Свет и жизнь
Почти 300 лет назад английский физик Исаак Ньютон (16421727) получил спектр видимого света, пропустив его луч через призму. С помощью этого эксперимента было показано, что белый свет состоит из целого ряда разных цветов от фиолетового на одном конце спектра до красного на другом. Разделение их возможно благодаря тому, что лучи различного цвета, проходя через призму, преломляются под разными углами. В XIX в. гениальный английский физик Джеймс Клерк Максвелл (18311879) установил, что видимый нами свет
является лишь малой частью непрерывного спектра электромагнитных колебаний. Как показал Максвелл, вся образующая этот спектр радиация распространяется в виде волн. Их длины, т. е. расстояния от одного максимума волны до другого, варьируют в широких пределах он нанометров у рентгеновских лучей до километров у низкочастотных радиоволн. Чем меньше длина волны, тем больше ее энергия. В видимом спектре у красного света длина волны максимальная, а у синего минимальная.
Общим свойством радиации является ее способность распространяться в вакууме со скоростью 300 ООО км/с. К 1900 г. стало ясно, что волновая теория света не всегда адекватно объясняет экспериментальные факторы. Например, в 1888 г. был поставлен на первый взгляд довольно простой опыт. Оказалось, что цинковая пластинка, облученная ультрафиолетом, приобретает положительный заряд. Вскоре было установлено, что металл заряжается, так как радиация за счет своей энергии выбивает электроны из его атомов. Впоследствии обнаружилось, что этот фотоэлектрический эффект свойствен всем металлам, причем у каждого из них он проявляется при свойственной только данному эле¬
менту критической длине волны. Другими словами, необходимо облучение волнами определенной или более короткой (т. е. имеющей большую энергию) длины. Гипотеза, сформулированная Бором и другими физиками, о том, что электронные орбитали атомов имеют специфические энергетические уровни, основана на этих наблюдениях. У некоторых элементов, например натрия, калия и селена, эта критическая длина волны находится в пределах видимого спектра. Поэтому обычный свет может вызвать в них движение электронов (электрический ток). Работа электрических «глаз», открывающих, например, двери, а также фотоэкспонометров и телевизионных камер основан на этом принципе превращения световой энергии в электрическую.
Волна или частица?
Это довольно сложный вопрос. Волновая теория утверждает, что чем ярче свет, тем больше сила, «выбивающая» электроны из атомов. Однако важна длина волны, а не яркость. Даже эффект, тогда как более яркий, но с большей длиной волны его не дает. Более того, при увеличении яркости критического света возрастает число выбиваемых из металла электронов, но не скорость, с которой они покидают атомы. Чтобы увеличить ее', нужно использовать более коротковолновый свет. Кроме того, энергии нет необходимости накапливаться в металле.
Даже слабый свет с критической длиной волны действует мгновенно. Чтобы объяснить эти явления, Альберт Эйнштейн в 1905 г. сформулировал квантовую теорию света. Согласно ей, свет состоит из частиц энергии, называемых фотонами, или квантами света. Энергия фотона (или кванта) всегда обратно пропорциональна длине световой волны, т. е. чем длиннее волна, тем ниже ее энергия. Фотоны фиолетового света, например, несут почти вдвое больше энергии, чем фотоны красного света, имеющего максимальную длину волны в видимой области.
Волновая теория позволяет физикам описывать некоторые свойства света одним математическим способом, а квантовая другим. Обе эти модели не противоречат друг другу, а являются взаимодополняющими. Для более полного описания такого сложного явления, как свет, необходимо использовать их обе. Сосуществование двух этих теорий иллюстрирует одну из тонкостей научного метода. Если ученый определяет и измеряет свет как волны, тот и проявляет волновые свойства. Если же использовать квантовый подход, то свет «выглядит» как поток частиц. Как сказал А. Эйнштейн: «Наши наблюдения зависят от теории, которой мы пользуемся».
Приспособленность к свету
Как показал Максвелл, видимый свет лишь небольшая часть общего спектра радиации. С физической точки зрения разница между светом и темнотой, столь очевидная для человека, состоит только в нескольких нанометрах длины волны. «Качественных» границ у светового спектра нет. Почему же лишь малая часть электромагнитного излучения ответственна за зрение, фототропизм (стремление организмов к свету), фотопериодизм (сезонные изменения, которые происходят в существах в зависимости от длины дня и ночи), а также за процесс фотосинтеза, от которого зависит вся жизнь? По сути вся биологическая активность связана содними и теми же длинами волн. Что это, простое совпадение?
Один из выдающихся специалистов, изучающих процессы взаимосвязи света и живых организмов, Джордж Уолд из Гарвардского университета отвечает на эти вопросы отрицательно. Он полагает, что жизнь, где бы она ни существовала, должна зависеть от одного и того же участка широкого спектра радиации. В основе его предположения лежат две гипотезы. Во-первых, живое состоит из громадных сложных молекул, которые имеют сложные взаимосвязи и специфические конфигурации, поддерживаемые в основном водородными или другими, еще более слабыми связями. Радиация с более мощной, чем у синего света, энергией может разорвать их, нарушив структуру и функцию этих молекул.
При длине волны менее 200 нм она выбивает электроны из атомов, образуя ионы, поэтому называется ионизирующей. Энергия излучения с длиной волны больше, чем у видимого света, сильно поглощается водой, образующей большую часть массы живых организмов. Если свет с такой длиной волны и достигнет органических молекул, то сможет лишь увеличить их подвижность, но не изменит их структуру. Только излучение видимой части спектра способно возбуждать молекулы, т. е. другой, вызывая за счет этого изменения биологических систем.
Вторая идея заключается в том, что видимый свет в отличие от других участков спектра электромагнитной радиации был «выбран» организмами как наиболее доступный. Основная часть солнечного излучения, достигающая нашей планеты, лежит в пределах этой области. Имеющие более высокую энергию (т. е. более короткие) волны экранируются кислородом и озоном в высоких слоях атмосферы, а значительная часть инфракрасной радиации поглощается водяными парами и углекислотой, не успевая достичь земной поверхности. Это можно назвать «приспособленностью окружающей среды»; пригодность условий для жизни и соответствие живых систем физическим параметрам среды явления взаимосвязанные. Если бы такая взаимосвязь отсутствовала, жизнь была бы невозможной.
П. Рейвн, Р. Эверт, С. Айкхорн, Современная ботаника В 2-х томах, Том 1, Перевод с английского канд. биол. наук В. Н. Гладковой, проф. М. Ф. Даниловой, д-ра биол. наук И. М. Кислюк, канд. биол. наук Н. С. Мамушиной под редакцией акад. А. Л. Тахтаджяна
AOF | 18.11.2020 16:48:41