Море живет — море светится

Летом 1968 г. на дне Голубой бухты близ Новороссийска была установлена подводная лаборатория «Черномор». Несколько экипажей, сменяя друг друга, провели под водой наблюдения по разнообразным программам.

Во время проведения гидрооптической программы для океанавтов были предусмотрены ночные выходы из подводной лаборатории. В черной воде во время движения океанавтов вспыхивали голубоватые искры. Если кто-нибудь из них делал случайно вращательное движение рукой, то получался светящийся круг. Источником довольно ярких вспышек оказались мельчайшие одноклеточные жгутиковые организмы — ночесветки (Noctiluca miliaris). Их размеры 0,2–2 мм.

В свечении моря повинны и многие другие мелкие обитатели — планктонные рачки, креветки, моллюски. Но основной вклад в свечение моря вносит все тот же планктон. Есть предположение, что Колумб принял мерцание больших скоплений одного тропического многощетинкового червя за световые сигналы, подаваемые с неведомой земли. Он описал эти сигналы как свет свечи, которая то поднималась, то опускалась. Колумб видел таинственные вспышки примерно в 22 часа 12 октября 1492 г. Историки, исследовавшие судовые документы «Санта-Марии», приходят к выводу, что во время наблюдения световых сигналов корабль Колумба находился в 80–85 милях от острова Ватлинг. Следовательно, он не мог видеть на таком расстоянии пламени свечи.

В то же время естествоиспытатели заметили, что в этих местах в последнюю четверть Луны регулярно к поверхности моря поднимаются светящиеся черви. 12 октября 1492 г. также приходится на последнюю четверть Луны; вероятно, внимание Колумба и было привлечено свечением червей.

То, что вспышки достаточно интенсивны и могут быть видны на значительном расстоянии, убеждает следующий пример. Всего шесть миниатюрных рачков-эуфаузиид, помещенных в стеклянную банку, излучают такое количество света, что человек с хорошим зрением свободно читает газету.

Свечение организмов может быть внутриклеточным и внеклеточным. Первый вид свечения встречается чаще. Оно свойственно массам одноклеточных организмов и бактериям. У высших ракообразных или рыб оно сосредоточено в особых органах — фотофорах. Внеклеточным свечением обладают, например, некоторые кальмары и креветки, выбрасывающие в качестве завесы светящуюся слизь.

Сейчас биохимики установили, что свечение происходит главным образом при окислении люциферином (протеин с большим молекулярным весом) люцифераза — вещества, близкого к витамину К. Оба эти вещества содержатся в специальных клетках организмов. Физическая сущность явления также понятна — это биолюминесценция, или живой холодный свет. При биолюминесценции энергия химической реакции, вызвавшей свечение, почти полностью переходит в свет без затраты на тепло. Коэффициент полезного действия свечения превышает 90 %.

Ранние теории объясняли свечение моря тем, что в море светится фосфор (отсюда понятие «фосфоресценция моря»). Существовала также гипотеза об отдаче водой поглощенного в светлое время суток солнечного света. Согласно «механической» точке зрения, свет излучается молекулами соли, трущимися о молекулы воды.

Механическое воздействие тех или иных раздражителей необходимо для высвечивания организмов. К ним относятся и движение воды, и трение о пузырьки воздуха, и прикосновение к посторонним, особенно движущимся, предметам. Только у рыб и некоторых высших ракообразных и моллюсков свечение обусловлено нервно-гормональной деятельностью. Заметим, что только свет бактерий не зависит от внешнего раздражения.

Итак, свечение моря — это проявление биолюминесценции, суммирующееся из биолюминесцентных вспышек морских организмов. Чаще всего биолюминесцентные сигналы очень слабы и для их восприятия необходимы весьма чувствительные приемники световой энергии — фотоэлектронные умножители. Человеческий глаз может едва-едва различить эти сигналы, находясь даже на небольшом расстоянии. Но в море наблюдалось свечение, которое хорошо заметно и на значительных расстояниях.

В статье итальянского исследователя Л. Каппуро «Океанография из Космоса» (Bollet. di Geofis. Teor. ed Applicata, 9, № 33, 1967), со ссылкой на американского космонавта Карпентера, утверждается, что светящийся след большого корабля в тропических морях может быть виден с высоты 100–200 км.

Свечение усилится, если на поверхность моря посылать световые импульсы. Американский исследователь Нашиба, применяя импульсную ксеноновую лампу, установил, что уровень биолюминесценции в результате оптической стимуляции светящихся организмов увеличился в тысячу раз. Даже в результате визуальных наблюдений сложилось представление об огромном масштабе этого явления. Оно захватывает большие акватории и практически все широты. Вот что писал Ч. Дарвин во время плавания на корабле «Бигль», находясь у южноамериканского материка: «…дул свежий ветерок, и вся поверхность моря, которая днем была покрыта пеной, теперь сияла белым светом. Перед носом корабля вздымались две волны как бы из жидкого фосфора, а за ним тянулся млечный след…»[35] Дарвин наблюдал свечение моря в тропических широтах. Но вот записи капитана ледокольного парохода «Седов» К. С. Бадигина во время дрейфа в центральной части Северного Ледовитого океана: «…Южный ветер разводит в полынье волну. Волны лижут нашу льдину. Когда вода сбегает, на льду остается зеленоватое фосфорическое свечение…»[36]

