Сразу же необходимо принять во внимание, что для многих видов биологическую целесообразность свечения установить не удалось.
Об этом мы уже говорили раньше. С другой стороны, в природе ничего не возникает просто так. Раз есть яркое свечение, специально стимулированное особыми веществами, значит оно для чего-то нужно. Если не для жизни самой особи, то, может быть, для жизни ее клеток?
Нет сомнения, что если жизнь есть круговорот энергии, то регуляция энергетического потока — одна из важнейших функций организма. Организм предохраняет молекулы от диссоциации путем высвечивания лишней энергии. Этот тезис делает для нас понятным роль слабого свечения, сопровождающего обменные процессы в тканях. Спасительная для молекул функция высвечивания может отчасти объяснить и некоторые явления, связанные с яркой биолюминесценцией.
Размышляя над загадкой казалось бы совершенно нецелесообразного яркого свечения многих организмов, а также учитывая хаотическое распределение светящихся существ на карте систематики видов, ученые постепенно пришли к мысли, что решение вопроса нужно искать не только в современных условиях жизни вида, но и в условиях жизни в прошлом. Иными словами, объясняя экзотическую биолюминесценцию, необходимо принимать во внимание пути эволюции вида. Может ли живое свечение быть в каких-то случаях рудиментарным признаком — ненужным сейчас, но нужным раньше, при других условиях существования?
Если это окажется именно так, то сразу будут достигнуты две цели: прояснится тайна биолюминесценции и будет получен дополнительный материал, касающийся такого важнейшего вопроса, как эволюция животных и растений.
Нам известно, что почти все виды в качестве основной энергии для жизни используют энергию окисления. С другой стороны, мы знаем, что эта энергия слишком велика и для своих целей одноактно организм может взять лишь незначительную ее долю. Сейчас в клетках выработался сложный механизм ступенчатого расходования энергии окисления с помощью создания энергетических запасов в макроэргических фосфатных связях. Но что было в давние времена, когда организмы были примитивнее?
Ответ подсказывает нам изучение светящейся медузы (Aeguorea) одной из редких животных, люминесцирующих в отсутствие кислорода. Свечение этой медузы возникает при действии на субстрат ионов кальция. Субстрат был извлечен из медузы и изучен в лаборатории. Это оказался специфический белок экварин. При взаимодействии с ионами кальция экварин, скорее всего, служит донором электронов, т. е. он окисляется (но без кислорода). И вот экварин подвергли воздействию ионов кальция вне тела медузы. Возникло ясное голубое свечение. Но сама медуза светится зеленым светом. В чем же тут дело?
Нетрудно было подсчитать разницу в энергии голубого фотона, испускаемого свободным экварином, и зеленого фотона, который излучается живой медузой. Получается примерно 8 ккал/моль — как раз та небольшая энергетическая ступенька, которая может быть основана клеткой и аккумулирована АТФ.
Можно объяснить это явление иначе. При контакте экварина с ионами кальция образуется возбужденный комплекс с энергией возбуждения около 61 ккал/моль. Такая энергия совершенно неприемлема для клетки. Клетка может использовать лишь восемь-десять килокалорий на моль. Куда же деть остальные 53 ккал? Если нет развитого и сложного механизма накопления энергетических запасов, то остается только одно — выбросить излишек энергии. При этом и возникнут зеленые фотоны.
Сейчас сопряжение всех ступенек потребления энергии окисления налажено у живых существ исключительно совершенно. Маленькие «шероховатости» в этом сопряжении у высших животных регулируются слабой биолюминесценцией, не оказывающей заметного влияния на энергетический баланс. Ни одна калория не пропадает зря. Но так было не всегда. В далекие времена живые существа были менее совершенны. Функция высвечивания, спасающая клетки от перевозбуждения, играла тогда определяющую для выживания особей роль. В некоторых организмах эта способность осталась в виде рудимента от тех эпох, когда предохранять клетки от перевозбуждения организм мог лишь примитивнейшим способом — выбрасыванием излишней энергии.
Иную точку зрения избрали американские ученые Мак-Элрой и Селиджер. (Им не было известно сверхслабое свечение тканей млекопитающих и способность липидов к хемилюминесценции.) Их теория основывалась только на исследовании яркого, видимого глазом, ферментативного свечения экзотических животных. Они положили в основу своей гипотезы тот факт, что когда-то на Земле не было кислорода. Это можно считать абсолютно точно установленным наукой. Весь кислород нашей планеты, т. е. значительная часть воздушного океана, создан в позднейшие времена жизнедеятельностью растений.
