Биолюминесценция — способность живых организмов светиться, достигаемая самостоятельно или с помощью симбионтов. Свет создаётся у более высокоразвитых организмов в специальных светящихся органах (например, в фотофорах рыб), у одноклеточных эукариот — в особых органоидах, а у бактерий — в цитоплазме. Биолюминесценция основывается на химических процессах, при которых освобождающаяся энергия выделяется в форме света.
Согласно ранним теориям, при свечении морской воды свет излучается молекулами соли, трущимися о молекулы воды, подобно тому, как он излучается куском кремния при трении его о сталь. Интересную гипотезу о возникновении люминесценции выдвинули В. Макелройи Г. Селиджер. Их внимание привлекло то обстоятельство, что люминесцируют главным образом простейшие организмы — бактерии, грибы, беспозвоночные и ракообразные, то есть большей частью те организмы, которые живут в воде в относительно анаэробных условиях. Авторы гипотезы считают, что во время появления первых форм жизни на Земле существовали анаэробные условия (отсутствие кислорода). Организмы, деятельность которых была приспособлена к бескислородным условиям, восприняли более позднее появление кислорода как токсический фактор и, таким образом, появилась необходимость химически связать кислород, по крайней мере в организме. Поэтому в результате естественного отбора выживали только те формы организмов, у которых появились специфические окислители — ферменты, обеспечивающие быстрое использование кислорода.
Но если в основе биолюминесценции лежат химические реакции, возникает вопрос, почему светятся не все организмы, — ведь химические реакции, как известно, происходят в каждой клетке. Мысль о том, что, наряду со специализированным излучением — биолюминесценцией, в биологических системах существует слабое излучение, универсальное по своей природе и характерное для всех клеток организма, была высказана уже давно. В 30-х годах В. Лемешкин заявил, что ему удалось открыть очень слабые излучения в ультрафиолетовой части спектра, которые можно зафиксировать, применяя специальные фотопластинки. Поскольку это излучение возникает при отмирании клеток, его назвали некробиотическими лучами. Дальнейшие исследования не нашли широкого отклика и прекратились.
Несколько позднее А. Гурвич сообщил об универсальном излучении, которое производят клетки растений и животных.
В 1954 году группа итальянских физиков построила особо чувствительное устройство с охлаждаемым фотокатодом. Оно дало возможность наблюдать слабое излучение в видимой части спектра, производимое большим количеством корневых окончаний, то есть участками, в которых происходит интенсивный рост. Со временем стали известны поразительные факты: практически любые живые ткани излучают слабый свет в видимой части спектра.
Теперь доказано, что любое свечение, наблюдающееся на поверхности моря или в его глубинах, целиком обязано живым существам.
У многих видов светящихся животных не удалось установить биологическую целесообразность этого явления. Высказываются гипотезы о том, что в основе биолюминесценции лежит регуляция энергетических потоков, а сам механизм восходит к тому этапу жизни, когда в атмосфере Земли начал появляться кислород. Но несмотря на отсутствие ответов на многие вопросы происхождения и биологической целесообразности биолюминесценции, сам по себе механизм свечения имеет очень интересные свойства и существенную прикладную значимость для гидронавтики.
Биолюминесценция действительно заслуживает самого большого внимания, однако главным с точки зрения бионики здесь является совершенство механизма превращения энергии – к. п. д. свечения составляет более 90%, а эффективность его исключительно высока, так как максимум свечения приходится на область наибольшей чувствительности глаза и все излучение сосредоточено в видимой части спектра.
В прибрежной зоне теплых морей в летнюю ночь любой слабый или сильный всплеск воды вызывает интенсивное свечение одноклеточных организмов Noctiluca. Трудно поверить, что источником каждой яркой вспышки является микроскопическое существо, размеры которого от 0,25 до 2,5 мм. По свидетельству Р. Кэррингтона, шесть маленьких планктонных веществ Euphasiide, помещенные в стеклянную банку, излучают такое количество света, что человек с хорошим зрением может читать газету.
Там, где удалось установить биологическую целесообразность биолюминесценции, этот механизм имеет главным образом сигнальное значение (он служит для связи особей одного вида, обнаружения опасности и пищи, имитации силуэта с целью отведения угрозы, ослепления нападающего и т. д.). В ряде случаев биолюминесценция явно используется для подсветки, обеспечивая работу органов зрения в темноте.
Не следует думать, что биолюминесценция всегда проявляется одинаково. Ее механизмы весьма разнообразны. В органе свечения сконцентрировано множество механизмов биолюминесценции, реализованных в живой природе.
У некоторых рыб светящиеся органы представляют собой настоящие фонари с линзами и отражателями. Рыба, обладающая такими фарами, может их поворачивать, направлять свет в определённую точку, либо выключать, заслоняя светящиеся органы специальными шторками. Коэффициент полезного действия свечения превышает 90%.
Для люминесценции, как и для всякого другого свечения, необходима энергия. Но люминесцентное свечение кажется странным по сравнению с другими – оно как бы непосредственно переводит в свет энергию, не превращая ее в тепло. Иногда отдача световой энергии осуществляется с заметной задержкой во времени относительно стимулирующего воздействия и тогда явление кажется еще более загадочным. Биофизика и биохимия прошли большой путь поисков и открытий, прежде чем были получены первые строгие ответы на ряд загадок биолюминесценции. К настоящему времени в общих чертах определились основные закономерности возникновения и существования биолюминесценции как результата сложных процессов жизнедеятельности, как следствия воздействия специализированного белкового фермента – люциферазы (или мегреферазы) – на специализированный агент – люциферин, в превращении которого, сопровождающемся выделением света, принимает участие богатое энергией соединение аденозинтрифосфат (АТФ). Таким образом, уже созданы все предпосылки к проведению работы в бионическом плане. Для бионики проблемы биолюминесценции важны еще и потому, что наряду с прикладным использованием этого явления в гидросфере свечение живого может явиться существенным дополнением к изучению клеточного уровня его внутренних структур.
Биолюминесценция выполняет следующие биологические функции:
- привлечение добычи или партнёров
- коммуникация
- предупреждение или угроза
- отпугивание или отвлечение
- маскировка на фоне естественных источников света
Во многих случаях функция биолюминесценции в жизни отдельных светящихся организмов выяснена не до конца, либо вообще не изучена.