Флуоресценция. Новые краски ночного дайвинга

Не так давно всем дайверам стала доступна еще одна тайна Океана. Ночью, если вооружиться специальным фонариком и фильтром на маску, попадаешь в совсем иной, непривычный мир. Маска с фильтром не пропускает свет фонарика, поэтому погружение происходит почти что в полной темноте. Глаза постепенно привыкают различать контуры дна и громаду рифа рядом с собой. И так же постепенно начинаешь осознавать, что коралловый риф и его обитатели выглядят совершенно по-другому, не так, как ты видел их днем и не так, как видел их ночью до этого волшебного момента. В темноте ночи ярко-зеленым, ярким, «кислотным» красным, неоново-фиолетовым высвечиваются части кораллов, актинии, некоторые рыбы и голожаберники. Осторожно, стараясь не наткнуться на камни и крылаток, наощупь перемещаешься между этими, будто взятыми из японских мультиков, цветами.


Что же мы видим на самом деле? Что это светится, и что за специальный фонарь у нас в руках и фильтр на маске?
Фундаментальная наука порой врывается в повседневную жизнь в самых неожиданных местах. Так происходит и с ночной флуоресценцией – дайверы внезапно получили новые возможности из-за относительно недавнего прорыва на стыке химии и биологии. В 2008 году Нобелевскую премию по химии получили совместно три ученых: Мартин Чалфи, Осаму Шимомура и Роджер Тсиень (Роджер Цянь).

Премия была вручена за вклад в открытие свойств GFP – зеленого флуоресцентного протеина (Протеин – в русском языке синоним слова белок). История началась с 60-х годов и работ Шимомуры по изучению свечения медузы Aequorea victoria. Эта небольшая медуза светится зеленоватым светом, хорошо видимым невооруженным глазом. Почти так же, как и экворея, но более голубым светом, светится планктонная водоросль ночесветка, радуя ночных посетителей черноморских пляжей романтическими синими блестками в безлунной ночи. Этот тип свечения был назван биолюминесценцией – светится животное в ответ на какой-то стимул, причем на свечение тратится энергия.

Если медузу долго заставлять светиться, рано или поздно у нее «сядет батарейка» и свечение сначала будет слабеть, а потом и вовсе затухнет, пока медуза вновь не наберется сил. Шимомура выяснил, что из-за происходящей в клетках медузы химической реакции светится специальный белок экворин (голубым светом), а второй белок – GFP, отбирает у него часть энергии и окрашивает свечение в зеленоватые тона. Долгие годы прошли, пока молекулярные биологи не смогли выяснить структуру белка, найти ген, отвечающий за его синтез и встроить ген в культуру кишечной палочки – один из любимых экспериментальных объектов для генетиков. Статья с победными результатами была опубликована в Science Мартином Чалфи только в 1994 году. Но получаемая молекула GFP светилась слабо, разрушалась при температуре 37 градусов и была очень чувствительна к pH и солености. Капризный ген был подвергнут ряду модификаций группой Роджера Тсиена на протяжении 1994-2002 годов, в результате чего получились стабильные и яркие молекулярные красители, важность которых в сегодняшней биологии и медицине трудно недооценить. С помощью GFP были разработаны так называемые биосенсоры. При введении белка в живые ткани, как люминисцирующего маркера, стало возможным наблюдать за ранее недоступными процессами. К примеру, за ростом нервных клеток и даже за развитием раковых опухолей.
А совсем недавно, в ходе изучения флуоресценции кораллов группе российских ученых случайно удалось обнаружить новую химическую реакцию. Выяснилось, что в результате этой реакции синтезируются необычные гетероциклические соединения, проявляющие активность против вируса гриппа. И сейчас идут активные работы по созданию лекарства нового поколения.
Давайте же разберемся теперь, что светится в море, каким цветом и как все это правильно назвать. Итак, свечение организмов самих по себе – это биолюминесценция. Зачем тогда все эти специальные фонарики и фильтры? Для того, чтобы разглядеть другой тип свечения – биофлуоресценцию.

