Кададова Екатерина
Руководитель: Иванова А.Н.
Оглавление
1.Введение. с. 1-2
2.Теоретическая часть. с. 3-18
2.1.Люминесценция. с. 3-5
2.2.Светляки. с. 5-8
2.3.Грибы. с. 8-10
2.4.Планктон. с. 10-12
2.5.Бактерии. с. 12
2.6.Рыбы. с. 12-13
2.7.Кальмары. с. 13-14
2.8.Водоросли. с. 14
2.9.Функции биолюминесценции. с. 15-16
2.10.Механизм свечения. с. 15-18
3.Практическая часть. с. 19-23
3.1.Опыт 1. Получение люминофора. с. 20-22
3.2.Опыт 2. Свечение грибницы опёнка осеннего. с. 22-23
4.Заключение. с. 24
5.Литература и Интернет-ресурс. с. 25
Введение
Актуальность темы: излучение света живыми организмами - что это такое и как оно работает?
Объектами исследования стали выбранные мною организмы органического мира, которым свойственно свечение.
Цель исследования: объяснить природное явление свечения живых организмов с научной точки зрения.
Задачи исследования:
1.Познакомиться с теоретическим материалом курса химии, физики, биологии, связанным с данным природным явлением.
2.Обобщить собранную информацию и объяснить природное явление свечения живых организмов.
3.Практически получить люминофор, идентичный природному.
Методы исследования:
1. Методы теоретического уровня:
-изучение и обобщение;
-анализ и синтез;
-индукция и дедукция;
Эти методы исследования позволили мне производить логическое исследование собранных фактов, вырабатывать понятия и суждения, делать умозаключения и теоретические обобщения.
2.Методы экспериментально-теоретического уровня:
-лабораторный опыт;
-моделирование;
-синтез;
-индукция;
-дедукция.
Эти методы исследования помогли мне не только собрать факты, но проверить их, систематизировать.
3.Методы эмпирического (практического) уровня:
-наблюдение;
-фотографирование;
-сравнение.
С помощью этих методов я изучила конкретные явления, на основе которых подтверждается или опровергается моя гипотеза.
Теоретическая часть
Люминесценция.
Люминесценция — нетепловое свечение вещества, происходящее после поглощения им энергии возбуждения. Люминесцентное свечение бывает разных видов. Свечение, которым я заинтересовалась, называется «биолюминесценция». Биолюминесценция - способность живых организмов светиться, достигаемая самостоятельно или с помощью симбионтов. Известно около 800 видов светящихся живых существ (рис.1)
Большинство из них обитают в море. Это - бактерии, одноклеточные жгутиковые водоросли, радиолярии, грибы, планктонные и прикрепленные кишечнополостные, морские перья, гребневики, иглокожие, черви, моллюски, ракообразные, рыбы. Причем каждый вид применяет свечение по-разному. Одно из применений биолюминесценции является привлечение другого объекта, как добычи, так и представителей противоположного пола. Следующее использование этого свойства — отражение нападений хищников.
В своей работе я расскажу о биолюминесценции живых организмов подробнее.
 |
Рис.1 Многообразие биолюминесцентных организмов.
Способностью излучать в видимом диапазоне обладают эволюционно разнородные группы организмов. Около 700 родов содержат виды, испускающие свет самостоятельно или благодаря симбионтам. Продолжительность свечения варьируется от долей секунды до часов, цвет — от голубого до красного. У бактерий свет создается в цитоплазме, у одноклеточных эукариот — в специальных органоидах, у высокоразвитых организмов (насекомых, рыб) — в особых органах (от скоплений железистых клеток до сложных образований, содержащих люминесцирующие бактерии). Помимо внутриклеточного, свечение бывает секреторного типа (кальмары для ослепления противника выбрасывают в воду «облако» из продуктов секреции двух желез).
Особенность биолюминесцентных систем в том, что они не закреплялись эволюционно, а формировались в каждом случае независимо. Известно около 30 различных механизмов, обеспечивающих свечение. В отличие от многих структурных белков и ферментов (гистонов, цитохромов, мышечных белков), сходных у эволюционно далеких форм, компоненты биолюминесцентных систем у родственных животных могут быть различны. Считается, что биолюминесценция впервые возникла на стадии перехода от анаэробных форм жизни к аэробным, хотя общего мнения по этому вопросу нет.
