Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Биофизические и оптические характеристики спикул морских глубоководных губок

ВАК РФ 03.00.02, Биофизика

Автореферат диссертации по теме "Биофизические и оптические характеристики спикул морских глубоководных губок"

На правах рукописи

Галкина Анна Николаевна

Биофизические и оптические характеристики спикул морских глубоководных губок

03.00.02 -Биофизика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Владивосток 2009

003489473

Работа выполнена в Институте автоматики и процессов управления Дальневосточного отделения РАН.

Научный руководитель: член-корр. РАН, доктор физико-математических наук,

Кульчин Юрий Николаевич

Официальные оппоненты: член-корр. РАН, доктор биологических наук

Защита состоится " 29 " декабря 2009 г. в И) часов на заседании диссертационного совета Д 005.007.02 по адресу: 690041, г. Владивосток, ул. Радио, 5, Институт автоматики и процессов управления Дальневосточного отделения РАН.

С диссертацией можно ознакомиться в читальном зале библиотеки Института автоматики и процессов управления Дальневосточного отделения РАН по адресу: 690041, г. Владивосток, ул. Радио, 5.

Автореферат разослан 24 ноября 2009 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 005.007.02

Булгаков Виктор Павлович

доктор физико-математических наук, профессор Абакумов Александр Иванович

Ведущая организация: Центр фотохимии РАН, г. Москва

кандидат технических наук, доцент

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ДИССЕРТАЦИИ

Актуальность темы. Структурные компоненты живых систем состоят из упорядоченных массивов белковых и углеводородных молекул, способных к самоорганизации в растворе, что позволяет получать уникальные наноструктуры, обеспечивая высокую производительность на единицу массы без повышенных требований к исходным материалам и энергетике процессов [1, 2]. В природе существует довольно обширная группа организмов, которые могут концентрировать в себе минеральные вещества, которые входят в состав внеклеточных структур, образованных сложными композитными веществами - биоминералами. Биоминералы играют важную роль в жизнедеятельности многих организмов, выполняя опорные и защитные функции [1-3]. Поскольку в их состав входят две компоненты - органическая (белки или полисахариды) и минеральная (соли или окислы химических элементов), такие структуры оказываются устойчивыми к действию многих факторов внешней среды [2-4]. Ярким примером организмов, в основе метаболизма которых лежит процесс биоминерализации, служат губки [5, б]. У обитающих в морских или пресных водах с небольшим количеством растворенного кремния стеклянных губок существует клеточный механизм избирательного накопления кремния из воды [6]. Элементы скелета таких губок -спикулы, в которых минеральным компонентом является двуокись кремния, представляют значительный интерес для нанотехнологий.

Комплексное изучение процессов природной биоминерализации спикул морских губок дает уникальные сведения об их морфологии [7, 8], структурных, механических [9, 10] и оптических свойствах [11-14]. Оптические свойства спикул морских глубоководных губок привлекают внимание практически всех групп исследователей, занимающихся изучением этих уникальных животных [11, 14-16]. Нерешенной остается проблема функционирования спикул в системе жизнеобеспечения губок, а также и для какой цели спикулы обладают оптической прозрачностью и имеют широкий спектральный диапазон пропускания? В данной работе результаты исследований морфологии, физико-химических и оптических свойств спикул глубоководных губок интерпретируются с точки зрения гипотезы о наличии у них фоторецепторной системы и роли фотосинтетически активных симбионтов глубоководных губок в энергетическом балансе системы жизнеобеспечения их организма.

Обоснование выбора материалов Выбор материала для исследований основан на уникальности структуры и свойств биоминералов морского происхождения -спикул морских глубоководных губок, с целью установления роли спикул в их системе жизнеобеспечения, а также для определения перспектив применения их биомиметических аналогов как компонентов волоконно-оптических систем, телекоммуникационной техники и систем оптической обработки информации.

Цель диссертационной работы - Определение природы спикул и их роли в механизме жизнеобеспечения морских глубоководных губок.

Основные задачи диссертационной работы:

1. Исследовать морфологию, структурную организацию и химический состав морских глубоководных губок и их структурных фрагментов (спикул).

2. Исследовать стабильность физико-химические свойства материала спикул, а именно:

• Установить влияния воды на структурные и физические свойства спикул.

• Показать влияние структурной организации спикул морских губок на их оптические свойства

3. Исследовать особенности оптических свойств спикул морских глубоководных губок.

4. Провести моделирование процессов распространения излучения в спикулах глубоководных губок.

5. Обосновать наличие фоторецепторной системы в глубоководных стеклянных губках, понять природу излучения, улавливаемого стеклянной губкой, выявить потребителей фототрофов и их роль в системе жизнеобеспечения губок.

Научная новизна работы

• Впервые исследованы морфология, физико-химические и оптические свойства спикул морских глубоководных губок РИегопета гаркапт, РИегопета зр. БепсоЬркия 5р., Согопета зр. (АтрЫс113со81с1а, НехасИпеШск) обнаружена корреляция со свойствами спикул губки Нуа1опета ¡¡еЬоМу (АтрЫсНзм^сЗа, НехасипеШск). Показано, что спикулы губок представляют собой нанокомпозитную трехмерную слоистую периодическую структуру, состоящую из органического матрикса и аморфного оксида кремния.

• Впервые исследованы спектрально-селективные характеристики спикул глубоководных губок. Результаты исследований свидетельствуют о стабильности структуры спикул и существенном вкладе воды в спектральные характеристики их материала.

• Впервые исследованы процессы прохождения импульсов лазерного излучения фемтосекундной длительности в спикулах глубоководных губок. Обнаружен фотонно-кристаллический режим распространения светового излучения.

• Впервые обоснована гипотеза об оптическом механизме жизнеобеспечения глубоководной губки Рк Ларкапиз., определены функциональные особенности спикул, принципы захвата и передачи светового сигнала, а также определен вклад симбионтов в процесс энергетического обмена губки.

Практическая ценность

• Установлен факт наличия наноструктурной иерархии материала спикул и выявлен иерархический контроль в процессе их формирования.

• Установлено влияние воды на структурные и физические свойства спикул. Выявление различной степени конденсированное™ оксида кремния в поперечном сечении спикул и его метастабильного состояния позволило предположить возможность модификации наноструктурной организации материала спикул.

• Обоснована волноводная модель спикул глубоководных губок. Показано, что наличие в спикулах морских губок периодических аксиальных цилиндрических слоев приводит к формированию фотонно-кристаллического режима распространения по ним излучения, основанного на образовании запрещенных фотонных энергетических зон. При этом спикулы губок являются аналогами одномерных фотонных кристаллов.

• Полученные результаты исследований используются при создании наноструктурированных оптических материалов для систем фотоники.

Основные защищаемые положения

1. Спикулы морских глубоководных губок и Ркегопета яр., Ркегопета гаркать, Согопета 5р., 5епсо/орЛи ¡р. и Н. ¡¡еЬоШу представляют собой нанокомпозитную трехмерную слоистую периодическую структуру, состоящую из органического матрикса и аморфного оксида кремния с размером частиц от 40 до 70 нм.

2. Основным компонентом в материале спикул, определяющим стабильность их структуры и свойств, является вода.

3. Спикулы морских глубоководных губок являются природными одномерными фотонными кристаллами.

4. Морская глубоководная губка Рк гаркапиз имеет хлоропласты и устойчивую симбиотическую ассоциацию с цианобактериями. При этом значительная часть симбионтов в губке фотосинтетически активна и на 10-30% покрывает её энергетические затраты.

5. Спикулы морской глубоководной губки Рк гаркапиз имеют двойное назначение: обеспечивают прочный каркас тела губки, а также предназначены для улавливания светового излучения и доставки его к фотосинтезирующим симбионтам.

Достоверность полученных результатов заключается в последовательном и корректном применении современных методов анализа морфологии, структуры химического и фазового состава, методов исследования спектральных и волноводных свойств спикул глубоководных губок и их согласованности с результатами работ других исследовательских групп.

Апробация результатов работы. Результаты диссертационной работы были представлены в 4 устных докладах на российских конференциях (XXIII школа Нелинейные волны, 2006», Нижний Новгород; 7-ой Региональной Научной Конференции «Физика: фундаментальные и прикладные исследования, образование» Владивосток, 15-18 октября, 2007; XII Межрегиональной

конференции молодых ученых по физике полупроводниковых диэлектрических и магнитных материалов (ПДММ-2009), Владивосток, 17-20 июня, 2009), в 2 устных докладах на международных симпозиумах (16й International Symposium "Nanostructures: Physics and Technology", Vladivostok, Russia, July 14-18, 2008; 17th International Symposium "Nanostructures: Physics and Technology" Minsk, Belarus, June 22-26, 2009) с 2006 no 2009 гг.

Публикации. По материалам диссертации опубликованы 13 статей, в том числе 6 статей в журналах входящих в Перечень изданий ВАК РФ.

Лнчный вклад автора заключается в сборе, подготовке и консервации, включая криосохранение образцов и препаратов морских глубоководных губок, а также в проведении всех исследований их морфологии, структурной организации и физико-химических свойств. Автор обрабатывал основные экспериментальные данные и интерпретировал их, участвовал в обсуждении и написании статей. Вошедшие в диссертацию результаты отражают итоги исследований, проведенных автором в ИАПУ ДВО РАН совместно с сотрудниками отдела оптоэлектронных методов измерений газообразных и конденсированных сред.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения и списка цитируемой литературы. Общий объем диссертации составляет 152 страницы, включая 63 рисунка, 9 таблиц и список литературы из 144 наименования.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении сформулирована цель работы и ее актуальность, определены основные задачи, указаны новизна и практическая ценность работы, изложены основные защищаемые положения и описана структура диссертации.

