Когда вы направляете ультрафиолетовую лампу на тарелку с фруктами и внезапно некоторые из них начинают светиться, это кажется почти сверхъестественным. Но это жуткое синее, зелёное или жёлтое «свечение» — это не магия и не скрытые химикаты. Это физика, биохимия и биология растений в одном флаконе. Определённые фрукты естественным образом флуоресцируют под ультрафиолетовым (УФ) светом из-за молекул внутри их кожуры и мякоти, особенно пигментов и фенольных соединений, которые поглощают невидимый УФ-свет и повторно излучают его в виде видимого света.
Давайте глубже изучим, почему некоторые фрукты светятся под УФ-светом, что особенного в бананах, и что учёные думают о том, какое значение эта флуоресценция может иметь для растений и животных — а не только для вечеринок на вашей кухне.
УФ-свет, флуоресценция и почему фрукты «светятся»
При нормальном освещении вы видите только цвета, которые пигменты непосредственно отражают: красные от антоцианов, зелёные от хлорофилла, жёлтые и оранжевые от каротиноидов. Под УФ-светом вы заставляете эти пигменты и другие молекулы играть в другую игру.
- УФ-свет имеет более короткую длину волны и более высокую энергию, чем видимый свет.
- Некоторые молекулы во фруктах поглощают эту УФ-энергию, а затем быстро переизлучают часть её на более длинной, видимой длине волны — процесс, называемый флуоресценцией.
- Для ваших глаз это выглядит как слабое или яркое «свечение», часто синее, сине-зелёное или жёлто-зелёное, в зависимости от соединения.
- Ключевой момент: это флуоресценция, а не биолюминесценция. Фрукт не генерирует свет самостоятельно (как светлячок); он светится только тогда, когда включён источник УФ-света.
- У многих фруктов свечение слабое. У некоторых, например у бананов, оно достаточно драматичное, чтобы его можно было чётко увидеть с помощью недорогого УФ-фонарика.
Бананы: самый известный пример светящихся фруктов
Бананы — самый известный пример фрукта, который видимо светится под УФ-светом. Кожура спелых бананов демонстрирует поразительную голубую люминесценцию под чёрным светом, а ореолы вокруг коричневых «пятен старения» могут сиять особенно ярко.
Первые исследования связывали это свечение с распадом хлорофилла по мере созревания банана:
- Зелёные бананы богаты хлорофиллом, который придаёт им зелёный цвет.
- Во время созревания хлорофилл разлагается, производя временные продукты распада, называемые флуоресцентными катаболитами хлорофилла (FCC), которые могут флуоресцировать в синей области под УФ-светом.
- У большинства растений FCC — это короткоживущие промежуточные продукты, которые быстро превращаются в не флуоресцирующие соединения, поэтому вы обычно их не замечаете.
Бананы оказались другими. Учёные из Университета Инсбрука и Колумбийского университета обнаружили, что по мере созревания бананы накапливают в кожуре необычно стабильные продукты распада хлорофилла. Эти флуоресцентные промежуточные продукты были долгоживущими, заставляя кожуру ярко светиться синим под УФ-светом; интенсивность коррелировала со зрелостью, снижаясь только тогда, когда плод становился перезрелым.
Более поздняя работа добавила важный поворот. Исследование в области растениеводства 2018 года показало, что самое сильное синее свечение в бананах на самом деле исходит от фенольных соединений (таких как производные феруловой кислоты), связанных со стенками клеток в кожуре и мякоти, а не только от растворимых катаболитов хлорофилла. Используя микроскопию, исследователи обнаружили:
- Синяя флуоресценция наиболее сильна в клеточной стенке (апопласте) и меньше в пластидах, содержащих хлорофилл.
- Белая мякоть бананов светится под УФ-светом даже интенсивнее, чем кожура, благодаря этим связанным с клеточной стенкой фенолам.
- Хлорофилл в зелёной ткани фактически «скрывает» флуоресценцию, поглощая излучаемый синий свет — поэтому незрелые зелёные бананы не светятся, а жёлтые спелые бананы обнаруживают синее свечение, как только хлорофилл разлагается.
Итак, в бананах работают две вещи:
- Разложение хлорофилла во время созревания производит некоторые флуоресцентные промежуточные продукты.
- Обильные нерастворимые фенольные эфиры в клеточных стенках сильно флуоресцируют в синем диапазоне под УФ-светом.
