Биохимия - Химические реакции в живой клетке Том 3 - Д. Мецлер 1980

Свет в биологии
Свойства света

Земля купается в свете Солнца, и этот свет приносит не только тепло, но и энергию, необходимую всем живым организмам. Из 3∙10⁴ кДж∙м^-2 световой энергии, ежедневно падающей на Землю [1, 2], ~30 кДж улавливается в процессах фотосинтеза [3]. В верхних слоях стратосферы свет высокоэнергетической части спектра взаимодействует с кислородом, в результате чего образуется защитная оболочка озона. Свет, проникающий сквозь атмосферу, позволяет нам видеть все, что нас окружает, придает предметам разный цвет. Свет управляет цветением растений и прорастанием семян и спор. В биохимических лабораториях свет и другие виды электромагнитного излучения, охватывающие широкий диапазон энергий, используются в экспериментальных целях. Рентгеновские, ультрафиолетовые и инфракрасные лучи, а также ультракороткие волны помогают исследовать молекулы, из которых мы состоим. Свет буквальна пронизывает все стороны жизни человека, при этом исключительно важным является его взаимодействие с биомолекулами. Данная глава написана как краткое введение в предмет; в ней, в частности, приведен список источников для дальнейшего чтения.

А. Свойства света

Свет является одним из видов электромагнитного излучения и обладает свойствами как волн, так и частиц (фотонов). Энергия фотона обычно характеризуется частотой соответствующего излучения (или обратной величиной — длиной волны в вакууме; табл. 13-1). На рис. 13-1 в логарифмическом масштабе изображен участок шкалы электромагнитных волн [4]. На высокоэнергетическом конце шкалы, справа от изображенного на рисунке участка, находятся у- и космические лучи, а на низкоэнергетическом конце — радиоволны, длины волн которых достигают многих километров. Небольшой участок шкалы — примерно от 10 нм до нескольких микрон, который и рассматривается в этой главе, — включает в себя область ультрафиолетовых лучей, видимого света и ближнюю инфракрасную область. Этот участок в увеличенном масштабе изображен на рис. 13-1 (вторая линия сверху). Свет, достигающий поверхности Земли, занимает узкий интервал от 320 до 1100 нм. Глаз человека способен воспринимать свет в еще более узком интервале: 380—760 нм, включающем все цвета радуги. Максимум поглощения ароматических колец белков и нуклеиновых кислот равен соответственно 280 и 260 нм. Хотя свет с такими длинами волн в основном поглощается озонным слоем стратосферы, сквозь атмосферу проходит достаточное количество ультрафиолетовых лучей, чтобы вызвать многочисленные мутации и солнечные ожоги.

Таблица 13-1 Некоторые свойства света

РИС. 13-1. Участок шкалы электромагнитных волн. Буквы Ф, С, З, Ж. О н К над областью, соответствующей видимому свету, обозначают различные цвета. Отметка СuКа отвечает длине волны рентгеновских лучей, широко используемых в рентгеноструктурном анализе белков и других органических материалов.

Химики все чаще используют как меру энергии света его частоту или волновое число. Волновое число V представляет собой величину, обратную длине волны, и обычно выражается в см^-1 (обратные сантиметры, иногда называемые кейзерами). Возможно, в будущем более широкое распространение получат другие единицы — мкм^-1 (10 000 см^-1) или мм^-1. Большинство спектров поглощения, приводимых в данной книге, представляет собой зависимость поглощения от волнового числа, которое измеряется в см^-1. Частота v в герцах равна где с' — скорость света. (Скорость света в вакууме обозначается через с и равна 3,00 ∙ 10⁸ м∙с^-1.) Энергия кванта света Е равна hv, где h — постоянная Планка, 6,626∙10~³⁴ Дж∙с^-1. С химической точки зрения наиболее интересна энергия одного Эйнштейна, т. е. одного «моля» света (6,023∙10²³ квантов). Энергия, выражаемая в кДж на Эйнштейн, равна (в см^-1, в вакууме). Все необходимые нам энергетические соотношения суммированы в табл. 13-1. Три нижние шкалы на рис. 13-1 тоже иллюстрируют соотношения между и длиной волны.

Световая волна сопряжена с колебаниями напряженности электрического и магнитного полей [5—7]. При распространении света вдоль оси х вектор напряженности электрического поля Е обычно направлен вдоль оси у, при этом его величина является функцией длины волны λ, и времени:

Вектор напряженности магнитного поля Н ортогонален вектору напряженности электрического поля, а его величина определяется уравнением:

Скорость распространения света с’ в данной среде зависит от ε — диэлектрической постоянной среды и от u — магнитной проницаемости:

Показатель преломления среды относительно вакуума обозначается символом n. Он показывает, во сколько раз скорость света в данной среде меньше скорости его в вакууме, и тоже является функцией длины волны. Для спектральной линии натрия (λ = 589 нм) n равен 1,00029 в воздухе и 1,33 в воде при 25 °С.

Величина φ, входящая в уравнения (13-1) и (13-2), — это фаза волны. Свет, как правило, является некогерентным — для разных фотонов, составляющих световой пучок, φ оказывается различной. Когерентный свет, испускаемый лазерами, образуется фотонами с одинаковыми фазовыми характеристиками. Если для всех фотонов светового пучка вектор напряженности электрического поля лежит в одной плоскости, свет называется плоскополяризованным (именно такая ситуация имеет место после прохождения света через определенные виды кристаллов). За направление поляризации принимается направление вектора напряженности электрического поля Е. Свет может быть также поляризованным по кругу — вектор напряженности электрического поля описывает при этом правую или левую спираль. Наложение двух одинаковых пучков, в одном из которых свет правополяризован, а в другом — левополяризован, дает плоскополяризованный свет. В свою очередь плоскополяризованный свет можно разложить на право- и левополяризованную компоненты.