В первой главе приведен анализ работ по исследованию морфологических, структурных и оптических свойств морских глубоководных губок и их структурных фрагментов (спикул), а также определены перспективные направления исследований в области биологии, биофизики, оптики и технологии. Приведены исследования морфо-функциональных свойств спикул губок классов Hexactinellida и Demospongiae. Показано, что глубоководные губки обитают в условиях повышенной концентрации кремния и могут формировать длинные кремнийорганические моноаксонные спикулы. Такие структуры сочетают прочность, гибкость [4-5, 9-10] и оптическую прозрачность [11-14]. В связи с этим перспективным направлением исследований является комплексное исследование структурных, физико-химических и оптических свойств таких структур с целью создания новых биомиметических материалов для различных отраслей производства. Исследован общий химический состав и светопроводящие свойства спикул. Отмечено, что спикулы глубоководных губок обладают светопроводящими свойствами в широком диапазоне длин волн,

сравнимыми с таковыми для многомодового волоконного световода [13]. При этом в работах не обозначены проблемы влияния воды и наноструктурной организации спикул на спектрально-селективные характеристики и физико-химические свойства спикул. Основной нерешенной проблемой исследований остается объяснение наличия светопроводящих свойств спикул морских глубоководных губок, обитающих на большой глубине в отсутствии дневного света. Не исследован механизм возникновения и потребления светового излучения данными животными. В работах [11, 13-16] результаты исследований напрямую, либо косвенно, свидетельствуют о том, что морские глубоководные губки имеют фоторецепторную систему и активно используют световое излучение для систем жизнеобеспечения. Для подтверждения выдвинутой гипотезы, необходимо понять природу излучения, улавливаемого губкой, в отсутствие солнечного света на глубине их обитания, а также выявить потребителей-фототрофов и их роль в системе жизнеобеспечения губки.

Во второй главе приведено краткое описание методов, использованных в данной работе, а именно - сканирующая электронная микроскопия (СЭМ), рентгеновский энерго-дисперсионный микроанализ (ЭДС), зондовая атомно-силовая микроскопия (АСМ), флуоресцентная конфокальная микроскопия, оптическая спектроскопия твердых тел, рентгенофазовый анализ (РФА), спектроскопия ядерно-магнитного резонанса (ЯМР), дифференциальный термогравиметрический анализ (ДТГА), малоугловое рентгеновское рассеяние (МУРР). Приведены схемы экспериментальных установок, методы подготовки образцов, расчеты структурных единиц спикул из спектров МУРР и оптических параметров из спектров пропускания.

В третьей главе приведены результаты исследования морфо-функциональной организации и физико-химических свойств спикул глубоководных губок Н. sielbody и Pheronema sp., Ph. raphanus, Coronema sp., Sericolophus sp. и их структурных фрагментов. Показано, что спикулы представляют собой трехмерную структуру, состоящую из органического матрикса на основе хитина [5] или коллагена [4, 5] и минеральной компоненты, наночастиц двуокиси кремния размером 40-70 нм Рост спикул представляет собой периодический процесс наращивания слоев оксида кремния на органический матрикс. Формирование спикул происходит вокруг полого центральной канала 2x2 мкм, содержащего аксиальную нить. При формировании спикулы толщина слоев постепенно уменьшается от центра к периферии и варьируется от 2 до 0,3 мкм (рис 1).

Рис. 1. Морфология спикул глубоководной губки Ph. raphanus, СЭМ анализ: а -поверхность поперечного среза спикулы после обработки плавиковой кислотой, шкала 2 мкм; б - фрагмент центрального цилиндра, шкала 1 мкм; в — наночастицы оксида кремния, шкала 100 нм.

О композитном составе и регулярной структуре исследуемых образцов губок свидетельствуют результаты АСМ в режиме фазового контраста, представленные на рис. 2(6). Отчетливо видны переходы одного фазового состава в другой, что отображается в виде топографических неровностей на поверхности исследуемого материала. Для сравнения на рис. 2(в) приведен тот же участок спикулы в режиме топографии поверхности.

Рис. 2. АСМ изображения фрагментов диактин губки Pheronema sp.: а, - продольны срез спикулы, измерения в режиме топографии поверхности; б - поперечный срез измерения в режиме фазового контраста, в - поперечный срез спикулы, измерения в режиме топографии поверхности.

Результаты СЭМ анализа свидетельствуют о том, что материал спикул имеет различную устойчивость к реактивам травления наблюдаются зоны, где травление плавиковой кислотой происходит намного быстрее, по сравнению с остальными участками спикулы. Так, наибольшая устойчивость материала спикулы к плавиковой кислоте была отмечена для ее центральной части - аксиального канала и центрального цилиндра, тогда как слоистая область спикулы обладает средней устойчивостью к реактивам травления. Самой низкой устойчивостью к раствору плавиковой кислоты обладает участок, отделяющей центральный цилиндр спикулы от ее слоистой области (рис. 3, стрелками указаны зоны с низкой устойчивостью к HF).

Рис 3. СЭМ фотографии поперечных срезов спикул, показывающие степень устойчивости материала спикул к плавиковой кислоте: а) губки РИ. гарИапиБ, шкала 10 мкм; б) губки БепсоЬрИш т. шкала 100 мкм.

Комплексное исследование материала спикул на предмет различной устойчивости к реактивам травления было проведено методами ЯМР и ЭДС. Методом ЯМР показано, что степень гидратированности оксида кремния для всех исследованных спикул находится в одинаковых пределах: 57 - 67% приходится на оксид кремния (IV) ЗЮ4, 30-40% - на моногидратированный БКОБОзОН и 3-9% на дигидратированный 81(081)20Н2, что свидетельствует о развитой поверхности исследуемых образов. Методом ЭДС микроанализа исследован химический состав и распределение химических элементов в поперечном сечении спикул. Для всех спикул губок, вне зависимости от их видовой принадлежности и функционального назначения, отмечено наличие кремния (в виде БЮг), кислорода (в виде оксидов и карбонатов), углерода (предположительно органического происхождения, хотя частично в виде адсорбированного поверхностью С02) и катионов К+ и Ыа+ в малых концентрациях. Результаты исследования распределение химических элементов в поперечном сечении спикул, свидетельствуют о наличии связи между степенью конденсированности (гидратированности) оксида кремния в различных участках спикул с эластичными свойствами материала, которые, в свою очередь, связаны с локальной концентрацией катионов Ка+ и К+. Полученные результаты также свидетельствуют о наличии механизма, позволяющего формировать композитный материал спикул в зависимости от их функционального назначения в губке.

Результаты рентгенофазового анализа спикул губок РИ. гарНапш, Н. з1е1Ьос!у, Согопета зр., 8епсо1орИиэ ¡р. показали, что все исследуемые образцы

0 ..... .........,,.п—г—-....................

2 10 20 30 40 5(1 60 70 2-ТЬ«а 5са1е

Рис. 4. РФА спикул губки РИ. гаркапш.

700

80

90

рентгеноаморфны, но имеют структурную упорядоченность (рис. 4). Для всех исследованных образцов спикул

наблюдается одинаковая форма рентгеновских кривых: рассеяние при углах 20 в диапазоне 490°, с максимумом рассеяния при 21 -25°,

спикул

соответствующий аморфному оксиду

кремния (IV) [10]. При углах 20 в диапазоне 27-32° наблюдаются слабовыраженные рентгеновские рефлексы кристалличности, что свидетельствует об упорядоченности и наличию периодичности в структуре спикул. Результаты рентгенофазового анализа также показали, что спикулы глубоководных губок - полидисперсные системы т.к. имеют максимум при малых углах рассеяния.

Для исследования влияния воды (структурной и адсорбированной) на физико-химические свойства спикул был проведен их термический анализ в диапазоне температур 40 - 320 °С. Исследования методом термогравиметрии показали, что наличие адсорбированной воды в спикулах губок находится пределах 10,5-12 %. При нагревании до температуры 120 °С спикулы сохраняют оптическую прозрачность, что свидетельствует о высокой стабильности их физико-химических свойств, обусловленных слоистостью их структуры и содержанием воды, обладающей высокой теплоемкостью. Последующее нагревание спикул до 150 °С приводит к старению материала и частичному разрушению структуры спикул. Полное

разрушение структуры спикул наблюдается при температуре от 320 °С и выше. Исследования спикул губки Ph. raphanus методом ДТГА (рис. 5) показали существенное

качественное различие в процессах, наблюдаемых у нативных спикул и спикул после обработки

дистиллированной водой.

Различия термоокислительного распада для необработанных и обработанных водой спикул заключаются в количестве экзотермических стадий

окисления органического

вещества, а также перестройке структуры спикул, что объясняется композитным составом материала спикул и слоистостью их структуры. При этом дополнительная

гидратация либо удаление адсорбированной воды из материала спикул изменяет

Time |minj

Рис. 5. ДТГА базальных спикул губки Р1г. гаркания: а) без предварительной обработки, б) после обработки дистиллированной водой

химическую природу их кремнийорганического скелета.

В четвертой главе приведены результаты исследования оптических свойств спикул глубоководных губок. Исследования светопроводящих свойств спикул глубоководных губок показали, что они по своим оптическим характеристикам близки к кварцевым волоконным световодам. Вследствие достаточно большой разности показателя преломления материала спикул (п= 1,41-1,48) [12] и окружающей среды (воздух, п=1 или морская вода, п=1,3), спикулы различных видов губок способны поводить световое излучение (рис. 6) в широком диапазоне длин волн.

200 500 800 1100 1400 1700

-| 300

2

-со всей г_

поверхности | 200 спикулы ;

-с полированного | 0Q торца спикулы §

I 0)

5 0 б)

70 120

температура, С

Рис. 7. а) Характеристики спектрального пропускания материала базальной спикулы 8епсо1орки$ б) зависимость сдвига коротковолнового края спектра пропускания материала спикул губки РИ. гарИапиз от температурной обработки.

