Для чого слугує біолюмінесценція
Одразу необхідно взяти до уваги, що багатьох видів біологічну доцільність світіння встановити зірвалася.
Про це ми вже говорили раніше. З іншого боку, у природі нічого не виникає просто так. Якщо є яскраве свічення, спеціально стимульоване особливими речовинами, значить воно для чогось потрібне. Якщо не для життя самої особини, то, можливо, для життя її клітин?
Немає сумніву, що якщо життя є кругообігом енергії, то регуляція енергетичного потоку — одна з найважливіших функцій організму. Організм оберігає молекули від дисоціації шляхом висвічування надмірної енергії. Ця теза робить для нас зрозумілою роль слабкого світіння, що супроводжує обмінні процеси у тканинах. Рятівна для молекул функція висвічування може частково пояснити деякі явища, пов'язані з яскравою біолюмінесценцією.
Розмірковуючи над загадкою здавалося б зовсім недоцільного яскравого світіння багатьох організмів, а також враховуючи хаотичний розподіл істот, що світяться на карті систематики видів, вчені поступово дійшли думки, що вирішення питання потрібно шукати не тільки в сучасних умовах життя виду, але і в умовах життя в минулому . Іншими словами, пояснюючи екзотичну біолюмінесценцію, необхідно брати до уваги шляхи еволюції виду. Чи може живе світіння бути в якихось випадках рудиментарною ознакою — непотрібною зараз, але потрібною раніше за інших умов існування?
Якщо це виявиться саме так, то відразу буде досягнуто двох цілей: проясниться таємниця біолюмінесценції і буде отримано додатковий матеріал, що стосується такого найважливішого питання, як еволюція тварин і рослин.
Нам відомо, що майже всі види як основна енергія для життя використовуютьенергію окиснення. З іншого боку, ми знаємо, що ця енергія занадто велика і для своїх цілей одноактний організм може взяти лише незначну її частку. Нині у клітинах виробився складний механізм ступінчастого витрачання енергії окислення за допомогою створення енергетичних запасів у макроергічних фосфатних зв'язках. Але що було в давнину, коли організми були примітивнішими?
Відповідь підказує нам вивчення медузи, що світиться (Aeguorea) однієї з рідкісних тварин, люмінесцентних без кисню. Світіння цієї медузи виникає при дії на субстрат іонів кальцію. Субстрат було вилучено з медузи та вивчено в лабораторії. Це виявився специфічний екварин білок. При взаємодії з іонами кальцію екварин, швидше за все, є донором електронів, тобто він окислюється (але без кисню). І ось екварин піддали впливу іонів кальцію поза тілом медузи. Виникло ясне блакитне свічення. Але сама медуза світиться зеленим. У чому тут справа?
Неважко було підрахувати різницю в енергії блакитного фотона, що випускається вільним екваріном, та зеленого фотона, що випромінюється живою медузою. Виходить приблизно 8 ккал/моль - саме та невелика енергетична сходинка, яка може бути заснована клітиною і акумульована АТФ.
Можна пояснити це явище інакше. При контакті екварину з іонами кальцію утворюється збуджений комплекс з енергією збудження близько 61 ккал/моль. Така енергія неприйнятна для клітини. Клітина може використовувати лише вісім-десять кілокалорій на моль. Куди ж подіти решту 53 ккал? Якщо немає розвиненого та складного механізму накопичення енергетичних запасів, то залишається лише одне – викинути надлишок енергії. При цьому виникнуть зелені фотони.
Зараз поєднання всіх сходинок споживання енергіїокислення налагоджено у живих істот виключно досконало. Маленькі «шорсткості» у цьому поєднанні у вищих тварин регулюються слабкою біолюмінесценцією, яка не помітно впливає на енергетичний баланс. Жодна калорія не пропадає даремно. Але так не завжди. У далекі часи живі істоти були менш досконалими. Функція висвічування, що рятує клітини від перезбудження, грала тоді визначальну роль для виживання особин. У деяких організмах ця здатність залишилася у вигляді рудименту від тих епох, коли оберігати клітини від перезбудження організм міг лише найпримітивнішим способом — викиданням зайвої енергії.
Іншу точку зору обрали американські вчені Мак-Елрой та Селіджер. (Їм було відомо надслабке світіння тканин ссавців і здатність ліпідів до хемілюмінесценції.) Їх теорія грунтувалася лише з дослідженні яскравого, видимого оком, ферментативного світіння екзотичних тварин. Вони поклали в основу своєї гіпотези той факт, що колись на Землі не було кисню. Це можна вважати абсолютно точно встановленим наукою. Весь кисень нашої планети, тобто значна частина повітряного океану, створений за пізніших часів життєдіяльністю рослин.