Это свечение не возникает само собой, сначала надо посветить на животное, чтобы оно начало светиться в ответ. Ничего не напоминает? Схожий эффект есть у стрелок часов, у дисплеев наручных приборов. Один нюанс – они не живые, а покрыты специальной краской, свечение которой называют фосфоресценцией. С фосфоресценцией каждый может поиграть ночью с фонариком в темной комнате, а вот для наблюдения за биофлуоресценцией придется вооружиться специальным оборудованием.
Как мы знаем из школьного курса физики, видимый свет – это электромагнитное излучение с длинами волн в диапазоне от примерно 380-400 нм (ультрафиолет) до примерно 760-780 нм (инфракрасное излучение).

Волновой диапазон 100 — 280 нм 280 — 315 нм 315 — 380 нм 380 — 780 нм 780 нм — 1,4 мкм 1,4 — 3 мкм 3 мкм — 1 мм
Название
(обозначение)
Дальний УФ диапазон
(УФ-C)
Средний УФ диапазон
(УФ-B)
Ближний УФ диапазон
(УФ-A)
ВИДИМЫЙ
свет
Ближний ИК диапазон
(ИК-А)
Средний ИК диапазон
(ИК-В)
Дальний ИК диапазон
(ИК-С)

Кроме того, свет – это поток фотонов, частиц, обладающих некой энергией. Эти два момента важны для понимания того, что будет написано дальше, поэтому постарайтесь освежить их в памяти. Видимый свет в морской воде распространяется не очень хорошо, вода пропускает практически только видимую часть спектра, максимум пропускания находится в диапазоне от синего до зеленого цветов. Забавно, что именно в этой части спектра сильнее всего энергия излучения Солнца – это совпадение позволяет растениям существовать на глубинах до 100 метров.
Итак, биофлуоресценция – это свечение организмов в ответ на облучение светом, причем у флуоресцирующих организмов есть максимум поглощения света и максимум испускания, всегда происходящего с большей длиной волны. Например, для самого известного, «нобелевского», белка GFP максимум поглощения (возбуждения) – 395 нм, практически глубокий ультрафиолет, а максимум испускания (эмиссии) – 509 нм, зеленовато-синий видимый свет. Значит, для того, чтобы свет увидеть, я должен ультрафиолетом посветить на GFP – и наслаждаться видимым светом в ответ.
Но множество флуоресцирующих молекул имеют максимум возбуждения в видимом свете, а испускают в ответ довольно слабый свет, поэтому нам надо светить на них мощным видимым светом, пытаясь в ответ увидеть слабое свечение другого цвета. Задача невозможная, потому что свой источник света нам будет «забивать эфир», и никакой флуоресценции мы не увидим. Поэтому для решения задачи нужны два компонента: фонарик с лучом синего (близкого к фиолетовому) цвета – около 470 нм и фильтр, отсекающий свет ниже 480 нм (чтобы не видеть свой фонарик). То же и для фотографирования или видеосъемки: на источник света нужен фильтр 470 нм и ниже по спектру, а на объектив – 480 и выше по спектру.
Заказать все необходимое для наблюдения или для фото- видеосъемки флуоресценции можно здесь: http://www.nightsea.com/fluorescence-product-catalog/


Эта фотография шишкоголового попугая сделана с применением фильтра, котрый пропускает только УФ свет, выше по спектру, чем 470 нм, но без «отсекающего» оранжевого фильтра на объективе.


А эта «улыбка» попугая сделана с полным комплектом фильтров.