Методом УФ-ИК спектрофотомерии исследованы спектрально-селективные свойства спикул глубоководных губок в диапазоне длин волн 190-1800 нм. Показано, что для спикул характерен широкий спектральный диапазон пропускания 300 - 1400 нм (рис 7а). Потери проходящего излучения в диапазоне длин волн 530 - 1120 нм составляют ~ 0,1 дБ/м. Потери световой мощности в спикулах глубоководных губок обусловлены поглощением света органическим матриксом спикул в диапазоне длин волн 200-280 нм, а также Рэлеевским рассеянием, обусловленным наличием флуктуаций плотности в материале спикул, эффективность которого спадает [13]. Наличие воды в материале спикул приводит к поглощению на длинах волн 1410 - 1800 нм.

Результаты исследований спектральных характеристик спикул при нагревании свидетельствуют о стабильности структуры и существенном вкладе воды на

Рис. б. Ввод лазерного излучения в спикулы губок а) базальной спикулы Sericolophus sp.; б) пятшучевой спикулы Ph. Raphanus.

спектральные характеристики их материала. Показано, что температурное воздействие на спикулы в диапазоне температур 40-150 °С влияет на характер распространения по ним светового излучения, что проявляется в спектральном сдвиге коротковолнового края спектра пропускания (рис. 76). Спектральный сдвиг коротковолнового края полосы пропускания определяется изменениями физико-химического состояния спикул при их нагревании: уплотнение слоев оксида кремния, изменение показателя преломления и структурной деградация материала спикул. При этом наблюдаемый спектральный сдвиг также зависит от функционального назначения спикул в губке, которое в свою очередь задает определенное соотношение высоко и низко гидратированных зон оксида кремния в материале спикул.

Разработана и обоснована модель спикулы как аксиального многослойного цилиндрического световода - одномерного фотонного кристалла (рис. 8). Показано, что многослойные аксиальные оболочки спикул с градиентом показателей преломления вокруг полой сердцевины (аксиального канала) образуют одномерный фотонный кристалл (ФК). Это свойство периодических структур позволяет достичь низкого уровня потерь для мод полых волноводов с коаксиальной брэгговской оболочкой [17]. Исходя из сделанных предположений, в случае если > 5г'ла0 = п/по, где а0 - угол полного внутреннего отражения для материала сердцевины по отношению к окружающей среде с показателем преломления и,-, на границе раздела "спикула - окружающая среда" будет происходить полное внутреннее отражение световой волны. Поскольку после каждого отражения вся мощность направляемых волн полностью возвращается в спикулу, то такие волны могут распространяться без затухания на большие расстояния в виде собственных мод световода.

>4

Рис. 8. Модель спикул как аксиального многослойного световода: (п] < п0, п По - показатель преломления аксиального канала спикулы: п1 - показатель преломления слоев ЯО,;

П2 - показатель преломления органического матрикса; а-угол падения световой волны; (г,г) - цилиндрические координаты.

п

Для обнаружения направляемых брэгговских мод и оценки по ним возможных значений А, и я, была проведена серия измерений по пропусканию лазерного излучения с длиной волны X = 632 нм через спикулы. Регистрировалась зависимости интенсивности излучения на выходе спикулы с учетом френелевского отражения

излучения на входном торце как функции параметра х=пф1па, при которых в сердцевине спикулы может возбудиться брэгговская мода. Экспериментальные исследования показали, что доля брэгговских мод в общей интенсивности прошедшего света невелика (около 1 %), что связано с их плохим возбуждением в квазипериодических слоистых средах.

Для подтверждения наличия фотонно-кристаллических свойств у спикул стеклянных губок изучался процесс прохождения через них импульсов лазерного излучения фемтосекундной длительности. Анализ сравнительного отношения спектров прошедшего и входного импульсов (рис. 9) показал на фотонно-кристаллический характер распространения светового излучения в спикулах [13].

ч 1.0

4 0.9

В 0.8

1 0,7

5 0.«

е 0,5

§ 0,4

s о,з

5 0,2

1 0,1

S 0,0

а) 740 760 780 800 820 840 860 длина волны,ни

1,0 0,9 0.8 0,7 0.6 0.5 0,4 0.3 0,2 0,1 0,0

б) '740 750 780 I

30 820 840 860 длина волны,нм

Рис. 9. а) спектр фемтосекундного лазерного импульса, на входе в спикулу; б) спектр пропускания излучения, регистрируемый на выходе из базальной спикулы губки Н. ¡¡еЬоМ1

В пятой главе приведены результаты исследования пигментного состава и симбиотической ассоциации губки Рк гарИапиз. Для подтверждения наличия в губке РЪ гарИапиь симбиотической ассоциации с фотосинтезирующими бактериями методом УФ-ИК спектрометрии исследовали ацетоновые экстракты пигментов на присутствие в них хлорофилла и каротинойдов [18]. Исследования показали, что основная доля приходится на функциональный хлорофилл а (0.65 мкг/г сырой массы) и только 0.05 мкг/г - на продукты его распада - феофитин а. Это свидетельствует, что большая часть симбионтов в губке физиологически активна и участвует в процессе фотосинтеза [19]. При этом концентрации хлорофилла а в тканях губки Рк гаркапиъ, значительно меньше, чем у большинства мелководных губок тропических рифов и составляют 1/3 от их среднего значения [16]. Это свидетельствует о том, что процессы фотосинтеза, проходящие в тканях губки за счет симбиотической ассоциации с фотосинтезирующими бактериями, только частично, покрывают ее энергетические затраты. Участки локализации хлоропластов в теле губки, соответствующих участкам локализации фотосинтезирующих симбионтов, исследовали методом лазерной индуцированной флуоресценции (ЛИФ). Исследования показали, что интенсивность флуоресценции спикул из базальной части губки в 30 раз меньше интенсивности флуоресценции ее хоаносоматической

б)

части. Это свидетельствует о том, что хлоропласты и фотосинтетически активные симбионты локализованы в хоаносоматической часть губки на отдельных лучах мегасклерных спикул. Методом сканирующего зонда исследованы оптические характеристики ламинирующих оболочек спикул различной геометрии и функционального назначения (рис 10, диаграммы совмещены с фотографиями спикул таким образом, что точки съема излучения на диаграммах соответствуют областям на фотографиях. Это позволило связать характерные точки диаграмм с

геометрическими характеристиками и

неоднородностями спикул). Анализ интенсивности

рассеяния излучения боковой поверхностью спикул губок, показал, что максимум полосы излучения

регистрируемый в диапазоне 440-530 нм, находится в окне прозрачности вод Океана и соответствует одному из максимумов поглощения хлорофилла [18].

Полученные данные

демонстрируют возможность работы спикул как световодов в указанном диапазоне длин волн. На основе комплексных исследований морфологии, оптических и структурных характеристик обосновано двойное назначение спикул в губке РИ. гарИапиз'. обеспечение механической прочности, а также улавливание и доставка светового излучения к фотосинтезирующим симбионтам, а также выдвинута гипотеза о наличии в морской глубоководной губке Р/г. гаркапиБ фоторецепторной системы и об оптическом механизме ее жизнеобеспечения.

Рис. 10. Интенсивность рассеяния излучения боковой поверхностью спикул губки Рк. гарИапш от длины спикулы: а, - пентактина; б - диактина.

Основные результаты и выводы

Спикулы морских глубоководных губок и РИегопета ¡р., Рк гаркапиз, Согопета 5р., БепсоЬрИих зр. и Н. БгеЬоМу являются многослойными аксиальными структурами, толщина слоев в которых уменьшается от центра к периферии и изменяется в пределах от 2 до 0,5 мкм. Размеры и геометрия спикул зависят от их функционального назначения и месторасположения в губке. Материал спикул состоит из органического матрикса и аморфного оксида кремния с размером частиц от 40 до 70 нм. Основной характеристикой материала является различная степень гидратированности оксида кремния по поперечному сечению, которая определяется локальной концентрацией катионов и К+.

Материал спикул глубоководных губок имеет спектрально-селективные характеристики пропускания в области длин волн 190-1900 нм, что определяется функциональными особенностями, а также природой материала спикул. При этом сочетание трехмерной периодической структуры из органического матрикса и наноразмерного аморфного гидратированного оксида кремния способствует пропусканию в области длин волн 300-1410 нм, а также приводит к поглощению излучения в области коротковолнового ультрафиолета. Потери проходящего излучения в диапазоне длин волн 530 - 1120 нм, обусловленные Рэлеевским рассеянием на неоднородностях структуры, составляют ~ 0,1-0,15 дБ/м. Наличие воды в материале спикул приводит к поглощению на длинах волн 1410 - 1900 нм. Результаты исследований спектральных характеристик спикул при нагревании свидетельствуют о стабильности структуры и существенном вкладе воды на спектральные характеристики их материала. Наличие в спикулах губок периодических аксиальных цилиндрических слоев размеров, способствует формированию фотонно-кристаллического режима распространения излучения, основанного на образовании запрещенных фотонных энергетических зон, что позволяет отнести спикулы глубоководных губок к аналогам природных одномерных фотонных кристаллов. Морская глубоководная губка Рк гарИапи.^ имеет хлоропласта и устойчивую симбиотическую ассоциацию с цианобактериями. Значительная часть симбионтов в губке фотосинтетически активна и на 10-30% покрывает её энергетические затраты.

На основе комплексных исследований функционирования, морфологии и структурной организации губки Рк ИарИапш и её спикул выдвинута гипотеза о наличии в морской глубоководной губке фоторецепторной системы и об оптическом механизме ее жизнеобеспечения.

