку, наполненную кристаллами нитрата урана. Каждый раз, как кристаллики ударяются друг от друга, возникают вспышки света. Это — триболюминесценция.

Добыть свет можно и химическим способом. Например, если к раствору пирогалловой кислоты добавить перекись водорода и картофельный сок (или кровь) — смесь будет светиться. Выделение холодного света в ходе химической реакции называется хемилюминесценцией.

Животные, несущие свет

Но наибольший потенциал учёные видят в свете, которым пользуются различные животные, причём пользуются очень изобретательно.

В лабораториях морских биологов иногда можно увидеть банки с сухими крошками, напоминающими семена растений. Когда-то они были крошечными ракообразными — ципридинами, которые обитают в море у берегов Японии. Под панцирем этих рачков живут микроскопические светящиеся водоросли, поэтому маленькое ракообразное светится в воде. Их высушенные скорлупки — серый порошок, но стоит смочить его водой, и он начинает испускать яркий синевато-зелёный свет!

На земле, в небе и в море обитает множество живых созданий, могущих производить свет. Пассажиры круизных лайнеров часто наблюдают, как начинают сиять воды океана, потревоженные винтами корабля. Этот свет, называемый фосфоресценцией моря, исходит от миллионов светящихся животных, большинство из которых такие крошечные, что их можно увидеть только в микроскоп. На большой глубине обитают странные рыбы — одни несут фонарики на гибких стебельках, растущих из головы, у других ряды огоньков расположены вдоль тела, как иллюминаторы у корабля.

В водах Японии обитает кальмар, у которого светящиеся органы расположены на концах щупалец. Когда кальмар плывёт, он ритмично двигает щупальцами, включая и выключая «фонарики». Японцы называют его хотару-ика — «кальмар-светлячок». В вечной темноте глубин Средиземного моря живёт другой кальмар, который при опасности выбрасывает целое облако ярко светящейся жидкости.

Существуют морские черви, который начинают светиться, если на них нападает хищник; светящиеся губки, медузы, креветки, крабы и множество, десятки тысяч видов других светящихся животных. По крайней мере сорок отрядов животных включают один или больше видов способных производить холодный свет.

Многие глубоководные рыбы обладают светящимися органами, которые удивительно напоминают по своему устройству прожектора. Они содержат двояковыпуклые линзы, которые собирают свет в пучок. За линзой лежит слой блестящих клеток, выполняющих роль рефлектора. У некоторых животных даже имеются светофильтры, которые позволяют им испускать свет строго определённого цвета. Например, глубоководная каракатица обладает светящимися органами сразу трёх цветов — синего, фиолетового и красного, а южноамериканский жук-автомобиль «оборудован ходовыми огнями» белого цвета — на голове и красного — сзади.

В растительном царстве тоже есть светящиеся формы. Вы, наверное, видели, как в вечернем лесу начинают светиться кусочки влажного гниющего дерева. Этот «лисий свет» производится грибком, обитающем в дереве. Или, возможно, наблюдали, как на берегу реки светится выброшенная на берег дохлая рыба — из-за за размножающихся на ней светящихся бактерий.

Довольно любопытно, что светящиеся бактерии, самые маленькие «лампочки» в мире оказались наиболее полезными и перспективными при изучении холодного света и в практическом его применении. Бактерии светятся непрерывно, а их колонии в подходящей питательное среде могут существовать очень долго. Свет одной бактерии незаметен даже под микроскопом — для этого нужны тысячи их. Для того, чтобы получить силу света в одну свечу необходимо 50 триллионов бактерий.

Для того, чтобы установить количество света, испускаемое бактериями, готовят ряды взвесей с разным количеством бактерий (по несколько миллиардов в миллилитре), измеряют силу света от всего объёма жидкости и берут поправку на взаимное поглощение света микроорганизмами. Так вычисляют, какое количество света излучает во всех направлениях одна бактерия. Зная количество питательных веществ и кислорода по отношению к количеству выделяемого света можно установить эффективность преобразования энергии в свет, которая, как оказалось, в два раза выше, чем у любой установки, созданной человеком.

Иногда такие бактерии вступают в симбиоз с животными, поселяются в их теле и делают светящимися его части. Например, малый фонареглаз Photoblepharon (буквально «светящееся веко») palpebratus, обитающий в глубинах моря Банда, у берегов Индонезии, предоставляет бактериям стол и дом для того, чтобы пользоваться их светом. Светящиеся микроорганизмы образуют под глазами рыбы постоянно и ярко светящиеся пятна. Для того, чтобы «включать и выключать» свет у фонареглаза имеются специальные выросты кожи, напоминающие веко, которыми он может закрывать светящиеся участки.

Даже человек может светиться но, в отличие от других животных, никакой пользы в этом нет, один вред. Свет могут начать испускать плохо заживающие раны, точнее, бактерии, которые вызвали нагноение.

Химия холодного света

Исходные материалы, с помощью которых животные и микроорганизмы получают свет, просты — это кислород и вода, которые вступают в реакцию с двумя химическими соединениями — люциферином и люциферазой.

Люциферин поглощает кислород и начинает светиться. Люцифераза — фермент, катализатор, который ускоряет и облегчает процесс.

В отличие от лампочки фонарика на батарейках, «лампочка» люциферина не может перегореть. Когда вы сжигаете дрова или уголь, углерод в их составе соединяется с кислородом, превращается в газ и вылетает в трубу. Когда с кислородом соединяется с люциферин — он начинает светиться, но не расходуется.

* * *

Появление светодиодных ламп снизило интерес к сверхэкономным лампам на холодном свете — искусственном люциферине. Но кто знает, может быть новые вещества или штаммы светящихся бактерий позволят нам когда-нибудь увидеть в продаже лампы бактериального света?



Что вы знаете о химии?

Что вы знаете о химии?

1. Что такое горение? 2. Как клевер и другие бобовые растения обогащают почву? 3. С помощью какого простого теста можно определить, из чистой ли шерсти сделана ткань? 4. Почему кислота...

Человек в стратосфере

Человек в стратосфере

Человеку предназначено жить на поверхности земли. Он создан для жизни при обычном атмосферном давлении и должен дышать воздухом, богатым кислородом. Когда самолёт поднимает человека в стратосферу, возникает множество проблем. Там...

Рыбий жир, витамин D и ультрафиолет

Рыбий жир, витамин D и ультрафиолет

Отвергая богатую витаминами пищу в пользу еды, состоящей из крахмала и сахаров, мы роем себе могилу собственными зубами. Снижение сопротивляемости инфекциям, особенно желудочным и кишечным, нередко наблюдается у людей, чья...

Гелий

Гелий

Гелий (от греческого Ἡλιος — «солнце») — бесцветный газ без запаха и вкуса, легчайший из инертных газов с подъемной силой в 92,5% подъёмной силы водорода. Впервые гелий обнаружили на Солнце...

Очки нужны всем?

Очки нужны всем?

Количество людей, чьим глазам требуются очки, увеличивается ежедневно. Ношение очков показано трети учеников старшей школы и 50–60% работающих людей. Окулисты настаивают, что нужно начинать немедленно корректировать даже слегка ухудшившееся зрение,...

Вторая беременность

Вторая беременность

Иногда женщина, ожидающая второго ребёнка, отмахивается от некоторых советов, говоря «Плавали — знаем». И совершенно зря — каждая беременность по-своему индивидуальна, и ожидание второго малыша может достаточно сильно отличаться от...