Откуда же биофлуоресценция взялась? Дело в том, что свет – это важно и нужно, но надо точно дозировать его количество (о чем знают все, кто хоть раз в жизни обгорел на солнце). Слишком много энергии фотонов внутри организма может приводить к нарушениям жизнедеятельности, поэтому конкурентное преимущество получили организмы, у которых в результате случайной мутации однажды появился белок, способный энергию полученного фотона захватывать, преображать и выкидывать обратно в виде того же фотона, но с меньшей энергией (потери на «трение»). Своеобразный «аварийный клапан». В животном мире есть целое семейство таких белков, и используются они совершенно по-разному.
Наши любимые кораллы зависят от света, как никто – свет питает их симбионтов, одноклеточных зооксантелл. Чтобы правильно и хорошо облучать водоросли, надо подобрать для них лампу нужного спектра, об этом знают все аквариумисты. Но не аквариумисты первыми решили эту проблему: кораллы умеют не только правильно освещать зооксантелл или затенять их на слишком ярком солнце, но и преобразовывать спектр падающего на них света в максимально приемлемый для симбиотических водорослей. Это позволяет симбионтам кораллов нормально фотосинтезировать на такой глубине, где одиночные водоросли испытывали бы острую нехватку света. Ну а поскольку кораллов разных много, много и белков и пигментов, возвращающих нам свет нашего фонарика преобразованным в разные другие цвета (от зеленого до темно-красного).

Не только кораллы содержат в себе флуоресцентные белки – под водой ночью хорошо «светятся» и многие рыбы. Отчего вдруг рыбам вздумалось светится – ученым совершенно непонятно, но тем не менее, найти их под водой, вооружившись комплектом для наблюдения флуоресценции – очень здорово.

Интересно, что наличие в кораллах светящихся пигментов позволяет оценивать состояние «здоровья» рифа. У здоровых, активно растущих кораллов пигмента много, а слабые, угнетенные кораллы того же вида пигмента почти не содержат. Это наблюдение активно используется экологами для контроля состояния рифов.

Явление флуоресценции последние годы активно  используются подводными фотографами во всем мире для создания совершенно невероятных  фотографий, где привычные нам краски морских обитателей пропадают и возникают новые цвета, поражающие нас своей неожиданностью и фантастичностью.
В нашей стране неоспоримом лидером и новатором в художественной съемке флуоресценции является фотограф Сергей Шанин.
Его работы с флуоресценцией можно смело назвать настоящим украшением подводной фотографии.


«Мумия Атланта» С. Шанин


«Шкура Дракона» С. Шанин


«Нейронные сети» С. Шанин

Как, наверное, вы заметили, цветовая гамма на фотографиях Сергея гораздо шире, чем на предыдущих. На них мы видим, что кораллы светятся не только в спектре от зеленого до красного, но и более холодными цветами, от синего до фиолетового.


«Актиния в ультрафиолете» С. Шанин

Дело в том, что Сергей для своего творчества использует под водой источник света с жестким ультрафиолетом с длиной волны 370 нм, т.е. ультрафиолет, который не виден человеческому глазу! В ответ на такое возбуждение начинают проявлять активность флуоресцирующие белки с испусканием (эмиссией) начиная от фиолета и выше по спектру. Свет, который испускают кораллы в холодных цветах, гораздо слабее, чем тот, который дает самый известный зеленый (GFP), поэтому Сергей работает на предельных значениях светочувствительности своих камер, и психологических возможностей своего организма. Дело в том, что человеческий глаз не может сфокусироваться в жестком ультрафиолете и возникает огромнейшая нагрузка на вестибулярный аппарат, вплоть до головокружения и тошноты.
Но для настоящих исследователей и художников, для людей, которые стремятся совершать открытия и создавать шедевры, нет никаких преград и нет ничего невозможного. Благодаря именно таким людям мир узнал о таком явлении, как флуоресценция кораллов. Медицина получила новый, незаменимый инструмент для диагностики и лечения многих заболеваний, а ночная жизнь морей заиграла новыми, совершенно фантастическими красками, котыми мы сегодня с вами с радостью поделились.


«Зарождение новой жизни»  С. Шанин

Текст: Константин Соловьев, Андрей Сидоров.
Фото: Андрей Сидоров, Сергей Шанин.