Материалы диссертационной работы полностью отражены в следующих

публикациях:

1. Кульчин Ю.Н Вознесенский С.С., Галкина А.Н., Дроздов А. Л., Гнеденков C.B., Курявый В.Г., Мальцева Т.Л., Чередниченко А.Н. Физико-химические свойства биоминеральных структур кремнийсодержащих морских организмов.// Вестник ДВОРАН. 2007. Т. 131, №1. С.27-41. (из перечня ВАК РФ).

2. Дроздов А.Л., Букин O.A., Галкина А.Н., Голик С.С., Жукова Н.В., Кульчин Ю.Н, Нагорный И.Г., Чербаджи И.И. Симбионтные цианобактерии в шестилучевой губке Hyaloplacoida Echinum (Lyssacinosida; Hexactinellida) // Сборник научных трудов «Перспективные направления развития нанотехнологий на Дальнем Востоке России». Владивосток, Дальнаука, 2007. С. 64-79.

3. Вознесенский С.С., Галкина А.Н., Мальцева Т.Л. Физико-химические и структурные характеристики кремнийорганических спикул стеклянных морских губок // тезисы 7-ой Региональной Научной Конференции «Физика: фундаментальные и прикладные исследования, образование» Владивосток, 15-18 октября, 2007. С.78.

4. Кульчин Ю.Н., Букин O.A., Вознесенский С.С., Галкина А.Н., Гнеденков C.B., Дроздов А.Л., Курявый В.Г., Мальцева Т.Л., Нагорный И.Г., Синебрюхов С.Л., Чередниченко А.И. Биологический вид волоконных световодов // Сборник научных трудов и материалов лекций, прочитанных на XXIII школе «Нелинейные волны, 2006», Нижний Новгород, ИПФ РАН, 2007. С. 548-559.

5. Кульчин Ю.Н., Букин O.A., Вознесенский С.С., Галкина А.Н., Гнеденков C.B., Дроздов А.Л., Курявый В.Г., Мальцева Т.Л., Нагорный И.Г., Синебрюхов С.Л., A.B. Чередниченко. Волоконные световоды на основе природных биоминералов — спикул морских губок. И Квантовая электроника. 2008. Т. 38, №1, С. 51-55. (из перечня ВАК РФ).

6. Дроздов А.Л., Букин O.A., Вознесенский С.С., Галкина А.Н., Голик С.С., Жукова Н.В., Кульчин Ю.Н., Нагорный И.Г., Чербаджи И.И. Симбионтные цианобактерии в шестилучевых губках (Porifera: Hexactinellida) II Доклады Академии Наук. 2008. Т. 420, № 4. С. 565-567. (из перечня ВАК РФ).

7. Voznesenskiy S.S., Galkina A.N., Kulchin Yu.N. The features of nanostructured biosilica И Proceeding of 16lh International Simposium "Nanostructures: Physics and Technology". Vladivostok, Russia, July 14-18, 2008. P. 50-51.

8. Kulchin Yu.N., Bezverbny A.V., Bukin O.A., Voznesensky S.S., Galkina A.N., Drozdov A.L. and Nagorny I.G. Optical and Nonlinear Optical Properties of Sea Glass Sponge Spicules. // Marine Molecular Biotechnology. Ed. by W.E.G Müller. Sprinser-Verlae: Berlin.. 2009. P. 315-340. (из перечня ВАК РФ).

9. Кульчин Ю.Н., Вознесенский С.С., Букин O.A., Безвербный A.B., Дроздов А.Л., Нагорный И.Г., Галкина А.Н. Спикулы стеклянных губок как новый тип

самоорганизующихся природных фотонных кристаллов. // Оптика и спектроскопия. 2009. Т. 107, № 3, с. 468-473. (из перечня ВАК РФ).

10. Галкина А.Н., Вознесенский С.С., Кульчин Ю.Н., Сергеев А.А. Наноструктурные особенности биокремния морского происхождения // Химическая физика и мезоскопия. 2009. Т. 11, №3. С. 310-314. (из перечня ВАК РФ).

11. Voznesenskiy S.S., Galkina A.N., Kulchin Yu.N. The natural nanostructured materials as promising material for biomimetic simulation // Proceeding of 17й International Simposium "Nanostructures: Physics and Technology". Minsk, Belarus, June 22-26, 2009. P. 238-239.

12. Галкина A.H., Вознесенский С.С., Кульчин Ю.Н., Сергеев А.А. Наноструктурные особенности биокремния морского происхождения // Сборник трудов XII Межрегиональной конференции молодых ученых по физике полупроводниковых диэлектрических и магнитных материалов (ПДММ-2009), г. Владивосток, 17-20 июня 2009. С. 306-310.

13. Вознесенский С.С., Галкина А.Н., Кульчин Ю.Н., Сергеев А.А. Механизм жизнеобеспечения морских стеклянных губок // Сборник трудов XII Межрегиональной конференции молодых ученых по физике полупроводниковых диэлектрических и магнитных материалов (ПДММ-2009), г. Владивосток, 17-20 июня 2009. С. 332-335.

Список цитируемой литературы

[1] Fratzl P. Biomimetic materials research: what can we really learn from nature's structural materials. Journal of Royal Society. Interface, 2007. Vol. 4 P. 637-642.

[2] Mayer G., Sarikaya M. Rigid biological composite materials: structural examples for biomimetic design. Exp Mech., 2002.Vol. 42. P. 395-403.

[3] Currey, J. D. Hierarchies in biomineral structures. SCIENCE, 2005. Vol. 309. P. 253-254.

[4] Эрлих Г., Ересковский А. В., Дроздов А. Л., Крылова Д. Д., Ханке Т., Майснер X., Хайнеман С., Ворх X. Современный подход к деминерализации спикул стеклянных губок (Porifera: Hexactinellida) с целью извлечения и исследования протеинового матрикса. // Биология моря, 2006. Т. 32, №3. С. 217-224.

[5] Ehrlich Herman, Hartmut Worch. Sponges as natural composites: from boimimetic potentional to development of new biomaterials. // Proceeding of 71 International Sponge Symposium «Porifera Research: biodiversity, innovation and sustainability - 2007», Rio de Janeiro, Brazil. P. 303-312.

[6] Muller W.E.G., Krasko A., Gael le Pennac, Schroder H. C. Biochemistry and cell biology of silica formation in sponge. Microscopy Research and Technique, 2003. Vol. 62. P. 368-377.

[7] Aizenberg J., Weaver J. C., Thanawala M. S., Sundar V. C., Morse D. E., Fratzl P. Skeleton of Euplectella sp.: Structural Hierarchy from the Nanoscale to the Macroscale. SCIENCE, 2005. Vol. 309. P. 275-278.

[8] Weaver, J.C., Pietrasanta Lia I., Hedin N., Achmelka B. F., Hansma P. K, Morse

D. E. Nanostructural features of demosponge biosilica. // Journal of Structural Biology. 2003. Vol. 144 P. 271-281.

[9] Müller W. E.G., Eckert С., Kropf К., Xiaohong Wang, Scholobmacher U., Seckert Ch., Stephan E. Wolf, Tremel W., Schroder H.C. Formation of giant spicules in deep-sea hexactinellid Monorhaphis chini: electron-microscopic and biochemical studies. Cell Tussue Research. 2007. Vol. 329, P. 363-378.

[10] Sandford F. Physical and chemical analysis of the siliceous skeletons in six sponges of two groups (Demospongiae and Hexactinellida). Microscopy Res. and Tech., 2003. Vol. 62. pp. 336-355.

[11] Müller W. E.G., Wendt K., Geppert Ch., Wiens M., Reiber A., Schröder H. C. Novel photoreception system in sponges? Unique transmission properties of the stalk spicules from the hexactinellid Hyalonema sieboldi. Biosensors and Bioelectronics, 2006. Vol. 21. P. 1149-1155.

[12] Aizenberg J., Vikram C. Sundar, Yablon A. D., Weaver J. C., Gang Chen. Biological glass fibers: Correlation between optical and structural properties. Proceeding of the National Academy of Sciences of the USA. 2004. Vol. 101, P. 3358-3363.

[13] Кульчин Ю.Н., Багаев C.H., Букин, O.A., Вознесенский C.C, Дроздов A.JI., Зинин Ю.А., Нагорный И.Г., Пестряков Е.В., Трунов В.И. Фотонные кристаллы на основе природных биоминералов океанического происхождения. // Письма ЖТФ., 2008. Т. 34, №15. С. 1-7.

[14] R. Cattaneo-Vietti, G. Bavestrello, С. Cerrano, A. Sara, U. Benatti, M. Giovine and

E. Gaino, Optical fibres in an Antarctic sponge. Nature, 1996. Vol. 383. P. 397398.

[15] Beaulieu S.E. Life in glass houses: sponge stalk communities in the deep sea // Mar. Biol. 2001. V.138. P. 803-817.

[16] Wilkinson C.R., Trott L.A. Light as a factor in distribution of sponges // PCRS-5, 1985. Vol. 5. P. 125-130.

[17] Желтиков A.M. Микроструктурированные световоды в оптических технологиях. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2009. - 192с.

[18] И.И. Гительзон, Л.А.Левин, P.A. Утюшев, O.A. Черепанов, Ю.В. Чугунов. Биолюминесценция в океане. С.-Петербург: Гидрометеоиздат, 1992. - 282 с.

[19] Lorenzen С. J. Determination of chlorophyll and phaeopigments: spectrophotometric equations. // Limnology and Oceanogy,1967. Vol. 12. №2. P. 343-346.

