Биолюминесценция: почему некоторые существа светятся в темноте

Во время такой реакции химическая энергия превращается в энергию света. Она может происходить в клетках организма, в специальных светящихся структурах или благодаря симбиотическим микроорганизмам.

Для биолюминесценции не нужен внешний источник света. Этим она отличается от двух похожих явлений:

• флуоресценция возникает только при внешнем освещении: вещество поглощает свет и почти сразу испускает его снова;
• фосфоресценция может сохраняться и после того, как источник света убрали. Например, по такому принципу светятся некоторые наклейки и другие материалы, которые сначала нужно подержать на свету.

Биолюминесценцию часто называют холодным светом, потому что при таком свечении выделяется сравнительно мало тепла. При этом разные организмы превращают химическую энергию в свет с разной эффективностью.

В основе биолюминесценции лежит химическая реакция. Во многих светящихся организмах в ней участвуют два главных компонента:

• люциферин — вещество, которое в ходе реакции получает энергию и переходит в возбуждённое состояние;
• люцифераза — фермент, который ускоряет эту реакцию.

Часто в процессе участвует и кислород. Возбуждённое состояние люциферина длится совсем недолго. Когда молекула возвращается в обычное состояние, она испускает фотон — частицу света. Так энергия химической реакции превращается в видимое свечение.

Разные группы живых существ могут использовать разные люциферины и ферменты. При этом один и тот же тип люциферина иногда встречается даже у неродственных морских животных. Есть и другие механизмы биолюминесценции. Например, у медузы Aequorea victoria работает фотопротеин aequorin. В нём уже находится подготовленный светящийся комплекс, а вспышку запускает присоединение ионов кальция.

Биолюминесценция появлялась в ходе эволюции много раз и независимо у разных групп организмов.

Биолюминесценция не всегда выглядит одинаково: одни организмы светятся зелёным, другие — жёлтым, сине-зелёным или даже красноватым.

Если в реакции участвует люцифераза, значение имеет и строение её активного центра — участка фермента, где проходит реакция.

Например, у биолюминесцентных жуков один и тот же люциферин может давать разные оттенки в зависимости от люциферазы и окружающих молекул. Это похоже на один источник света, который выглядит немного иначе через разные светофильтры: основа остаётся той же, а оттенок меняется. В океане особенно распространено синее и сине-зелёное свечение. Свет этих оттенков лучше распространяется в морской воде, чем свет многих других длин волн.

Биолюминесценция особенно распространена в океане. По данным NOAA, на глубине примерно от 200 до 1000 метров светиться могут около 80% животных, которые обитают в открытой воде. Свет здесь решает разные задачи:

• помогает охотиться,
• прятаться от хищников,
• защищаться,
• общаться с особями своего вида.

Глубоководные рыбы: приманка и маскировка

Один из самых известных примеров — глубоководные удильщики. Перед ртом у них находится светящаяся приманка. Она привлекает добычу, и той достаточно приблизиться, чтобы оказаться в зоне атаки.

Другие морские животные используют свет, наоборот, чтобы стать менее заметными. Такой способ маскировки называется контриллюминацией. Например, её используют некоторые кальмары и небольшие глубоководные рыбы. Светящиеся органы на нижней стороне тела помогают приблизить яркость силуэта к слабому свету, который идёт сверху. В результате хищнику, смотрящему снизу, сложнее заметить животное на светлом фоне.

Биолюминесценция может служить и сигналом для особей одного вида, например при поиске партнёра. Так свет используют некоторые глубоководные рыбы и ракообразные.

Почему светится морская вода

Синие вспышки в волнах часто создают биолюминесцентные динофлагелляты — одноклеточные организмы, входящие в состав планктона. Сама вода при этом не светится: свет дают клетки, которые находятся в ней. У многих видов свечение запускается при механическом воздействии. Волна, движение плывущего животного, весла или корпуса лодки создают в воде напряжение и деформацию, и клетки отвечают на это короткой вспышкой.

Если таких организмов в воде много, отдельные вспышки складываются в хорошо заметное синее свечение. Поэтому ночью можно увидеть светящийся гребень волны или яркий след за движущейся лодкой. Получается, что движение как будто «включает» свет. Но чувствительность к механическому воздействию у разных видов различается: одни клетки реагируют легче, другим требуется более сильное возмущение воды.