Природа биолюминесценции — химическая. Субстрат люциферин, маленькая органическая молекула, окисляется под действием специфического фермента люциферазы. Люциферины и люциферазы у различных биологических видов химически не идентичны. Все такие реакции требуют окислителя (чаще всего молекулярного кислорода, иногда перекиси водорода) и протекают с образованием промежуточных комплексов — органических перекисных соединений. При их распаде высвобождается энергия, которая не рассеивается в виде тепла, а возбуждает молекулы вещества, испускающего фотоны (отсюда название «холодное свечение»). От их энергии, а значит от типа конкретного люциферина, зависит частота света (т.е. цвет). В трех известных случаях участником люциферин-люциферазной реакции становится еще и аденозинтрифосфат (АТФ). Это свойственно многоножке Luminodesmus sequoia, грибной мушке Arachnocampa flava и всем видам светляков. Биолюминесценция, однако, может происходить и по-другому. Свечение медузы Aequorea обусловлено взаимодействием специфического белка экворина с ионами кальция, причем без участия кислорода.
Светляки
Одним из наземных биолюминесцентных организмов является светлячок. Светляки́ (лат. Lampyridae) — семейство жуков, характерной особенностью которых является наличие органов свечения на последних брюшных сегментах(рис.2). Порой способностью светиться обладают не только имаго жуков, но и их личинки и яйца. Семейство насчитывает около 2000 видов. Наиболее разнообразно представлено в тропиках и субтропиках, скудно — в умеренном поясе. На территории стран бывшего СССР обитает 7 родов и около 20 видов.
Рис.2. Светляки
Светлячки светятся за счет уникального органа в их теле - фотофор. Он находится в хвосте брюшка и имеет сложную структуру, представляющую собой три функциональных слоя. Для наглядности представим обыкновенный карманный фонарик: нижний слой является зеркальным и должен отражать свет, производимый в результате сложной химической реакции средним слоем. Ткани среднего слоя состоят из фотоцитов - клеток, способных преобразовывать кислород в свет. Верхний функциональный слой представлен прозрачной светопропускающей кутикулой.
Необходимый в большом количестве для создания свечения светлячка кислород вытесняется из клеточных митохондрий путем замещения его оксидом азота. У насекомых нет легких, поэтому все необходимые для существования процессы проходят в клетках, в том числе и дыхание. А нервная система регулирует режимы работы “фонарика”. В природе предостаточно организмов, “несущих свет” - рифы, глубоководные рыбы, моллюски, медузы и т.д. И у них, и у светляков за свечение отвечает пигмент люциферин, который активируется в люциферазе с помощью молекулы аденозинтрифосфата – АТФ, и, окисляясь, создает волшебное свечение. Это происходит во время отделения молекул углекислого газа, когда молекулы люциферина выходят из возбужденного состояния, высвобождая энергию света, тем самым светлячок начинает светиться в темноте. Таинственное и холодное свечение светляков и правда ничуть не греет - ну разве что душу. В фотонах нет ни инфракрасных, ни ультрафиолетовых лучей. Но зато “на освещение” уходит около 98% затраченной энергии, в отличии от обыкновенной электрической лампы, КПД которой всего лишь 10%, и чья энергия частично расходуется на бесполезное тепло.
Все жуки содержат один и тот же люциферин. Люциферазы, напротив, у разных видов различны. Отсюда следует, что изменение окраски свечения зависит от строения фермента. Как показали исследования, температура и pH среды оказывают существенное влияние на окраску свечения. На микроскопическом уровне свечение свойственно только цитоплазме клеток, ядро при этом остается темным. Свечение испускается находящимися в цитоплазме фотогенными гранулами. При исследовании в ультрафиолетовых лучах свежих срезов фотогенных клеток эти гранулы можно обнаружить по их другому свойству — флуоресценции — зависящему от наличия люциферина.
Зачем светлячки светятся? Дело в том, что биолюминесценцию можно и нужно отнести к способу общения полов - очень романтичному и прекрасному. Самцы североамериканских и тропических видов, например, устраивают настоящий предсвадебный флэшмоб. Насекомые сидят на дереве и в сумерках мигают вразнобой. Через время они ловят единый ритм, синхронизируясь в единый осветительный прибор - и дерево кажется украшенным живой гирляндой.