Результатом является синее свечение, которое достигает пика примерно во время зрелости и исчезает при прогрессирующем старении, особенно вокруг пятен старения, где клетки отмирают и концентрируются продукты распада.
Другие фрукты: флуоресцентные пигменты и фенольные соединения
Бананы не одиноки. Некоторые другие фрукты также демонстрируют заметную флуоресценцию под УФ-светом, хотя обычно менее драматично:
- Некоторые ягоды и тропические фрукты могут излучать слабое синее или сине-зелёное свечение, вызванное комбинациями фенольных соединений, флавоноидов и некоторых продуктов распада хлорофилла.
- Цедра цитрусовых может флуоресцировать жёлто-зелёным из-за флавоноидов, таких как гесперидин, и родственных молекул, сконцентрированных в кожуре.
- Некоторые виноград, вишня и тёмные ягоды содержат антоцианы и родственные фенолы, которые могут слабо флуоресцировать или давать интересные цветовые сдвиги под УФ-светом, хотя их сильные видимые пигменты часто подавляют эффект для невооружённого глаза.
В общем:
- Фенольные кислоты (такие как феруловая, кофейная), флавоноиды и некоторые ароматические соединения в клеточных стенках или вакуолях являются обычными источниками флуоресценции.
- Катаболиты хлорофилла могут играть роль, когда хлорофилл активно разлагается, обычно во время созревания или старения листьев.
- Точный цвет флуоресценции зависит от структуры молекулы и её окружения, но синие и сине-зелёные излучения около 400–500 нм особенно распространены в растительных тканях под УФ-светом.
Статья о бананах 2018 года подчеркнула, что у однодольных, таких как банан, кукуруза и сахарный тростник, синяя флуоресценция часто наиболее сильна в клеточных стенках; у многих двудольных (например, мята колосистая, гибискус) флуоресценция может быть более доминирующей в вакуолях или пластидах, показывая, как пересекаются анатомия тканей и химия.
Флуоресценция против естественного цвета: что меняется по мере созревания фруктов
Даже без УФ-света вы можете видеть изменение цвета фруктов по мере их созревания: от зелёного к жёлтому (бананы, манго), от зелёного к красному (томаты), от бледного к тёмно-фиолетовому (ягоды). Эти видимые сдвиги происходят из взаимодействия трёх основных семейств пигментов:
- Хлорофиллы: зелёные, связанные с фотосинтезом, доминируют в незрелых фруктах.
- Каротиноиды: жёлтые, оранжевые, красные (бета-каротин, лютеин и т.д.), часто проявляются по мере разложения хлорофилла.
- Антоцианы: красные, фиолетовые, синие, особенно в кожуре ягод и вишни.
Под УФ-светом флуоресценция раскрывает дополнительный, скрытый слой — наличие специфических соединений, которые поглощают УФ и излучают видимый свет. По мере созревания фруктов:
- Уровни хлорофилла падают; его разложение высвобождает промежуточные продукты и обнажает лежащие в основе каротиноиды и фенолы.
- Некоторые из этих продуктов распада и фенольных эфиров флуоресцируют, заставляя спелые фрукты светиться сильнее, чем незрелые.
Для бананов зелёные незрелые плоды показывают мало или совсем не светятся, в то время как жёлтые спелые бананы сильно флуоресцируют. Свечение снова ослабевает, когда перезрелые бананы становятся коричневыми, а фенолы далее окисляются или полимеризуются в не флуоресцирующие формы.
Имеет ли свечение какое-либо биологическое значение?
Для людей свечение в основном представляет собой любопытство, потому что наши глаза едва видят УФ, и мы не охотимся за фруктами с чёрными лампами. Но для многих животных — особенно насекомых и некоторых птиц — чувствительность к УФ является нормой, и «свечение» может быть реальным сигналом.
В работах по бананам были предложены две основные гипотезы:
- Сигнализация зрелости животным, которые видят УФ: Многие плодоядные животные, особенно некоторые млекопитающие и птицы в тропиках, могут обнаруживать УФ-свет или близкие к УФ длины волн лучше, чем люди. Синяя флуоресценция может служить визуальной подсказкой о том, что фрукт созрел и готов к употреблению, помогая распространению семян.
- Защита или стабилизация тканей: Необычная стабильность некоторых флуоресцентных катаболитов хлорофилла и связанных со стенками фенолов может помочь продлить жизнеспособность фрукта, действуя как антиоксиданты или УФ-экраны, замедляя повреждения по мере созревания фрукта.