Зачем светятся медузы

У некоторых медуз свечение связано с фотопротеинами. Биолюминесцентные вспышки могут выполнять защитную функцию: свет помогает животному реагировать на нападение.

Одна из самых необычных стратегий называется «сигнализация от грабителя». Представь, что на небольшое морское животное нападает хищник. Жертва начинает ярко светиться, и вспышка привлекает внимание более крупного хищника. Тот может напасть уже на преследователя.

Такой способ защиты напоминает сигнал тревоги: животное не пытается победить нападающего светом, а делает нападение заметным для того, кто находится выше в пищевой цепи.

На суше биолюминесценция встречается гораздо реже, чем в океане. Один из самых известных примеров — светлячки, которые используют вспышки в том числе для поиска партнёра.

У многих видов есть характерный временной рисунок сигналов. Например, летающий самец может подавать определённую последовательность вспышек, а сидящая самка — отвечать своим световым сигналом. Получается своеобразный обмен сообщениями с помощью света.

Способность светлячков светиться пригодилась и в науке.

Его связывают с участком ДНК, который хотят изучить. Если этот участок активен, появляется свечение. По его яркости учёные могут оценить активность исследуемой системы.

Они светятся слабым зелёным светом, причём светиться может как плодовое тело, так и мицелий — сеть тонких нитей, которая растёт, например, в древесине.

Свечение грибов устроено иначе, чем у светлячков. В результате нескольких химических реакций образуется грибной люциферин. Он вступает в реакцию с кислородом при участии фермента Luz — так появляется свет.

Зачем грибам светиться, зависит от вида. Например, у Neonothopanus gardneri зелёный свет привлекает насекомых, которые потенциально могут участвовать в распространении спор.

Учёные научились использовать свечение живых организмов в исследованиях. Оно может работать как световая метка: по ней удобно наблюдать за тем, что происходит внутри клетки.

Светящиеся метки

Один из известных примеров — зелёный флуоресцентный белок GFP, открытый у медузы Aequorea victoria. Его ген можно встроить в клетки другого организма. Тогда GFP помогает увидеть, где находятся определённые белки или когда работают нужные гены.

Сам GFP не создаёт свет без внешнего источника. Чтобы он засветился зелёным, его нужно осветить светом подходящей длины волны.

В 2008 году за открытие GFP и развитие способов его применения присудили Нобелевскую премию по химии.

Светящиеся растения и бактерии

Учёные умеют переносить систему свечения из одного организма в другой. В 2020 году такую систему светящихся грибов перенесли в табак — и растения смогли светиться самостоятельно. Позже её улучшенные варианты использовали и для других растений, в том числе петунии.

Светящиеся бактерии могут помочь проверить воду на токсичность. Например, для этого используют Vibrio fischeri. Некоторые токсичные вещества нарушают обмен веществ этих бактерий, и их свечение становится слабее. По изменению яркости можно оценить токсичность образца воды. Но определить таким способом, какое именно вещество вызвало эффект, нельзя.

Биолюминесценцию можно увидеть не только в тропиках. Светящиеся динофлагелляты встречаются и в тёплых, и в умеренных морях.

Увидеть светящуюся воду можно и в Чёрном море. Там обитает динофлагеллята Noctiluca scintillans. Её количество меняется в зависимости от сезона и года, а максимум приходится на весну и лето.

Светящиеся грибы тоже встречаются в разных климатических зонах. В России, например, растут представители рода Armillaria, у которых может светиться мицелий. Их можно встретить в Сибири и европейской части страны. При этом особенно заметные светящиеся плодовые тела чаще встречаются у некоторых тропических и субтропических видов.

Биолюминесценция — удивительный пример того, как живые организмы используют химические реакции для создания света. В ходе эволюции такая способность независимо появилась у разных групп организмов, поэтому и механизмы свечения у них различаются.

Животным свет помогает решать самые разные задачи: защищаться от хищников, охотиться, маскироваться и находить партнёров. Природные системы свечения пригодились и людям. Учёные используют их как световые метки в исследованиях, создают светящиеся растения и применяют бактерии для оценки токсичности воды.