Самки светлячков, кстати, не отличаются особой красотой - у них, в отличии от самцов, нет крыльев, но они тоже синхронно люминесцируют в ответ ребятам с дерева. Однако женщины коварны - в особенности самки вида Photuris, которые прикидываются другим видом - Photinus. Впоследствии обманутые самцы вида Photinus оказываются съеденными, а вот самки обретают уверенность в завтрашнем дне, т.к. в организмах их жертв содержится особый фермент, отпугивающий птиц и пауков. Иногда акт каннибализма происходит и без веских причин. Представители женского пола подают особый сигнал, свидетельствующий о том, что они готовы к оплодотворению. Так самец понимает, куда ему лететь. А вообще, чем ярче он светится, тем больше женского внимания привлекает. Кроме того, светятся их личинки, куколки и яйца - вот этого ученые объяснить не могут. Но можно предположить, что таким образом они передают сигнал хищникам о том, что несъедобны.
В Евразии наиболее распространен вид, именуемый “Ивановым червячком” Светляк обыкновенный (лат. Lampyris noctiluca) считается, что именно в ночь на Ивана Купала эти насекомые активизируются. Интересным является тот факт, что из 2000 видов лишь немногие светлячки светятся, остальные преимущественно функционируют только днем.
Светящиеся органы в виде желтоватых пятен находятся на нижней стороне двух предпоследних сегментов брюшка. В темноте они испускают ярко-зеленоватый свет. Интересно, что отложенные самкой яйца первое время тоже испускают неяркое свечение, но скоро этот свет угасает.
Грибы
В природе существуют грибы, которые светятся в темноте зеленоватым светом. Одни светятся круглые сутки, а другие — только ночью(рис.3). Всё это — мелкие грибочки (диаметр шляпки от нескольких миллиметров до нескольких сантиметров), распространенные в тропиках и субтропиках. Самые известные относятся к роду Мицена (Mycena) из Южной и Центральной Америки.
Рис.3.Грибы
Механизм свечения грибов схож с механизмом свечения светлячков. Это химическая реакция с участием пигмента люциферина и кислорода. Свечение вызывается окислением этого пигмента. Что касается биологического значения свечения, то, скорее всего, так грибы привлекают к себе ночных насекомых, которые распространяют их споры.
Большинство видов грибов излучают слабый свет, который можно заметить только в очень темных условиях, но есть и такие, которые светятся достаточно ярко. Например, гриб Poromycena manipularis зачастую имеет настолько интенсивное свечение, что его можно заметить с расстояния 40 метров от него. Под светом P. manipularis можно даже читать.
Сегодня известно около 70 видов грибов, способных к биолюминесценции, но до сих пор точно не ясно, зачем же грибы испускают свет. По одной из гипотез исследователей, свечение необходимо некоторым грибам для привлечения ночных животных, которые распространяют их споры, помогая тем самым размножаться. А согласно другой версии, излучаемый свет гриба служит предупреждением о его ядовитости для животных.
Чаще светится плодовое тело целиком. В наших же широтах встречаются грибы, у которых светящийся мицелий.
Сила излучения разных видов зависит от таких факторов:
1.Длительность жизненного цикла;
2.Возраст плодового тела: старые грибы уже не светятся, в отличие от молодых;
3.Температура окружающей среды: наиболее интенсивная биолюминесценция этих грибов отмечается при показателях +21˚С;
4.Количество кислорода в воздухе: чем его меньше, тем слабее свечение.
На вопрос «Зачем грибам свет?» тоже нет однозначного ответа. Наиболее распространено мнение, что свечение привлекает насекомых, которые разносят грибные споры и тем самым помогают светящимся грибам осваивать новые территории.
Вообще, в мире существуют десятки видов «светящихся» грибов. Иногда светится только субстрат, оплетенный мицелием гриба, как в случае с опенком, у других же видов могут светиться и сами плодовые тела. В средней полосе к биолюминесценции способны все виды опят из рода Armillaria — те, что в народе называют осенними опятами, — и некоторые виды рода Mycena: epipterigia, haematopus, pura, stylobates (светятся и мицелий, и плодовые тела).