Галкина Анна Николаевна

Биофизические и оптические характеристики спикул морских глубоководных губок

Автореферат

Подписано к печати 20.11.2009 г. Усл. п. л. 0,8 Уч. изд. л. 0,7

Формат 60*84/16 Тираж 120. Заказ 47

Издано ИАГГУ ДВО РАН. 690041, г. Владивосток, ул. Радио , 5. Отпечатано участком оперативной печати ИАПУ ДВО РАН. 690041, г. Владивосток, ул. Радио, 5

Содержание диссертации, кандидата физико-математических наук, Галкина, Анна Николаевна

Введение

Глава 1. Биоминералы морского происхождения: формирование, структура и свойства

1.1. Морские глубоководные губки как перспективный объект исследований

1.2. Морфо-функциональные особенности спикул морских глубоководных губок

1.3. Механизм формирования спикул и скелета губок

1.4. Физико-химические свойства спикул глубоководных губок 28 1.5.Оптические свойства спикул губок

1.6. Функционирование морских глубоководных губок

1.7. Выводы

Глава 2. Материалы и методы исследования, аппаратура и методики

2.1. Материалы для исследований

2.1.1. Отбор и фиксирование материала для исследований

2.1.2. Подготовка образцов для исследований

2.2. Аппаратура и методики исследований

2.2.1. Исследования морфологии спикул глубоководных губок

2.2.2. Исследование химического состава спикул губок

2.2.3. Растворение спикул глубоководных губок

2.2.4. Исследование материала спикул при нагревании

2.2.5. Исследования фазового состава и степени гидратированности материала спикул

2.2.6. Исследование волноводных характеристик спикул

2.2.7. Исследования спектральных характеристик спикул

2.2.8. Исследования по возбуждению спикул излучением через боковую поверхность

2.2.9. Исследование распространения сверхкоротких импульсов в спикулах морских губок

2.2.10. Определение концентрации фотосинтетических пигментов в глубоководных губках

2.3. Методы расчетов структурных и оптических компонентов спикул

2.3.1. Методы расчетов кривых МУРР

2.3.2. Расчет потери световой мощности в спикулах

Глава 3. Исследования морфологии, химического состава и физико-химических свойств спикул морских глубоководных губок

3.1. Морфология спикул морских глубоководных губок

3.1.1. Морфологические особенности губки Pheronema

Raphanus (Amphidiscosida, Hexactinellida)

3.1.2. Особенности морфологии губки Pheronema sp.

Amphidiscosida, Hexactinellida)

3.1.3. Особенности морфологии глубоководных губок Hyalonema sieboldy, Coronema sp. и Sericolophus sp.

Amphidiscosida, Hexactinellida)

3.2. Химический состав спикул морских глубоководных губок. Корреляция распределения химических элементов в спикулах губок и с их функциональным назначением

3.2.1 Исследования взаимодействия материала спикул с реактивами травления

3.2.2. исследования материала спикул методом рептгенофазового анализа

3.2.3. исследование спикул методом малоуглового рентгеновского рассеяния

3.2.4. Рентгеновский энергодисперсионный микроанализ спикул глубоководных губок

3.3. Исследование влияния воды на структурные и физические свойства спикул

3.3.1. Исследования материала спикул методом ЯМР ~ SI

3.3.2. исследование спикул глубоководных губок методом термогравиметрического анализа

3.3.3. исследования метериала спикул методом дифференциального термогравиметрического анализа (ДТГА)

3.4. Выводы

Глава 4. Оптические свойства спикул морских глубоководных губок

4.1. Светопроводящие свойства спикул морских глубоководных губок

4.2. Фотонно-кристаллические свойства спикул морских глубоководных губок

4.3. Выводы

Глава 5. Симбионтичские ассоциации морских глубоководных губок и фоторецепторная гипотеза их жизнеобеспечения

5.1. Исследование симбиотической ассоциации морской глубоководной губки Pheronema raphanus

5.2. Исследование природы излучения в системе жизнеобеспечения глубоководных губок

5.2.1. Исследование среды распространения излучения в глубоководных губках

5.2.2. Исследование оптических свойств ламинирующей оболочки спикул глубоководных губок

5.3. Выводы , 133 Основные результаты и выводы 135 Литература

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

СЭМ Сканирующая Электронная Микроскопия

АСМ Атомная Силовая Микроскопия эдс Энергодисперсионная рентгеновская Спектроскопия

РФА Рентгенофазовый Анализ

МУРР Малоугловое Рентгеновское Рассеяние

Я MP Ядерный Магнитный Резонанс

ДТГА Дифференциальный Термогравиметрический Анализ

ФК Фотонный Кристалл

ФЗЗ Фотонная Запрещенная зона

ЛИФ Лазерная Индуцированная Флуоресценция

Введение Диссертация по биологии, на тему "Биофизические и оптические характеристики спикул морских глубоководных губок"

Актуальность темы. Нанотехнологии являются современным подходом к проблеме получения новых функциональных материалов. Структурные компоненты живых систем состоят из упорядоченных массивов белковых и углеводородных молекул, способных к самоорганизации в растворе, что позволяет получать уникальные наноструктуры, обеспечивая высокую производительность на единицу массы без повышенных требований к исходным материалам и энергетике процессов [1, 2]. В природе существует довольно обширная группа организмов, которые могут концентрировать в себе минеральные вещества, которые входят в состав внеклеточных структур, образованных сложными композитными веществами — биоминералами. Биоминералы играют важную роль в жизнедеятельности многих организмов, выполняя опорные и защитные функции [1 - 4]. Поскольку в их состав входят две компоненты — органическая (белки или полисахариды) и минеральная (соли или окислы химических элементов), такие структуры оказываются устойчивыми к действию многих факторов внешней среды [2, 4]. Ярким примером организмов, в основе метаболизма которых лежит процесс биоминерализации, служат губки [5 - 11]. У обитающих в морских или пресных водах с небольшим количеством растворенного кремния стеклянных губок существует клеточный механизм избирательного накопления кремния из воды [12 - 23]. Элементы скелета таких губок - спикулы, в которых минеральным компонентом является двуокись кремния, представляют значительный интерес для нанотехнологий [1-3, 24 - 29].

Комплексное изучение процессов природной биоминерализации спикул морских губок дает уникальные сведения об их морфологии [12, 16, 30 - 36], физиологии [37 - 39], структурных [40 - 51], механических [2, 49, 52 - 55] и оптических свойствах. Оптические свойства спикул морских глубоководных губок привлекают внимание практически всех групп исследователей, занимающихся изучением этих уникальных животных [24, 53, 56 - 61]. Нерешенной остается проблема функционирования спикул в системе жизнеобеспечения губок, а также и для какой цели спикулы обладают оптической прозрачностью и имеют широкий спектральный диапазон пропускания? В данной работе результаты исследований морфологии, физико-химических и оптических свойств спикул глубоководных губок интерпретируются с точки зрения гипотезы о наличии у них фоторецепторной системы и роли фотосинтетически активных симбионтов глубоководных губок в энергетическом балансе системы жизнеобеспечения их организма.

Обоснование выбора материалов Выбор материала для исследований основан на уникальности структуры и свойств биоминералов морского происхождения - спикул морских глубоководных губок, с целью установления их роли в системе жизнеобеспечения губок, а также для определения перспектив применения их биомиметических аналогов как компонентов волоконно-оптических систем, телекоммуникационной техники и систем оптической обработки информации.

Цель диссертационной работы — Определение природы и особенностей механизма жизнеобеспечения морских глубоководных губок.

Основные задачи диссертационной работы:

1. Исследовать морфологию, структурную организацию и химический состав морских глубоководных губок и их структурных фрагментов (спикул).

2. Исследовать стабильность физико-химические свойства материала спикул, а именно:

• Установить влияния воды на структурные и физические свойства спикул.

• Показать влияние структурной организации спикул морских губок на их оптические свойства

3. Исследовать особенности оптических свойств спикул морских глубоководных губок.

4. Провести моделирование процессов распространения излучения в спикулах глубоководных губок.

Обосновать наличие фоторецепторной системы в глубоководных стеклянных губках, понять природу излучения, улавливаемого стеклянной губкой, выявить потребителей фототрофов и их роль в системе жизнеобеспечения губок.

Научная новизна работы

Впервые исследованы морфология, физико-химические и оптические свойства спикул морских глубоководных губок Pheronema raphanus, Pheronema sp. Sericolophus sp., Coronema sp. (Amphidiscosida, Hexactinellida) обнаружена корреляция со свойствами спикул губки Hyalonema sieboldy (Amphidiscosida, Hexactinellida). Показано, что спикулы губок представляют собой нанокомпозитную трехмерную слоистую периодическую структуру, состоящую из органического матрикса и аморфного оксида кремния.

Впервые исследованы спектрально-селективные характеристики спикул глубоководных губок. Результаты исследований свидетельствуют о стабильности структуры спикул и существенном вкладе воды в спектральные характеристики их материала.

Впервые исследованы процессы прохождения импульсов лазерного излучения фемтосекундной длительности в спикулах глубоководных губок. Обнаружен фотонно-кристаллический режим распространения светового излучения.

Впервые обоснована гипотеза об оптическом механизме жизнеобеспечения глубоководной губки Ph. Raphanus., определены функциональные особенности спикул, принципы захвата и передачи светового сигнала, а также определен вклад симбионтов в процесс энергетического обмена губки.

Практическая ценность

Установлен факт наличия нанострукгурной иерархии материала спикул и выявлен иерархический контроль в процессе их формирования.

• Исследовано влияние воды на структурные и физические свойства спикул. Выявление феномена различной степени конденсированности оксида кремния в поперечном сечении спикул и его метастабильного состояния позволило предположить возможность модификации наноструктурпой организации материала спикул.

• Обоснована волноводная модель спикул глубоководных губок. Показано, что наличие в спикулах морских губок периодических аксиальных цилиндрических слоев приводит к формированию фотонно-кристаллического режима распространения по ним излучения, основанного на образовании запрещенных фотонных энергетических зон. При этом спикулы губок являются аналогами одномерных фотонных кристаллов.

• Полученные результаты исследований используются при создании наноструктурированных оптических материалов для систем фотоники.

