Чому вони світяться: люмінесценція в живій природі

 

Біолюмінесценція - здатність живих організмів світитися за рахунок власних білків або за допомогою симбіотичних бактерій.

Сьогодні відомо близько 800 видів світних живих істот. Більшість з них живуть в море. Це бактерії, одноклітинні Жгутиконосние водорості, радіолярії, гриби, планктонні і прикріплені кишковопорожнинні, сифонофори, морські пера, гребневики, голкошкірі, черв'яки, молюски, ракоподібні, риби, пишуть Артефакти. Одні з найбільш яскраво світяться тварин - піросоми (огнетелки). З прісноводних біолюмінесцентних видів відомі новозеландський черевоногих молюск Latia neritoides і ряд бактерій. Серед наземних організмів світяться окремі види грибів, земляних черв'яків, равликів, багатоніжок і комах.

• У США ведмеді "пограбували" кілька магазинів і потрапили на відео

• Вчені розбудили клітини 28,000-річного мамонта

На рівні мікросвіту дуже слабке світіння, яке ми можемо зареєструвати тільки за допомогою високочутливих фотометров, - це побічний ефект нейтралізації ферментами активних форм кисню, необхідних, але токсичних для клітин, - учасників процесу окислення глюкози. Вони ж постачають енергію, необхідну для хемілюмінесценції, різним люмінофорним білків.

Однією з перших бактеріальних ламп - колбою з культурою бактерій, що світяться - ще сто з гаком років тому розважав любомудров голландський ботанік і мікробіолог Мартін Бейерінк. У 1935 році такими лампами навіть висвітлили великий зал Паризького океанологічного інституту, а під час війни радянський мікробіолог А.А. Єгорова використовувала світяться бактерії в прозових цілях - для освітлення лабораторії. І ви можете поставити схожий експеримент: покладіть сиру рибу або м'ясо в тепле місце, почекайте тиждень-другий, а потім вночі підійдіть (з навітряного боку!) І подивіться, що вийшло - цілком ймовірно, що заселили живильне середовище бактерії будуть світитися потойбічним світлом. У морі світяться і бактерії, в основному пологів Photobacterium і Vibrio, і багатоклітинні планктонні організми (на фото), але головне джерело світла - одні з найбільш великих (до 3 мм!) І складних одноклітинних - Жгутиконосние водорості ночесветки.

У бактерій люмінофорні білки розсіяні по всій клітці, у одноклітинних еукаріотичних (що мають клітинне ядро) організмів вони знаходяться в оточених мембраною бульбашках в цитоплазмі. У багатоклітинних тварин світло зазвичай випромінюють спеціальні клітини - фотоціти, часто згруповані в спеціальні органи - фотофори. Фотоціти кишковопорожнинних і інших примітивних тварин, як і фотофори, що працюють за рахунок симбіотичних фотобактерій, світяться безперервно або протягом декількох секунд після механічного або хімічного подразнення. У тварин з більш-менш розвиненою нервовою системою вона управляє роботою фотоцітов, включаючи і вимикаючи їх у відповідь на зовнішні подразники або при зміні внутрішнього середовища організму. Крім внутрішньоклітинного, у глибоководних креветок, восьминогів, каракатиць і кальмарів зустрічається світіння секреторного типу: суміш продуктів секреції двох різних залоз викидається з мантії або з-під панцира і розпливається у воді як сяюче хмара, засліплюючи противника.

Інший класичний приклад біолюмінесценції - деревні гнилушки. Світиться в них не саме дерево, а міцелій звичайного опенка. А у вищих грибів роду Mycena, теж ростуть на гниючому дереві, але в теплих краях на кшталт Бразилії та Японії, світяться плодові тіла - то, що зазвичай називають грибами (хоча цвілеві, дріжджові та інші грибки - це теж гриби, тільки нижчі). Один з видів цього роду називається M. lux-coeli, «міцена - світло небесне».

Найяскравіше застосування біолюмінесценції - створення трансгенних рослин і тварин. Першу миша з геном GFP, впровадженим в хромосоми, створили в 1998 році. Сяючі білки потрібні для відпрацювання методик впровадження чужих генів в хромосоми самих різних організмів: світиться - значить, метод працює, можна використовувати його для введення в геном цільового гена. Перші світяться рибки - трансгенні даніо (Brachydanio rerio) і японська рисова рибка Медаком (Orizias latipes) - з'явилися в продажу в 2003 році.