Отже, уявімо собі атмосферу, позбавлену кисню. Примітивне життя вже є, але воно все анаеробне — істоти живуть не за рахунок окислення субстратів киснем, а за рахунок інших реакцій. Але поступово кисень з'являється. Як мали реагувати на це анаеробні організми?
На прикладі сучасних анаеробних бактерій ми знаємо, що кисень токсичний для організмів, які не потребують його для свого енергетичного обміну. Для анаеробних організмів поява кисню в атмосфері стала б фатальним, якби вони не розвинули в собі здатністьперешкоджати утворенню у своїх клітинах згубних перекисів. Для цього в процесі природного відбору виробився субстрат, який швидко відновлював кисень (віддаючи йому електрони) і одразу переводив енергію збудження у фотони, тобто висвітлював енергію окислення, зовсім не передбачену в балансі анаеробного організму. Таким чином, за гіпотезою Мак-Елроя і Селіджера висвічування стародавніх істот рятувало клітини. Але, якщо ми говорили про захист від невідповідних порцій енергії, то американські біологи говорять про захист від невідповідного способу споживання енергії.
Не можна не визнати хоча б часткову правоту гіпотези Мак-Елроя і Селіджера, бо захисна функція біолюмінесценції анаеробів, що зазнали впливу кисню, що накопичується, безперечно мала місце. Незрозуміло лише одне: чи можна все світіння в сучасному живому світі трактувати як залишкове з часів появи кисню в атмосфері Землі. Ймовірно, вирішення питання не може бути таким простим і має об'єднати кілька причин. Інакше важко пояснити, наприклад, чому деякі сучасні тварини світяться за відсутності кисню. Як узгодити це з гіпотезою про анаероби, що світяться? Чому деякі тварини світяться лише вночі, хоча вдень кисень із атмосфери нікуди не зникає?
Питаннями не прийнято закінчувати розповідь. Але ті питання, які постали перед нами після всього сказаного, не ведуть до песимізму. Навпаки, вони показують, що вивчення біолюмінесценції як екзотичної, так і слабкої, дає надійні та найчастіше незамінні ключі до найбільш хвилюючих проблем розвитку життя на Землі, мікроструктури живих клітин та механізму внутрішньоклітинного обміну речовин та енергії.
Випромінювання клітинами фотонів - таке ж неминуче та повсюдне явище, як виділення теплаживою тканиною. І слабке, і яскраве світіння — результат тих самих глибинних перетворень енергії, які у організмі й у речовинах, його складових. Одні тварини використовують випромінювання світла збудженими молекулами для біологічних цілей (світляк), інші зберігають його як пережиток давніх періодів історії виду, треті і зараз використовують випромінювання як клапан, що викидає надмірну енергію. Так чи інакше, жива матерія та її безперервні перетворення нерозривно пов'язані з променевипусканням. Інакше й не може бути, бо матерія єдина та обидві її форми – речовина та випромінювання – переходять одна в одну, взаємодіють.
Світло, що йде в наше око від навколишніх предметів, збуджує зоровий нерв, і ми бачимо різні зображення, отримуємо інформацію про зовнішній світ. Енергія фотонів, що потрапляють на сітківку, перетворюється на енергію збудження нейронів. Цього не було б, якби квантові системи – молекули, іони та радикали – не взаємодіяли з фотонами. Ми були б сліпими.
Але, як з'ясувалося останніми роками, має місце і зворотний процес. Порушені внаслідок різноманітних і складних хімічних реакцій, що відбуваються в клітинах, молекули внутрішньоклітинних структур перетворюють частину хімічної енергії на енергію фотонів. Ці фотони можна вловити приладами. Виявилося, що жива клітина більше схожа на зірку, ніж планету. Вона посилає інформацію про себе — вона випромінює!
Фотони, що йдуть з глибини живої матерії, можуть дати інформацію про найпотаємніше — про внутрішнє молекулярне життя клітини. Отримувати цю інформацію вчені змогли порівняно нещодавно. Має бути значно вдосконалити методи її отримання і, головне, навчитися її правильно розшифровувати. Але вже отримані результати, що охопили всі види люмінесценції живих тканин та їх «мертвих»компонентів, дали напрочуд багато для розуміння сутності життя.
Розвивається нова галузь біофізики – квантова біологія. Вона з кожним роком набиратиме сили і прийматиметься за все складніші та цікавіші проблеми. Можна не сумніватися, що ця книжка незабаром застаріє, бо твердження, що все молоде розвивається особливо швидко, відноситься насамперед до біофізики.