Основные защищаемые положения

1. Спикулы морских глубоководных губок и Pheronema sp., Pheronema raphanas, Coronema sp., Sericolophus sp. и H. sieboldy представляют собой нанокомпозитную трехмерную слоистую периодическую структуру, состоящую из органического матрикса и аморфного оксида кремния с размером частиц от 40 до 70 нм.

2. Основным компонентом в материале спикул, определяющим стабильность их структуры и свойств, является вода.

3. Спикулы морских глубоководных губок являются природными одномерными фотонными кристаллами.

4. Морская глубоководная губка Ph. raphanus имеет хлоропласты и устойчивую симбиотическую ассоциацию с цианобактериями. При этом значительная часть симбионтов в губке фотосинтетически активна и на 1030% покрывает её энергетические затраты.

5. Спикулы морской глубоководной губки Ph. raphanus имеют двойное назначение: обеспечивают прочный каркас тела губки, а также предназначены для улавливания светового излучения и доставки его к фотосинтезирующим симбионтам.

Апробация результатов работы. Результаты диссертационной работы были представлены в 4 устных докладах на российских конференциях (XXIII школа Нелинейные волны, 2006», Нижний Новгород; 7-ой Региональной Научной Конференции «Физика: фундаментальные и прикладные исследования, образование» Владивосток, 15-18 октября, 2007; XII Межрегиональной конференции молодых ученых по физике полупроводниковых диэлектрических и магнитных материалов (ПДММ-2009), Владивосток, 17-20 июня, 2009) и в 2 устных докладах на международных симпозиумах (16th International Symposium "Nanostructures: Physics and Technology", Vladivostok, Russia, July 14-18, 2008; 17lh International Symposium "Nanostructures: Physics and Technology" Minsk, Belarus, June 22-26, 2009) с 2006 no 2009 гг.

Публикации. По материалам диссертации опубликованы 12 статей (5 статей в журналах из списка ВАК РФ, 1 статья в реферируемой международной монографии, 6 статей — в сборниках трудов международных и региональных конференций) и 1 тезисы сообщений в сборниках трудов конференций.

Личный вклад автора заключается в сборе, подготовке и консервации, включая криосохранение, образцов и препаратов морских глубоководных губок, а также в проведении всех исследовании их морфологии, структурной организации и физико-химических свойств. Автор обрабатывал основные экспериментальные данные и интерпретировал их, участвовал в обсуждении и написании статей. Вошедшие в диссертацию результаты отражают итоги исследований, проведенных автором в ИАПУ ДВО РАН совместно с сотрудниками отдела оптоэлектронных методов измерений газообразных и конденсированных сред.

Участие основных соавторов публикаций заключалось в следующем: д.ф.-м.н., член-корр. РАН Кульчин Ю.Н., д.ф.-м.н., профессор Букин А.О., д.б.н., профессор Дроздов A.JL, д.х.н. Чередниченко А.Н., д.х.н. Гнеденков С.В., и к.т.и. Вознесенский С.С. участвовали в постановке задач, обсуждении результатов и написании ряда статей; д.ф.-м.н., Безвербный А.В., к.ф.-м.н. Нагорный И.Г. и к.ф.-м.н. Голик С.С. получали и обрабатывали данные ЛИФ и данные прохождения сверхкоротких лазерных импульсов, а также участвовали в обсуждении и написании ряда статей; аспирант Сергеев А.А. и аспирантка Мальцева T.J1. участвовали в получении и обработки данных по оптической спектроскопии и оптическим свойствам исследуемых образцов.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения и списка цитируемой литературы. Общий объем диссертации составляет 152 страницы, включая 63 рисунка, 9 таблиц и список литературы из 144 наименования.

Заключение Диссертация по теме "Биофизика", Галкина, Анна Николаевна

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Спикулы морских глубоководных губок и Pheronema sp., Ph. raphanus, Coronema sp., Sericolophus sp. и H. Sieboldy являются многослойными аксиальными структурами, толщина слоев в которых уменьшается от центра к периферии и изменяется в пределах от 2 до 0,5 мкм. Размеры и геометрия спикул зависят от их функционального назначения и месторасположения в губке.

2. Материал спикул состоит из органического матрикса и аморфного оксида кремния с размером частиц от 40 до 70 нм. Основной характеристикой материала является различная степень гидратированности оксида кремния по поперечному сечению, которая определяется локальной концентрацией катионов Na+ и К+.

3. Материал спикул глубоководных губок имеет спектрально-селективные характеристики пропускания в области длин волн 190-1900 нм, что определяется функциональными особенностями, а также природой материала самих спикул. При этом сочетание трехмерной периодической структуры из органического матрикса и наноразмерного аморфного гидратированного оксида кремния способствует пропусканию в области длин волн 300-1410 нм, а также приводит к поглощению излучения в области коротковолнового ультрафиолета. Потери проходящего излучения в диапазоне длин волн 530 - 1120 нм, обусловленные Рэлеевским рассеянием на неоднородностях структуры, составляют ~ 0,10,15 дБ/м. Наличие воды в материале спикул приводит к поглощению на длинах волн 1410 - 1900 нм. Результаты исследований спектральных характеристик спикул при нагревании свидетельствуют о стабильности структуры и существенном вкладе воды на спектральные характеристики их материала.

4. Наличие в спикулах губок периодических аксиальных цилиндрических слоев размеров, способствует формированию фотонно-кристаллического режима распространения излучения, основанного на образовании запрещенных фотонных энергетических зон, что позволяет отнести спикулы глубоководных губок к аналогам природных одномерных фотонных кристаллов.

5. Морская глубоководная губка Ph. raphanus имеет хлоропласты и устойчивую симбиотическую ассоциацию с цианобактериями. Значительная часть симбионтов в губке фотосинтетически активна и на 10-30% покрывает её энергетические затраты.

6. На основе комплексных исследований функционирования, морфологии и структурной организации губки Ph. Raphanus и её спикул выдвинута гипотеза о наличии в морской глубоководной губке фоторецепторной системы и об оптическом механизме ее жизнеобеспечения.

Библиография Диссертация по биологии, кандидата физико-математических наук, Галкина, Анна Николаевна, Владивосток

1. Fratzl P. Biomimetic materials research: what can we really learn from nature's structural materials. // Journal of Royal Society. 1.terface. 2007. Vol. 4. P. 637-642.

2. Mayer G., Sarikaya M. Rigid biological composite materials: structural examples for biomimetic design. // Expimental Mechanics, 2002. Vol. 42. P. 395-403.

3. Gao H., Ji В., Jager I.L., Artz E., Fratzl P. Materials become intensitive to flaws at nanoscale. Lessons from nature. // Proceeding of the National Acaddemy of Sciences of the USA, 2003. Vol. 100 (3). P. 5597-5600.

4. Currey, J. D. Hierarchies in biomineral structures. // SCIENCE, 2005. Vol. 309. P. 253-254.

5. Дроздов A.JT. Биология для физиков и химиков. Владивосток: Издательство Дальневосточного университета, 2006. 414 с.

6. Кусакин О.Г., Дроздов А.Л. Филема органического мира. В 2-х томах. СПб: Наука. Т. 1. 1994. 282 е., Т.2, 1998. - 381 с.

7. Barthel D., Tendal О. S. Antarctic Hexactinellida // Synopsis of the antarctic benthos. J. W. Wagele, J. Sieg. (eds). Koenigstein (Germany), Koeltz Scientific Books. 1994. V. 6. P. 1-154.

8. Mtiller W.E.G. Origin of Metazoa: sponges as living fossils // Naturwissenschaften, 1998. Vol. 85. P. 11-25.

9. Pisera A. Palaeontology of sponges. A review. // Canadian Journal of Zoology. 2006. Vol. 84. P. 242-261.

10. Reid R.E.H. A monograph of the Upper Cretaceous Hexactinellida of Great Britain and Northern Ireland. Part I.Palaeontogr. Soc. Monogr. (Lond.), 1958,- 111 p.

11. Bidder, G.P. 1929. Sponges. Encyclopaedia Britannica. 14th ed. Vol. 21. pp. 254-261.

12. Custodio M.R., Hadju E., Muricy G. In vivo study of microsclere formation in sponges of the genus Mycale (Demospongiae, Poecilosclerida) // Zoomorphology (Berl.). 2002. Vol. 121. P. 203-211.

13. De La Rocha C.L. Silicon isotope fractionation by marine sponges and the reconstruction of the silicon isotope composition of ancient deep water // Geology. 2003. V. 31, N 5. P. 423-426.

14. Elvin D. Growth rates of the siliceous spicules of the fresh-water sponge Ephydatia muelleri (Lieberktihn) // Trans. Am. Microsc. Soc., 1971. Vol. 90. P. 219-224.

15. Hartman W.D. Form and distribution of silica in sponges // Silicon and siliceous structures in biological systems. Ed. T.L Simpson, B.E.Volcani. New York: Springer-Verlag, 1981. P. 453-493.

16. J0rgensen C.B. On the spicule formation of Spongilla lacustris (L.). 1. The dependence of the spicule-formation on the content of dissolved and solid silicic acid of the milieu. // K. Dan. Vidensk. Selsk. Biol. Medd., 1944. Vol. 19. P. 2—45.

17. Leys S.P. Comparative study of spiculogenesis in demosponge and hexactinellid larvae.// Microscopy Research and Technique, 2003. Vol. 62. P.300-311.

18. Mtiller W.E.G., Rothenberger M., Boreiko A., Tremel W., Reiber, A., Schroder H. C. Formation of siliceous spicules in the marine demosponge Suberites domuncula //Cell Tissue Research, 2005. Vol. 321. P. 285-297.

19. Mtiller W.E.G., Krasko A., Gael le Pennac, Schroder H. C. Biochemistry and cell biology of silica formation in sponge. Microscopy Research and Technique. 2003. Vol. 62. P. 368-377.