Світиться море

Ті, кому пощастило купатися в море вночі під час його світіння, на все життя запам'ятають це феєричне видовище. Найчастіше причина світіння - Жгутиконосние водорості ночесветки (Noctiluca). В окремі роки їх чисельність зростає настільки, що світиться все море. Якщо вам не пощастить і ви опинитеся на берегах теплих морів в невідповідний час, спробуйте налити морську воду в банку і додати туди трохи цукру. Ноктілюкі зреагують на це посиленням активності білка люциферина. Збовтайте воду і милуйтеся блакитним світінням. А коли налюбуетесь, можете згадати про те, що дивіться на одну з невирішених таємниць природи: неясність еволюційних механізмів появи у самих різних таксонів здатності світитися зазначив в окремому розділі «Походження видів» ще Дарвін, і з тих пір вченим так і не вдалося пролити на це питання світло істини.

Світіння могло розвинутися у організмів, що живуть в умовах повного освітлення, на основі пігментних з'єднань, що виконують светозащитную функцію. Але поступове накопичення ознаки - один фотон в секунду, два, десять - і у них, і у їхніх нічних і глибоководних родичів не могло вплинути на природний відбір: таке слабке світіння не відчувається навіть самими чутливими очима, а поява готових механізмів інтенсивного світіння на голому місці теж виглядає неможливим. І навіть функції світіння у багатьох видів залишаються незрозумілими.

Навіщо вони світяться?

Сяючі колонії бактерій і гриби приваблюють комах, які поширюють мікроби, суперечки або міцелій. Комахоїдні личинки новозеландських комарів Arachnocampa плетуть ловчих мережа і підсвічують її власним тілом, залучаючи комах. Світлові спалахи можуть відлякати хижаків від медузи, гребневика і інших безпорадних і ніжних створінь. З тією ж метою зростаючі на мілководді корали та інші колоніальні тварини світяться у відповідь на механічне подразнення, а їх сусіди, яких ніхто не чіпав, теж починають мерехтіти. Глибоководні корали перетворюють доходить до них слабкий короткохвильового світло в випромінювання з більшою довжиною хвилі - можливо, для того щоб забезпечити можливість фотосинтезу живуть в їх тканинах симбіотичних водоростей.

Вудка з лампочкою

Загін вудильникоподібні (Lophiiformes) - найрізноманітніші (16 сімейств, понад 70 пологів і понад 225 видів) і, мабуть, найцікавіші з глибоководних риб. (Багато знайомі з морськими вудильниками не по підручнику зоології, а по мультфільму «У пошуках Немо»). Самки вудильників - хижаки з великим ротом, потужними зубами і сильно розтягується шлунком. Іноді на поверхні моря знаходять мертвих вудильників, подаючи рибою, перевищує їх за розмірами більше ніж в два рази: випустити її хижак не може через будову своїх зубів. Перший промінь спинного плавця у них перетворений в «вудку» (ілліцій) зі світловим «черв'ячком» (еской) на кінці. Вона являє собою залозу, заповнену слизом, в якій укладені біолюмінесцентного бактерії. Завдяки розширенню стінок артерій, що живлять еску кров'ю, риба може довільно викликати світіння бактерій, які потребують для цього в припливі кисню, або припиняти його, звужуючи судини. Зазвичай світіння відбувається у вигляді серії спалахів, індивідуальних для кожного виду. Ілліцій у виду Ceratias holboelli здатний висуватися і втягуватися в спеціальний канал на спині. Подманівая видобуток, цей рибалка поступово присуває світиться приманку до рота, поки не заковтує жертву. А у Galatheathauma axeli приманка розташована прямо в роті.

Розташування люмінофорів і навіть характер миготіння світних плям може служити для комунікації - наприклад, для залучення партнера. А самки американського світлячка Photuris versicolor після спарювання починають «відбивати морзянку» самок іншого виду, залучаючи їх самців ні з любовними, а з гастрономічними цілями. Біля берегів Японії масові весілля святкують умітохару (морські світлячки) - крихітні, 1-2 мм довжиною, рачки роду Cypridina - і кальмари Watasenia scintellans. Тельця ватазеній довжиною близько 10 см разом зі щупальцями усіяні перлинками-фотофорами і висвітлюють зону діаметром 25-30 см - уявіть собі, як виглядає море з цілим косяком цих кальмарів!

У багатьох глибоководних головоногих тіло розмальоване візерунком з різнобарвних світлових плям, а фотофори влаштовані дуже складно, на зразок світиться тільки в потрібному напрямку прожектора з відбивачами і лінзами (іноді подвійними і пофарбованими).

Багато глибоководні планктонні креветки мають здатність до світіння. На кінцівках, уздовж боків і на черевній стороні тіла у них розташовується до 150 фотофоров, іноді прикритих лінзами. Розташування і число фотофоров для кожного виду строго постійно і в темряві океанських глибин допомагає самцям знаходити самок і всім разом - збиратися в зграї.