В статье о синих бананах 2008 года исследователи отметили, что синяя люминесценция может быть «отчётливым сигналом о том, что фрукт созрел» для животных, видящих УФ, или что флуорофоры могут иметь защитную физиологическую роль во фрукте. Более поздние исследования клеточных стенок укрепили идею о том, что эти флуоресцентные фенолы структурно связаны и, возможно, вовлечены в механическую или химическую защиту, одновременно случайно светясь.
Таким образом, хотя свечение, возможно, не развивалось «для» чёрных ламп на человеческих кухнях, в природе оно, вероятно, не полностью бессмысленно.
Повседневное использование: почему учёных интересуют светящиеся фрукты
Помимо того, что это интересно для фотографирования, УФ-флуоресценция во фруктах имеет реальные исследовательские и практические применения:
- Индикаторы зрелости: Поскольку флуоресценция часто коррелирует со стадиями созревания или распадом пигментов, учёные могут использовать УФ-визуализацию как неразрушающий метод оценки внутренних изменений в качестве фруктов.
- Исследования физиологии растений: Флуоресценция от катаболитов хлорофилла и фенолов помогает исследователям картировать, где происходят определённые реакции — внутри вакуолей, в клеточных стенках или в специфических слоях тканей.
- Безопасность и подлинность пищевых продуктов: Некоторые флуоресцентные сигнатуры могут помочь идентифицировать сорта фруктов, обнаружить загрязнение или проверить, являются ли цвет или покрытия натуральными или искусственными.
Та же базовая физика лежит в основе других светящихся продуктов — тонизирующая вода светится синим из-за хинина, некоторые кулинарные масла светятся под УФ-светом, а тоник, мёд или некоторые сыры могут флуоресцировать из-за рибофлавина и других молекул. Фрукты — просто очень фотогеничный пример.
Можете ли вы провести собственные эксперименты со «светящимися фруктами»?
Если у вас есть безопасный УФА-фонарик «чёрный свет» (обычно 365–395 нм) и тёмная комната, вы можете сами исследовать флуоресценцию фруктов:
- Попробуйте бананы на разных стадиях — зелёные, жёлтые с несколькими пятнами, очень пятнистые. Вы должны увидеть почти отсутствие свечения у зелёных бананов, сильные синие ореолы вокруг пятен у среднеспелых бананов и более слабое или пятнистое свечение у очень старых фруктов.
- Проверьте цедру цитрусовых (апельсин, лимон, лайм): внешняя кожура может показать жёлто-зелёную флуоресценцию благодаря флавоноидам.
- Исследуйте виноград, вишню или ягоды. Вы можете увидеть тонкие свечения или блики на кожуре или в мякоти, особенно вокруг повреждённых областей, где накапливаются фенолы.
- Сравните белую мякоть банана с кожурой: под сильным УФ-светом мякоть может фактически флуоресцировать сильнее, чем кожура, из-за плотных фенолов, связанных с клеточной стенкой.
Всегда избегайте прямого взгляда на источники УФ-света и придерживайтесь чёрных ламп потребительского класса, предназначенных для хобби, а не мощного промышленного УФ.
Ключевые выводы: почему некоторые фрукты светятся под УФ-светом
Подводя итог:
- «Свечение» фруктов под чёрным светом — это флуоресценция, а не самогенерируемый свет. Молекулы внутри фрукта поглощают УФ и переизлучают видимый свет.
- В бананах сильная синяя флуоресценция возникает из смеси долгоживущих продуктов распада хлорофилла и, что наиболее важно, нерастворимых фенольных эфиров, связанных в клеточных стенках — особенно вокруг пятен старения и в спелой мякоти.
- Другие фрукты могут флуоресцировать из-за фенолов, флавоноидов и некоторых промежуточных продуктов распада пигментов, хотя эффект обычно слабее и часто маскируется видимыми цветами пигментов.
- Флуоресценция имеет тенденцию увеличиваться по мере созревания фруктов и распада хлорофилла, а затем снова меняться по мере прогрессирования перезревания и окисления.
- Биологически свечение может сигнализировать о зрелости для чувствительных к УФ животных и/или помогать защищать созревающие ткани фруктов с помощью антиоксидантных и УФ-экранирующих функций.
Так что в следующий раз, когда вы увидите банан, призрачно сияющий синим под УФ-фонариком, вы на самом деле видите химию растений, фенолы клеточных стенок и распад хлорофилла, ставшие видимыми — скрытый язык света, который фрукты, возможно, используют для общения с окружающими их животными.
Sourxes