Планктон
Некоторые виды планктона также обладают свойством биолюминесценции, т.е. могут испускать свет. Благодаря этому явлению ночью в море иногда можно наблюдать светящиеся дорожки, вспыхивающие искры и другие зрелищные световые эффекты. Наиболее часто оно встречается в тёплых морях, однако в летнее время свечение можно наблюдать в Охотском и в некоторых других северных водоёмах(рис.4)
Световой эффект появляется благодаря биохимическим процессам, сопровождающим жизнедеятельность некоторых представителей простейших, называемых динофлагеллятами. Спусковым крючком для биохимической реакции обычно служит механическое раздражение, в том числе трение, создаваемое водным течением. В период размножения динофлагеллятов вода приобретает ярко-голубой цвет, однако купаться в ней не стоит: простейшие выделяют токсины, опасные для животных и человека. Любоваться удивительным природным явлением следует с берега, борта лодки или катера
Рис.4. Планктон
Некоторые группы динофлагеллят, такие как ночесветки, обладают способностью к биолюминесценции. Собираясь вместе, они могут быть замечены даже из космоса: огромная океаническая поверхность испускает голубоватый свет.
О биолюминесценции этих простейших было вполне известно достаточно, но общая картина не складывалась. Да, они могут начать светиться в ответ на механические или химические раздражители; да, за свечение у них отвечает фермент люцифераза. Но как именно клетка включает свою люциферазу, выяснилось только сейчас, после генетического анализа одного из светящихся динофлагеллят.
Учёные знали, чт о искать: ещё 40 лет назад было сделано предположение, что эти простейшие обладают потенциалзависимым протонным каналом. Так называют мембранный белковый комплекс, который в ответ на электрический импульс (изменение потенциала) пропускает протоны — ионы водорода — с одной стороны мембраны на другую. Такие потенциалзависимые каналы есть у человека, мышей и примитивных морских хордовых асцидий. И вот гены, необходимые для синтеза белков такого канала, были обнаружены и у динофлагеллят.
По мнению учёных, биолюминесцентный аппарат этих простейших работает так. При движении в толще воды механические силы вызывают электроимпульс, который устремляется внутрь клетки, к специальной вакуоли. Эта вакуоль, полый мембранный пузырёк, наполнена протонами. С ней соединены сцинтоллоны — мембранные пузырьки со «светящимся» ферментом люциферазой. Когда к вакуоли приходит электрический импульс, между ней и сцинтиллоном открываются протонные ворота. Ионы водорода перетекают в сцинтиллон и закисляют среду в нём, что делает возможным протекание биолюминесцентной реакции.
Лучше всего свечение этих простейших можно наблюдать в период размножения: число одноклеточных становится таким, что морская вода напоминает молоко — правда, уж слишком ярко-голубого цвета. Впрочем, любоваться динофлагеллятами следует с осторожностью: многие из них вырабатывают опасные для человека и животных токсины, поэтому, когда их становится слишком много, получать эстетическое удовольствие от светящегося прилива будет безопаснее на берегу.
Бактерии
Светиться могут и некоторые бактерии (рис.5). Они относятся к классу Gammaproteobacteria, который входит в отдел Proteobacteria домена Bacteria. Известно четыре рода водных светящихся микроорганизмов: Photobacterium, Vibrio, Aliivibrio и Shewanella, — а также один наземный, Photorhabdus.
Рис.5. Бактерии
Рыбы
Один из представителей глубоководных рыб, способных к биолюминесценции — рыба-удильщик или морской чёрт (рис.6). Названием «морской чёрт» удильщик обязан отталкивающей внешности.
Рис.6. Глубоководные рыбы.
Чтобы найти добычу на обед, хищнику нужно чем-то ее заинтересовать. Для этих целей морскому чёрту служит светящаяся «лампочка» на конце удлиненного спинного плавника. Длинный вырост в виде удилища называется иллиций. Роль фонаря играет кожистый мешочек, наполненный слизью. Внутри резервуара живут и размножаются люминесцентные бактерии. Рыба может манипулировать огоньком, по собственной воле расширяя и сжимая сосуды. При сжатии сосудов бактерии лишаются кислорода, поступающего в кожистую железу с током крови, и свет гаснет. Расширение сосудов позволяет «включить лампочку». В результате свечение выглядит, как сигналы «Азбуки Морзе» – серии длинных и коротких вспышек.
