Биолюминесценция: почему живые существа светятся в темноте?

Представьте: тропический лес ночью. Вы идёте по тропинке, и вдруг земля под ногами вспыхивает зелёным. Это грибы. Они светятся. Вы поднимаете голову — над кронами деревьев мелькают жёлтые огоньки. Это светлячки. Они общаются.

Вы ныряете в океан. На глубине, куда не проникает солнечный свет, плывут медузы, рыбы, кальмары. Многие из них излучают холодное голубоватое или зелёное свечение. Там, в темноте, свет заменяет им зрение.

Более 70% живых существ, обитающих в глубинах океана, способны светиться. На суше таких меньше — сотни видов грибов, насекомых, бактерий.

Но почему они это делают? Зачем тратить энергию на производство света, когда можно просто быть тёмным?

Светлячки не просто украшают летнюю ночь. Они разговаривают. Каждая вспышка — послание потенциальному партнёру.

Химия чуда: как работает живой свет

Свечение живых организмов называется биолюминесценцией. В отличие от электрической лампочки, живой свет — холодный. Он не нагревает окружающую среду.

Химический принцип един для всех светящихся существ — от бактерий до глубоководных кальмаров. В клетках вырабатывается вещество под названием люциферин (от латинского lucifer — «светоносный»). Когда фермент люцифераза соединяет люциферин с кислородом, происходит химическая реакция. Выделяется энергия. Часть этой энергии излучается в виде света.

Цвет зависит от структуры люциферина и условий реакции. Чаще всего это зелёный, синий или жёлтый свет. Красный встречается реже — он хуже распространяется в воде.

Некоторые организмы, например гребневики, используют другой принцип. У них свет возникает при механическом раздражении — как при трении двух кристаллов. Но это скорее исключение.

Светящаяся медуза в глубине океана. Химическая реакция люциферина с кислородом создаёт холодное свечение. Медузы используют свет для защиты — вспышка отпугивает хищников.

Зачем тратить энергию на свет?

У каждого светящегося организма своя причина.

Светлячки используют свет для привлечения партнёра. Каждый вид — свою частоту и ритм вспышек. Самцы летают и подают сигнал. Самки, сидящие на земле, отвечают. В некоторых видах самки подражают сигналам других видов — чтобы привлечь самца-чужака и съесть его.

Грибы, светящиеся в лесу, привлекают насекомых. Те ползут на свет, пачкаются в спорах и разносят их по лесу. Гриб не может передвигаться — он заставляет других работать на себя.

Глубоководные рыбы используют свет для маскировки. Снизу, на фоне светлой поверхности океана, тень рыбы заметна хищнику. Но если рыба светится снизу, её силуэт сливается с фоном. Это называется контр-освещение.

Другие используют свет как фонарик. Удильщик, например, выращивает на голове светящийся отросток — приманку для мелкой рыбы.

А некоторые — как оружие. Кальмар, спасаясь от хищника, выбрасывает облако светящейся слизи. Погоня теряет цель.

Скорпион выглядит чёрным днём. Но под ультрафиолетовой лампой он превращается в светящееся создание. Причина — кутикула, содержащая люциферин. Биолюминесценция скорпионов до сих пор не разгадана до конца.

Биолюминесценция на службе у человека

Учёные давно присматриваются к живым источникам света. В 2008 году Нобелевскую премию по химии получили исследователи зелёного флуоресцентного белка (GFP), который был выделен из медузы Aequorea victoria. Этот белок светится зелёным под ультрафиолетом.

Сегодня ген GFP вживляют в клетки других организмов — мышей, рыб, даже растения. Если клетка активна, она светится. Это позволяет наблюдать за развитием раковых опухолей, работой нервной системы, миграцией клеток в реальном времени.

Следующий шаг — создание «живых фонарей». Исследователи уже встроили гены люциферина в геном растения табака. Получился цветок, который светится в темноте. Пока слабо. Но технология развивается.

Представьте: деревья вместо уличных фонарей. Дорожные знаки, которые светятся сами. Или тесты на наличие бактерий в воде — просто плеснул реагент с люциферином, если появилось свечение, значит, есть жизнь.

Зелёный флуоресцентный белок (GFP) из медузы. Сегодня его используют в лабораториях по всему миру, чтобы подсвечивать невидимое.

Заключение

Биолюминесценция — одна из тех вещей, которые наука объяснила, но не перестала удивляться. Мы знаем химическую формулу. Можем пересаживать гены от одного организма другому. Понимаем эволюционные причины.

Но когда ночью в лесу загорается первый светлячок, мы забываем про люциферин и люциферазу. Мы просто смотрим. И удивляемся.

А вы когда-нибудь видели светящихся животных вживую? Светлячков, морских планктонов или, может быть, грибы? Что вы чувствовали?

Анонс утренней статьи: Завтра в 11:00 — «Конрад Лоренц: почему человек, который лучше всех понимал животных, предупреждал об опасностях человеческой природы?». История этолога, который вырастил гусей, принявших его за мать. И который видел в инстинктах агрессии главную угрозу человечеству.

СПИСОК ИСТОЧНИКОВ:

Уилсон Т. «Биолюминесценция: живые источники света»
Хаддок С. «Люциферин и люцифераза: эволюция светящихся систем»
Моррис Д. «Свет в океане: глубоководная биолюминесценция»
Шимомура О. «Зелёный флуоресцентный белок: открытие и применение»
Архивы Национального центра биотехнологической информации (NCBI)