20. Simpson T.L. The cell biology of sponges. New York: Springer-Veglar, 1984.-476 p.

21. Uriz M.-J. Mineral skeletogenesis in sponges. // Canadian Journal of Zoology, 2006. Vol. 84. P. 322-356.

22. Schroeder H.C., Wang X., Tremel W., Muller W.E.G. A review. Biofabrication of biosilica-glass by living organisms. // Natural product reports, 2008. Vol. 25. P. 455-474.

23. Boury-Esnault N., Riitzler K. Thesaurus of sponge morphology // Smithson. Contrib. Zool., 1997. Vol. 596. P. 1-55.

24. Brasier M., Green O., Shields G. Ediacaran sponge spicule clusters from southwestern Mongolia and the origins of the Cambrian fauna // Geology (Boulder). 1997, Vol. 25. P. 303-306.

25. Beaulieu S.E. Life in glass houses: sponge stalk communities in the deep sea // Marine Biology, 2001. V.138. P. 803-817.

26. Reiswing H.M. Hexactinellida after 132 years of study what's new? // Boll. Mus. 1st. Biol. Univ. Genova, 2003. Vol 68. P. 71-84.

27. Reiswig H.M., Mackie G.O. Studies on hexactinellid sponges. III. The taxonomic status of Hexactinellida within the Porifera // Philos. Trans. R. Soc. bond. B. Biol. Sci., 1983. Vol. 301. P. 419^28.

28. Schonberg C.H.L. New mechanisms in demosponge spicule formation // Journal of the Marine Biological of The United Kingdom. 2001. Vol. 81. P. 345-346.

29. Weaver J .C, Aizenberg J., Fanttner G.E., Kisailus D. et al. Hierarchical assembly of the siliceous skeletal lattice of the hexactinellid sponge Euplectella aspergillum //Journal of Structural Biology. 2007. Vol. 158 pp. 93-106.

30. Leys S.P. Mackie G.O., Meech R.W., Impulse conduction in a sponge. // Journal of Experimental Biology, 1999. Vol. 202. P. 1139-1150.

31. Mackie G.O., Singla C.L. Studies on Hexactinellid sponges. 1. Histology of Rhabdocalyptus dawsoni (Lamble, 1873) // Phil. Trans. R. Soc. Lond. (B), 1983. Vol. 301. P.365-400.

32. Mackie G.O., Lawn I.D., De Ceccatty M.P. Studies on Hexactinellid sponges. 2. Excitability, conduction and coordination of responses in Rhabdocalyptus dawsoni (Lamble, 1873) // Phil. Trans. R. Soc. Lond. (B), 1983. Vol. 301. P.401-418.

33. Croce G., Frache A., Milanesio M., Viterbo D., Bavestrello G., Benatti V., Giovine M., Amenitsch H. Fiber diffraction study of spicules from marine sponges // Microscopy Research and Techique. 2003. Vol. 62. P. 378—381.

34. Garrone R., Simpson T.L., Pottu J. Ultrastructure and deposition of silica in sponges // Silicon and siliceous structures in biological systems. Ed. T.L. Simpson, B.E. Volcani. New York: Springer-Verlag, 1981. P. 495-525.

35. Garrone R Collagene, spongin et squelette mineral chez l'eponge Haliclona rosea (O.S.) (Demosponge, Haploscleride) // Journal of Microscopy. 1969. Vol. 8. P. 581-598.

36. Holzhuter H., Lakshminarayanan K., Gerber T. Silica structure in the spicules of the sponge Suberites domuncula II Anal Bioanalitical Chemistry. 2005. Vol. 382. P. 1121-1126.

37. Aizenberg J., Weaver J. C., Thanawala M. S., Sundar V. C., Morse D. E., Fratzl P. Skeleton of Euplectella sp.: Structural Hierarchy from the Nanoscale to the Macroscale. SCIENCE. 2005. Vol. 309. P. 275-278.

38. Muller W.E.G., Belikov S.I., Tremel W., Perry C.C. Siliceous spicules in marine demosponges (example Suberites domuncula) // Micron. 2006. Vol. 37. P. 107-120.

39. Uriz M.-J., Turon X., Becerro M. A., Agell G. Siliceous Spicules and Skeleton Frameworks in Sponges: Origin, Diversity, Ultrastructural Patterns, and Biological Functions // Microscopy Research and Technique, 2003. Vol. 62. P. 279-299.

40. Weaver, J.C., Pietrasanta Lia I., Hedin N., Achmelka B. F.,. Hansma P. K, Morse D. E. Nanostructural features of demosponge biosilica. // Journal of Structural Biology. 2003. Vol. 144 P. 271-281.

41. Wilkinson C.R. Garrone R. Ultrastructure of siliceous spicules and microsclerocytes in the marine sponge Neofibulariairatan. sp. И Journal of Morphology. 1980. Vol. 166. P. 51-64.

42. Sandford F. Physical and chemical analysis of the siliceous skeletons in six sponges of two groups (Demospongiae and Hexactinellida). // Microscopy Research and Technique. 2003. Vol. 62. pp. 336-355.

43. Tabachnick K.R. Adaptation of the Hexactinnelid sponges to deep-sea life // In: Fossil and recent sponges. Eds by J. Reitner, H. Keupp. Springer-Veglar. Berlin 1991. P. 378-386.

44. Aizenberg J., Vikram C. Sundar, Yablon A. D., Weaver J. C., Gang Chen. Biological glass fibers: Correlation between optical and structural properties. Proceeding of the National Acaddemy of Sciences of the USA. 2004. Vol. 101,(10). P. 3358-3363.

45. Cattaneo-Vietti R., Bavestrello G., Cerrano C., Sara A., Benatti U., Giovine M. and Gaino E. Optical fibres in an Antarctic sponge. // NATURE, 1996. Vol. 383. P. 397-398.

46. Brummer F., Pfannkuchen M., Baltz A., Hauser Th., Thiel V., Light inside sponges. // Journal of experimental marine biology and ecology, 2008. Vol. 367 (2). P. 61-64.

47. Kulchin Yu.N., Voznesenskiy S. S., Bukin O. A., Bagaev S.N. Pestriakov E. V.Optical Properties of Natural Biominerals—the Spicules of the Glass Sponges. // Optical Memory and Neural Networks (Information Optics), 2007. Vol. 16(4). P. 189-197.

48. Sundar V.C., Yablon A.D., Grazul J.L., Ilan M., Aizenberg J. Fiber-optical features of a glass sponge // NATURE, 2003. Vol. 424. P. 899-900.

49. Drozdov A. Multykingdom system of the living things // Russian Journal of Nematology, 2003. Vol. 11(2). P.127-132.

50. Drozdov A., Kussakin O. State of the art and problems of megasystematics // Problems of evolution. Vol. 5. Collected papers. Vladivostok: Dalnauka. 2003. P. 18-30.

51. МакОлифф К. Методы и достижения бионеорганической химии. М.: Наука, 1978. -416с.

52. Jones А.С., Blum J.E., Pawlik J.R. Testing for defensive synergy in Caribbean sponges: bad taste or glass spicules? // Journal of Experimental Marine Biology and Ecology. 2005. Vol. 322. P. 67-81.

53. Levi C., Barton. J. L., Guillemet C., le Bras E., Lehuede P., A remarkably strong natural glassy rod: the anchoring spicule of the Monorhaphis sponge. //Journal of materials science letters. 1989. Vol. 8. P. 337-339.

54. Krasko A., Schroder H.C., Batel R., Grebenjuk V.A., Steffen R., Muller I.M., Muller W.E.G. Iron induces prolifera-tion and morphogenesis in primmorphs from the marine sponge Suberites domuncula II DNA Cell Biology, 2002. Vol. 21. P. 67-80.

55. Ересковский A.B. Сравнительная эмбриология губок (Porifera). С.Петербург: Издательство Санкт-Петербургского университета, 2005. 304 стр.

56. Колтун В.М. Стеклянные, или шестилучевые, губки северных и дальневосточных морей СССР: (Класс Hyalospongiae) (Определители по фауне СССР, т. 94). Л.: Наука,. 1967. 124 с.

57. Reiswig H.M. Class Hexactinellida Schmidt, 1870 // Systema Porifera: A Guide to the Classification of Sponges. Ed. by John N.A. Hooper and Rob W.M. Van Soest. New York: Kluwer Academic. Plenum Publishers. 2002. P. 1201-1202.

58. Reiswig H.M. Classification and phylogeny of Hexactinellida (Porifera) // Canadian Journal ofZooogyl. 2006. Vol. 84. P. 195-204.

59. Tabachnick K.R., Reiswig H.M. Dictionary of Hexactinellida // Systerna Porifera: a guide to the classification of sponges. Ed. J.N.A. Hooper and R.W.M. van Soest. New York: Kluwer Academic. Plenum Publishers. 2002. P. 1224-1229.

60. Steiner M., Mehl D., Reitner J., Erdtmann B. D. Oldest entirely preserved sponges and other fossils from the Lowermost Cambrian and new facies reconstruction of the Yangtze platform (China) // Berliner Geowiss. Abh. 1993. Bd. 9. S. 293-329.

61. Muller W.E.G., Kruse M., Koziol C., Muller J. M., Leys, S.P. Evolution of early Metazoa: phylogenetic status of the Hexactinellida within the phylum of Porifera (sponges) // Progress of Molecular Subcell. Biology, 1998. Vol. 21. P. 141-156.

62. Uriz M.-J., Turon X., Becerro M. Silica deposition in demosponges: spiculogenesis in Cramber cramber. II Cell Tissie Research, 2000. Vol 301. p. 299-309.

63. Custodio M.R., Hadju E., Muricy G. In vivo study of microsclere formation in sponges of the genus Mycale (Demospongiae, Poecilosclerida) // Zoomorphology (Berl.). 2002. Vol. 121. P. 203-211.