Чтобы приманить добычу, удильщик должен залечь на дно океана и притаиться, слившись с фоном из ила и водорослей. Затем хищник зажигает и гасит свет на конце удилища. Такое мигание выглядит, как блики на чешуе плывущих мелких рыбешек. Любопытные рыбки подплывают поближе к огоньку и находят страшную смерть в зубах глубинного чудовища. Процесс захвата очень быстрый, счет идёт на миллисекунды.
Кальмары
Многие головоногие моллюски, или цефалоподы, — кальмары и каракатицы, а также некоторые осьминоги — способны к биолюминесценции.
Рис.7. Кальмары.
Чтобы «включить» люциферин, кальмары увеличивают приток крови, несущей кислород к фотофорам. Однако увеличение или уменьшение притока крови — процесс довольно медленный, а кальмары могут заставлять свои фотофоры вспыхивать и гаснуть много раз в секунду (рис.7). Делают они это за счет специальных пигментных клеток — хроматофоров, способных по команде нервной системы практически мгновенно расширяться, закрывая фотофор, или собираться в точку, снова открывая светящийся орган.
Водоросли
Биолюминесцентныеводоросли– это группа крошечных морских организмов, которые могут создавать свечение в темноте(рис.8).
Рис.8. Водоросли.
Хотя это явление может происходить в любом регионе или на любой глубине моря, некоторые из самых потрясающих случаев происходят на поверхности, когда водоросли подходят близко к берегу, светясь при движении волн или при столкновении с лодками. Свечение водорослей на самом деле является естественным защитным механизмом; свечение возникает при нарушении среды обитания водорослей.
Рис.9.Биолюминисценция медуз
Рис.10.Биолюминисценция у креветок
Функции биолюминесценции
Поскольку биолюминесценция развивалась независимо многократно у разных видов, она имеет разные функции у каждого вида в зависимости от окружающей среды.
Маскировка. У многих видов, обитающих в глубоких водах морей и океанов мира, биолюминесценция используется для маскировки против просвета. Это достигается с помощью фоторецепторов в специализированных световых органах, которые соответствуют количеству света в окружающей среде, эффективно маскируя на заднем плане, если смотреть сверху. Например, некоторые виды кальмаров используют этот механизм биолюминесценции.
Оборона. Во многих видах фитопланктона биолюминесценция используется в качестве защиты от хищников. Поскольку потенциальные хищники высвобождают любые виды фитопланктона, которые излучают свет, считается, что эта черта эволюционировала. Некоторые виды кальмаров используют биолюминесцентные химические выделения, похожие на производство чернил. Другие виды кальмаров автоматически переносят биолюминесцентные конечности, которые отвлекают хищников, в то время как организм может спасаться бегством.
Привлечение добычи. Некоторые виды грибных комаров обитают в пещерной среде, и их личинки используют биолюминесценцию, чтобы поймать добычу с помощью висячих шелковых сетей, которые излучают синий или зеленый цвет. Такое свечение даже регулируется циркадными ритмами и включается и выключается в определенное время дня. Также для привлечения добычи биолюминесценцию использует рыба-удильщик.
Привлечение товарищей. Многие виды насекомых (например, светлячки и жуки-щелкуны) используют биолюминесценцию для привлечения потенциальных партнеров. Точно так же многие ракообразные используют люминесценцию, чтобы предоставить визуальный сигнал потенциальным партнерам, которых они приближают к производству феромонов. Многие виды используют биолюминесценцию, чтобы привлечь добычу, подражая другим видам. Некоторые глубоководные обитающие рыбы (например, морские рыбы) имеют придаток, содержащий биолюминесцентный слой. Некоторые виды светлячков используют вспышки других видов, чтобы привлечь самцов в качестве добычи.
Предупреждение. Многие виды используют биолюминесценцию как предупреждение для потенциальных хищников, что они не пригодны для потребления. Многие виды личинок насекомых, медуз и червей проявляют эту особенность как механизм отвлечения хищников.