Иной раз свечение моря проявляется в виде странных светящихся полос или кругов. Это так называемое фигурное свечение. Моряки торговых судов, наблюдавшие его, рассказывают, что их охватывало чувство страха, когда светящиеся полосы и колеса перемещались по поверхности ночного моря. Одному из авторов близ Ходейды в Красном море удалось наблюдать четыре светящиеся полосы, соединявшиеся в одной точке и несколько напоминающие слабые лучи прожектора, которые медленно двигались против часовой стрелки. Вышедшая из-за облаков Луна ре позволила далее вести наблюдение. Объяснение фигурному свечению недавно нашел немецкий океанолог К. Калле. Проанализировав более двух тысяч такого рода наблюдений, он сделал вывод, что причина фигурного свечения — высвечивание у поверхности моря мельчайших организмов, потревоженных ударными волнами, возникающими при подвижках и смещении слоев на дне моря. Ударные волны передаются в толщу воды, и на поверхности моря, где скапливаются светящиеся организмы, создается своего рода интерференционная картина. Если сейсмические источники на дне моря меняют свое положение, то она приходит в движение.

Строго говоря, под свечением моря понимают увеличение яркости поверхности моря за счет света морских организмов, скапливающихся в приповерхностном слое воды. Однако биолюминесценцию наблюдали и в толще морской воды.

Мы уже упоминали о наблюдениях океанавтов «Черномора». Из подводной лаборатории «Карибское море-1», установленной в июле 1966 г. на дне бухты Ринкон-де-Гаунаба неподалеку от Гаваны, океанавты также наблюдали биолюминесценцию. Мигель Монтаньес записал в своем дневнике: «Я долго наблюдал за жизнью моря ночью. То здесь, то там вспыхивали и гасли бесчисленные маленькие огоньки. Звездное и лунное сияние не в силах пробить 20-метровую толщу вод. Единственный источник естественного света в ночных глубинах— масса планктона. В этом призрачном свете изредка проплывали какие-то незнакомые фосфоресцирующие рыбы…»[37]

Но подводные лаборатории пока устанавливаются сравнительно неглубоко. Правда, и на глубинах значительно больших исследователи своими собственными глазами видели светящихся животных. Еще Уильям Биб, опускавшийся в битискафе на глубину 923 м, сообщал о светящихся существах. Он даже сделал несколько уникальных фотографий, снимая люминесцирующихся животных в их собственном свете.

Профессор Огюст Пиккар на батискафе «Триест» достиг дна Средиземного моря на глубине 1080 м. «Мы гасим свет — наступает полный мрак. Я подхожу к иллюминатору: поле моего зрения пересекает какая-то светящаяся точка, подобная падающей звезде. Живое существо! Растение или животное? В такой темноте не могут быть настоящие растения. Мы часто замечаем фосфоресцирующих животных, проходящих иногда группами, иногда в одиночку… и снова погружаемся в непроницаемую мглу»[38].

Но подлинная революция в изучении биолюминесценции наступила лишь после того, как ее стали измерять с помощью батифотометров. Эти приборы, снабженные особо чувствительными вакуумными фотоумножителями, регистрируют самые слабые световые потоки, вплоть до нескольких квантов в секунду. Батифотометры появились лишь 10–12 лет назад, но с ними удалось провести обширные исследования в Тихом, Индийском и Атлантическом океанах до глубин 2000 м. Итог этим исследованиям был подведен на Втором международном океанографическом конгрессе в Москве в 1966 г.: биолюминесценция характерна для всей океанской толщи и, безусловно, представляет постоянно действующий фактор в оптике моря и экологии морских организмов.

Первые советские инструментальные исследования биолюминесценции были выполнены под руководством профессора И. И. Гительзона в Тихом океане с борта научно-исследовательского корабля «Витязь» в 1961 г.

Ученый заметил, что на батифотограммах биолюминесцентные вспышки, записывающиеся в форме импульсов, образуют густой поток, часто сливающийся воедино. Таким образом, биолюминесценция не редкое событие, спорадически регистрируемое батифотометром, висящим в толще морской воды, а информация о непрерывных биологических процессах в море.

Форму световых сигналов отдельных организмов изучали также в лабораторных условиях с помощью проточной фотометрической установки.

Исследователи отметили неравномерное распределение по глубине биолюминесцентных вспышек. На глубинах 50—100 м отмечалось максимальное число вспышек (несколько сот в минуту). Как выяснилось, именно на этих горизонтах в исследованном районе Тихого океана — скопления светящихся форм планктона. На некоторых глубинах зарегистрировалось всего несколько единичных вспышек или их не было вовсе.