64. GaiTone R. Phylogenesis of connective tissue. Basel, Switzerland: Karger Press: 1978. -250 p.

65. Shimizu K., Cha J.H., Stucky G.D., Morse D.E. Silicatein alpha: Cathepsin L-like protein in sponge biosilica// Proceeding of the National Acaddemy of Sciences of the USA, 1998. Vol. 95. P. 6234-6238.

66. Perry C., Keeling-Tucker T. Biosilification: the role of the organic matrix in structure control // Journal of Biological Inorganic Chemistry, 2000. Vol. 5. P. 537-550.

67. Tahir N.M., Theato P., Muller W.E.G., Schroeder H.-C., Janshoff J., Zhan J., Huth W., Tremel W. Monitoring the formation of biosilica catalysed by histidine-tagged silicatein // Chemystry Communitive (Camb.). 2004. Vol. 24. P. 2848-2849.

68. Weaver J.C. and Daniel E. Morse. Molecular biology of demosponge axial filaments and their roles in biosilification. // Microscopy Research and Technique. 2003. Vol. 62. P. 356-367.

69. Schroeder H.C., Perovic-Ottstadt S., Grebenjuk V.A., Engel, S., Miiller I.M., Miiller W.E.G. Biosilica formation in spicules of the sponge Suberites domuncula: synchronous expression of a gene cluster // Genomics. 2005. Vol. 85. P. 666-678.

70. Tahir M.N., Theato P., Muller W., Schroder H., Borejko A., Faib S., Janshoff A., Huth J., Tremel W. Formation of layered titania and zirconia catalysed by surface-bound silicatein // Chem. Commun. 2005. P. 55335535.

71. Curnow P., Bessette P., Kisailus D., Murr M., Daugherty P., Morse D. Enzymatic synthesis of layered titanium phosphates at low temperature and neutral pH by cell-surface display of silicatein-a // J. Am. Chem. Soc. 2005. V. 127. P. 15749-15755.

72. Murr M.M., Morse D.E. Fractal intermediates in the self-assembly of silicatein filaments. // Proceeding of the National Acaddemy of Sciences of the USA, 2005. Vol. 102 (33). P. 11657-11662.

73. Adamson D. H., Morse D. E., Aksay I. A. Non-piptide, Silicatein a inspired silica condensation catalyst // Polymeric materials: Sciense & Engineering. 2004. Vol. 90. P. 239-240.

74. Uriz M.-J., Turon, X., Becerro M. Silica deposition in demosponges // Silicon biomineralization. Chap. 33. Progress in molecular and subcellular biology. Ed. W.E.G. Miiller. , Berlin-Heidelberg: Springer-Verlag. 2003. P. 164-193.

75. Сорокин Ю.И. Фитопланктон и микрофлора в сообществах коралловых рифов // Журнал общей биологии, 1979. Т. 40. С. 677-688.

76. Сорокин Ю.И. Экосистемы коралловых рифов. М.: Наука, 1990. 503 с.

77. Reiswig Н. М. Bacteria as food for sponges // Canadian Journal of Zoology, 1975. Vol. 53. P. 582-589.

78. Reiswig H. M. Water transport, respiration and energetic of tree tropical marine sponges // Journal of Experimental Marine Biology and Ecology, 1974. Vol. 14. P. 231-249.

79. Bergquist P.R. Poriferan relationships //The origins and relationships of lower invertebrates. Ed.y S.C. Morris, J.D. George, R. Gibson, H.M. Piatt. Clarendon Press, Oxford. 1985. P. 14-27.

80. Wilkinson C. R., Trott L. A. Light as a factor in distribution of sponges // PCRS-5, 1985. Vol. 5. P. 125-130.

81. Брандон Дж., Каплан У., Микроструктура материалов. Методы исследования и контроля. М.: Техносфера, 2004. — 384 с.

82. Синдо Д., Оикава Т. Аналитическая просвечивающая электронная микроскопия для материаловедения. М.: Мир, 2006. -256 с.

83. Эрнст Р., Боденхаузен Дж., Вокаун А. ЯМР в одном и двух измерениях: Пер. с англ., под ред. К. М. Салихова, М.: Мир, 1990.- 210с.

84. Гюнтер X. Введение в курс спектроскопии ЯМР: Пер. с англ. М.: Мир, 1984.- 478 с.

85. Кульчин Ю.Н. Распределенные волоконно-оптические датчики и измерительные сети. Владивосток: Дальнаука, 1999. 283 с.

86. Методика спектрофотометрического определения хлорофилла а. ГОСТ 17.1.04.02-90. М.: Издательство стандартов, 1990. -14 с.

87. Jeffrey S.W., Humphrey G.F. New spectrophotometric equation for determining chlorophylls a, b, Ci and c2 in higher plants, algae, and natural phytoplankton. // Biochemie and Physiologie der Pfanzen. 1975. Vol. 167: P. 191-194.

88. Martin J. E., Hurd A. J. Scattering from fractals // J. Appl. Cryst., 1987. Vol. 20. P. 61.

89. Guinier, O.A. New Method for the Small-Angle Scattering Data // Ann. Phys., 1939. Vol. 12. P. 161.

90. Свергун Д.И., Фейгин JI.A. Рентгеновское и нейтронное малоугловое рассеяние. М.: Наука, 1986. 280с.

91. Beaucage, G. Small-Angle Scattering from Polymeric Mass Fractals of Arbitrary Mass-Fractal Dimension// Journal of Applied Crystallography, 1996. V. 29. P. 134-138.

92. Beaucage, G. Approximations Leading to f Unified Exponential/Power-Law Approach to Small-Angle Scattering // Journal of Applied Crystallography, 1995. V. 28. P. 717.

93. Динье Л. Структура, параметры и придаточные характеристики волоконных световодов//ТИИЭР, 1980, Т. 68 (10) С. 8-15.

94. Mestdagh D. J.G. Fundamentals of multi access optical fiber networks. Artech House, Boston-London, 1995. 388 p.

95. Hu M.Z-C., Zielke J.T., Lin J-S., Byers Ch.H. Small-angle x-ray scattering studies of early-stage colloid formation bythermohydrolytic polymerization of aqueous zirconyl salt solutions // Journal of materials research. Vol. 14 (1). P. 103-113.

96. Small Aangle X-ray scattering. Ed. By Glatter O. and Kratky O. Academic press Inc. (London), 1982. 237 p.

97. Gendron-Badou A., Coradin Т., Maquet J., Rfohlich F., Livage J. Spectroscopic characterization of biogenic silica. // Journal of Non-Cristalline Solids. 2003. Vol. 316. P. 331-337.

98. Желтиков A.M. Микроструктурированные световоды в оптических технологиях. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2009.-192с.

99. Wadsworth W.J., Knight J.С., Ortigosa-Blanch A., Arriaga J., Silvestre E., Russell P.S.J. Soliton effects in photonic crystal fibres at 850 nra // Electron. Lett. 2000. Vol. 36. P 53 -60.

100. Оптика наноструктур, под ред. А.В. Федорова. СПб.: издательство «Недра», 2005 г. 326 с.

101. Галкина А.Н., Вознесенский С.С., Кульчин Ю.Н., Сергеев А.А. Наноструктурные особенности биокремния морского происхождения // Химическая физика и мезоскопия. 2009. Т. 11, №3. С. 310-314.

102. Marcuse D., Theory of dielectric optical waveguides, N. Y.: Academic, 1974.-432 p.

103. Солимено С., Крозиньяни Б., Порто, П. Ди. Дифракция и волноводное распространение оптического излучения. М.: Мир, 1989 — 664 с.

104. Борн М., Вольф Э. Основы оптики. М.: Наука, 1973. 720 с.

105. Заворуев В.В. Суточные изменения биолюминесценции планктона Черного и Эгейского морей и корреляция свечения с концентрацией хлорофилла. // Электронный журнал «ИССЛЕДОВАНО В РОССИИ», 2002. Т 199. С. 2204-2214.

106. Сорокин Ю.И. Экосистемы коралловых рифов. М.: Наука, 1990. 503 с.

107. Гительзон И.И., Левин Л.А., Утюшев Р.А.,. Черепанов О.А, Чугунов Ю.В. Биолюминесценция в океане. С.-Петербург: Гидрометеоиздат, 1992.-282 с.

108. Eckert R., Reynolds G.T., Chaffee R. Microsources of luminescence in Noctiluca//Biol. Bull., 1965. Vol. 129, P. 394-395.

109. Eckert R., Sibaoka T. The flashtriggering action potential of the luminescent dinoflagellate Noctiluca // J. Gen. Phisiol.-1968. Vol.52, N2, p.258-282.

110. Иванов Б.Г. О свечении арктического криля // Океанология, 1969. Т. 9 (3). С. 122-136.

111. Гительзон И.И., Левин Л.А., Шевырногов А.П., Филимонов B.C., Артемкин А.С., Утюшев Р.А., ЗагородниЙ Ю.А. Измерениебиолюминесценции на максимальных глубинах // Доклады АН СССР. 1970. Т.191, №3. С. 689-692.

112. Оптика океана. Т. 2. Прикладная оптика океана, ред. Монин А.С. М.: Наука, 1983. 236 с.

113. Lorenzen С. J. Determination of chlorophyll and phaeopigments: spectrophotometric equations. // Limnology and Oceanogy, 1967. Vol. 12(2). P. 343-346.

114. Биолюминесценция моря. M.: "Наука", 1969. 183 с.

115. Tabachnickl K.R. and Menshenina L.L. Family Pheronematidae Gray, 1870 // Systema Porifera: A Guide to the Classification of Sponges, Ed. by John N.A. Hooper and Rob W.M. Van Soest pp. New York: Kluwer Academic. Plenum Publishers. 2002. 1267-1280.