Механизм свечения
Чтобы объяснить механизм свечения живых организмов требуется вспомнить строение атома(рис.11).
.
Рис. 11. Схема поглощения и излучения энергии электронами при переходе с орбитали на орбиталь.
В центре всех атомов находится ядро, вокруг которого вращаются по своим орбитам (правильнее называть их «орбиталями») электроны (рис.11).Электрон может находиться на ближайшей к ядру свободной орбитали, а может перейти на более далёкую, внешнюю.
Находясь на внешней орбитали, электрон обладает большим запасом энергии, поэтому, чтобы его туда забросить, ему нужно эту энергию сообщить. И наоборот, когда электрон «спускается» на внутреннюю орбиталь, энергия высвобождается — в форме излучения (инфракрасного, видимого или иного).
Излучать энергию непрерывным потоком нельзя: она выделяется только квантами — порциями (квант света называется фотоном). Таков закон природы. Не вдаваясь в подробности, отметим только, что размер этой «порции» может быть разным. Фотоны видимого света, особенно в синей части спектра, несут в себе гораздо больше энергии, чем «инфракрасные». Грубо говоря, энергия одного «синего» фотона примерно равна энергии двух-трёх «инфракрасных». То есть, получив избыток энергии, атом или молекула может избавиться от него, испустив либо один «синий» фотон, либо серию «инфракрасных».
У большинства веществ атомы, получив порцию энергии, излучают её в виде серии «инфракрасных» фотонов: «греют, но не светят». Условно говоря, их электроны спускаются с высокой орбитали на низкую «по ступенькам»: перепрыгивают помаленьку, каждый раз выделяя небольшой квант энергии. А вот устройство молекулы люциферина таково, что электрон, получив энергию, не может прыгать по ступенькам: он сразу же, одним махом, возвращается на внутреннюю орбиталь, излучая при этом фотон высокой энергии. Многие другие биохимические реакции идут в несколько этапов, и, хотя итоговый выход энергии может быть колоссальным, на каждом этапе она выделяется по чуть-чуть: ни одна порция не достигает энергии даже «красного» фотона, не то что «синего». Эти порции клетка использует для своей жизнедеятельности, а их остатки «достаются» соседним молекулам, вызывая их движение, то есть попросту нагревая вещество клетки. В обоих случаях энергия в итоге превращается в тепловую. А при окислении люциферина происходит резкая перестройка молекулы с одномоментным выделением большого количества энергии — в световой форме. Биолюминесценция — это холодный свет.
Практическая часть
Люминофор – вещество, способное поглощать световую, тепловую и механическую энергию и отдавать ее (светиться) на протяжении нескольких часов без подзарядки. В люминофорах светящихся организмов находится пигмент люциферин, который при окислении способен светиться. Первый люминофор был разработан 30 лет назад и вытеснил фосфор из тех областей, где он раньше использовался. В настоящее время люминофоры применяются в различных сферах деятельности человека. Это могут быть светящиеся лаки, краски, картины, циферблаты часов, принадлежности для рыбалки и охоты, дорожная разметка, специальная одежда и обувь, украшения, типографская краска, краска для обоев, подсветка для театрализованных и цирковых представлений, ночные светильники, уличная подсветка. Использование люминофоров в технике позволяет нам экономить на электроэнергии, так как развитие полупроводниковой техники стимулировало работы по созданию инжекционных электролюминесцентных источников освещения. Возможность смотреть телевизор предоставляется благодаря люминофорам, ведь для экранов приемных телевизионных трубок практикуется использование смесей люминофоров для получения высокой яркости свечения близкого к белому. Применение люминофоров в медицинской отрасли позволяет делать рентген и флюорографию. А также способность люминофоров светиться без электрического источника энергии нашла применение в системах эвакуации и пожарной безопасности. Неорганические люминофоры применяют в люминесцентных лампах, электроннолучевых трубках, для изготовления рентгеновских экранов, служат индикаторами радиации и др. Люминофоры применяются в технике для выявления микротрещин и дефекта в деталях. В химии, биологии и медицине используется люминесцентный анализ с применением люминофоров. Таким образом, можно сделать вывод, что люминофоры встречается в самых различных областях человеческой деятельности.