Итак, вообразим себе атмосферу, лишенную кислорода. Примитивная жизнь уже есть, но она вся анаэробная — существа живут не за счет окисления субстратов кислородом, а за счет других реакций. Но вот постепенно кислород появляется. Как должны были реагировать на это анаэробные организмы?
На примере современных анаэробных бактерий мы знаем, что кислород токсичен для организмов, не нуждающихся в нем для своего энергетического обмена. Для анаэробных организмов появление кислорода в атмосфере стало бы роковым, если бы они не развили в себе способность препятствовать образованию в своих клетках губительных перекисей. Для этого в процессе естественного отбора выработался субстрат, который быстро восстанавливал кислород (отдавая ему электроны) и сразу переводил энергию возбуждения в фотоны, т. е. высвечивал энергию окисления, совершенно не предусмотренную в балансе анаэробного организма. Таким образом, по гипотезе Мак-Элроя и Селиджера высвечивание древних существ спасало клетки. Но, если мы говорили о защите от неподходящих порций энергии, то американские биологи ведут речь о защите от неподходящего способа потребления энергии.
Нельзя не признать хотя бы частичную правоту гипотезы Мак-Элроя и Селиджера, ибо защитная функция биолюминесценции анаэробов, подвергшихся воздействию накопляющегося кислорода, бесспорно имела место. Неясно только одно: можно ли все свечение в современном живом мире трактовать как остаточное со времен появления кислорода в атмосфере Земли. Вероятно, решение вопроса не может быть таким простым и должно объединить несколько причин. Иначе трудно объяснить, например, почему некоторые современные животные светятся в отсутствие кислорода. Как согласовать это с гипотезой о светящихся анаэробах? Почему некоторые животные светятся только ночью, хотя днем кислород из атмосферы никуда не исчезает?
Вопросами не принято кончать повествование. Но те вопросы, которые встали перед нами после всего сказанного, не ведут к пессимизму. Наоборот, они показывают, что изучение биолюминесценции как экзотической, так и слабой, дает надежные и зачастую незаменимые ключи к наиболее волнующим проблемам развития жизни на Земле, микроструктуры живых клеток и механизма внутриклеточного обмена веществ и энергии.
Излучение клетками фотонов — такое же неизбежное и повсеместное явление, как выделение тепла живой тканью. И слабое, и яркое свечение — результат одних и тех же глубинных превращений энергии, происходящих в организме и в веществах, его составляющих. Одни животные используют испускание света возбужденными молекулами для биологических целей (светляк), другие сохраняют его как пережиток давних периодов истории вида, третьи и сейчас используют излучение как клапан, выбрасывающий излишнюю энергию. Так или иначе, живая материя и ее непрерывные превращения неразрывно связаны с лучеиспусканием. Иначе и не может быть, ибо материя едина и обе ее формы — вещество и излучение — переходят друг в друга, взаимодействуют.
Свет, идущий в наш глаз от окружающих предметов, возбуждает зрительный нерв, и мы видим различные изображения, получаем информацию о внешнем мире. Энергия фотонов, попадающих на сетчатку, преобразуется в энергию возбуждения нейронов. Этого не было бы, если бы квантовые системы — молекулы, ионы и радикалы — не взаимодействовали с фотонами. Мы были бы слепыми.
Но, как выяснилось в последние годы, имеет место и обратный процесс. Возбужденные в результате многообразных и сложных химических реакций, происходящих в клетках, молекулы внутриклеточных структур превращают часть химической энергии в энергию фотонов. Эти фотоны можно уловить приборами. Оказалось, что живая клетка больше похожа на звезду, чем на планету. Она посылает сведения о себе — она излучает!
Фотоны, идущие из глубины живой материи, могут дать информацию о самом сокровенном — о внутренней молекулярной жизни клетки. Получать эту информацию ученые смогли сравнительно недавно. Предстоит значительно усовершенствовать методы ее получения и, главное, научиться ее правильно расшифровывать. Но уже полученные результаты, охватившие все виды люминесценции живых тканей и их «мертвых» компонентов, дали удивительно много для понимания сущности жизни.
Развивается новая отрасль биофизики — квантовая биология. Она будет с каждым годом набирать силы и приниматься за все более сложные и интересные проблемы. Можно не сомневаться, что эта книжка скоро устареет, ибо утверждение, что все молодое развивается особенно быстро, относится в первую очередь к биофизике.