Итак, уже в самом начале инструментального исследования биолюминесценции была выяснена массовость и значимость этого явления для оптики моря. Любопытно, что максимальные биолюминесцентные сигналы, зарегистрированные Гительзоном, составляют 9,6?10^-2 мквт/см², что превышает максимальную облученность, создаваемую полной Луной на поверхности моря (4,5?10^-2 мквт/см²). Естественно, что в общем балансе освещенности каждого горизонта в толще морской воды наряду с оценкой внешнего по отношению к морю астрономического света (Солнце, Луна, звезды) необходимо учитывать и собственный свет моря — биолюминесценцию.

Гительзон в океане выделяет три световые зоны:

1) 0—200 м — зона дневного солнечного и ночного смешанного (астрономического и биолюминесцентного) свечения;

2) 200–700 м — зона дневного солнечного и ночного биолюминесцентного свечения;

3) глубже 700 м — зона одного биолюминесцентного свечения.

Лабораторные исследования спектрального состава света, излучаемого светящимися морскими организмами, показывают, что все их излучение укладывается в диапазон 400–700 нм с максимумом в интервале длин волн 480–520 нм. Напомним, что как раз в этом же спектральном промежутке находится максимум пропускания прозрачных океанских вод. Естественно, что световые сигналы, посылаемые организмами, хорошо проходят через толщу морской воды. И это, вероятно, не случайное явление, а результат длительного эволюционного процесса живого мира. Добавим также, что световая эффективность биолюминесценции исключительно высока.

Представление о световой эффективности биолюминесценции дает сопоставление ее спектрального состава со спектральным распределением чувствительности приемника. У выскоорганизованных организмов приемником излучения являются глаза. Однако свойства зрения обитателей моря еще недостаточно хорошо изучены, и можно только предполагать, что спектральная чувствительность их глаз настроена на излучение Солнца, т. е. близка к спектральной чувствительности человеческого глаза.

Сопоставляя спектр свечения морского организма со спектром его свечения с поправкой на кривую видности, получаем световую эффективность излучения. Чем ближе максимум излучения к вершине кривой видности, тем больше световая эффективность излучения. У некоторых светляков, максимум излучения которых (562 нм) близок к вершине кривой видности, световая эффективность излучения составляет 92 %.

Таким образом, световая эффективность биолюминесценции заметно превышает эффективность всех известных электрических и тепловых источников света.

Биологический смысл биолюминесценции еще полностью не ясен. У некоторых организмов она имеет сигнальное значение, связывая особи одного и того же вида. Другие организмы используют свечение, чтобы привлечь жертву или отпугнуть хищников.

В ряде случаев биолюминесценция используется для освещения. Так, у глубоководных рыб светоносные органы, или фотофоры, достигают большого совершенства: они обладают линзами, отражателями, цветными фильтрами. Биологический смысл свечения бактерий совершенно не ясен.

В последнее время к биолюминесценции наблюдается повышенный интерес. С точки зрения бионики это образец светильника с исключительно высокой световой эффективностью при очень небольших энергетических затратах. Изучение биолюминесценции имеет важное практическое значение.

Вероятно, наш рассказ о свечении моря будет неполным, если не упомянуть еще об одном явлении.

В 20-х годах нашего столетия индийский ученый К. Раманатхан обратил внимание на слабое зеленоватое свечение морской воды при облучении ее ультрафиолетовым светом. Тщательный анализ показал, что это свечение происходит из-за присутствия в морской воде так называемых флуоресцирующих веществ органического и неорганического происхождения. Давно известное физикам явление флуоресценции состоит в том, что некоторые вещества способны светиться, т. е. излучать видимый свет при освещении их более коротковолновым ультрафиолетовым светом; причем свечение мгновенно прекращается после окончания облучения. В мелководных внутренних морях флуоресценция оказывает влияние на видимый цвет моря, создавая дополнительную зеленоватую окраску. Особенно заметен эффект флуоресценции в окраске моря после шторма в прибрежных районах, что связано с взмучиванием флуоресцирующих частиц, содержащихся в тонких илистых донных отложениях. Любопытно, что флуоресцирующие вещества присутствуют и в нефти. В последнее время морские геологи, вооруженные аквалангами и источниками невидимого для глаз ультрафиолетового излучения, или, как говорят практики, «черного света», проводят интенсивные поиски выходов нефти в районе шельфа.

Ультрафиолетовые лампы пришли на помощь также археологам, которые по характерному зеленоватому свечению обнаруживают останки древних деревянных кораблей, и даже криминалистам. Английские специалисты-светотехники утверждают, что вследствие флуоресценции человеческой кожи разыскивать тела утопленников в воде целесообразнее ночью, а не днем. Они показали, что дальность обнаружения утопленников при освещении ультрафиолетовой лампой в ночное время в восемь раз больше, чем в дневное. Добавим также, что в последние годы флуоресцирующие вещества — родамин и флуоресцеин — стали широко применяться для исследования турбулентной диффузии в океане. Они имеют много преимуществ перед несветящимися красителями. В частности, они совершенно безвредны для человека и обитателей морских глубин.