Биолюминесце́нция

Биологическая роль

Светящиеся организмы: 1 – медуза экворея; 2 – светляк фотинус пиралис; 3 – светящийся анчоус; 4 – агариковые грибы.

Боль­шин­ст­во спо­соб­ных к Б. ор­га­низ­мов ге­не­ри­ру­ют све­то­вые вспыш­ки дли­тель­но­стью 0,1–1 с в от­вет на внеш­ние, пре­им. ме­ха­ниче­ские, сти­му­лы. Ча­ще все­го та­кие вспыш­ки от­пу­ги­ва­ют, дез­ори­ен­ти­ру­ют или ос­ле­п­ля­ют по­тен­ци­аль­ных вра­гов. У не­ко­то­рых ор­га­низ­мов (ко­ло­ни­аль­ные обо­лоч­ни­ки ро­да Pyrosoma, эув­фа­зие­вые ра­ки ро­да Meganyctiphanes и др.) вспыш­ки Б. яв­ля­ют­ся сиг­на­лом кол­лек­тив­ной опас­но­сти для осо­бей сво­его ви­да, у свет­ля­ков – для при­вле­че­ния осо­бей др. по­ла. Дли­тель­ность вспы­шек и ин­тер­ва­лы ме­ж­ду ни­ми у са­мок не­ко­торых свет­ля­ков ви­дос­пе­ци­фич­ны, что по­зво­ля­ет им в мес­тах, где оби­та­ет мно­го др. ви­дов свет­ля­ков, на­хо­дить сам­цов сво­его ви­да. У мно­го­кле­точ­ных живот­ных све­то­вые вспыш­ки кон­тро­ли­руют­ся нерв­ной сис­те­мой и обыч­но ско­ор­дини­ро­ва­ны с дви­га­тель­ны­ми за­щит­ны­ми ре­ак­ция­ми. Срав­ни­тель­но не­мно­гие ор­га­низ­мы – бак­те­рии, гри­бы, отд. ви­ды оли­го­хет, мно­го­но­жек, на­се­ко­мых и др. – све­тят­ся не­пре­рыв­но (ста­ти­че­ская Б.). Та­кое све­че­ние ис­поль­зу­ет­ся гл. обр. для при­вле­че­ния др. ор­га­низ­мов. Так, па­ра­зи­тич. фо­то­бак­те­рии све­том сво­их ко­ло­ний (в хо­зяи­не, его тру­пе, по­мё­те) при­вле­ка­ют но­вых хо­зя­ев – рыб или ра­ко­об­раз­ных. Не­ко­то­рые ага­ри­ко­вые гри­бы (напр., Panelus stipticus) зав­ле­ка­ют све­том сво­их пло­до­вых тел на­се­ко­мых – рас­про­стра­ни­те­лей их спор. Хищ­ные ры­бы удиль­щи­ки при­ма­ни­ва­ют свою жерт­ву к све­тя­ще­му­ся кон­чику «уди­ли­ща» – вы­сту­паю­ще­го над ниж­ней че­лю­стью от­ро­ст­ка. Ли­чин­ки но­во­зе­ланд­ских ко­ма­ров за­ма­ни­ва­ют дру­гих, бо­лее мел­ких на­се­ко­мых в под­све­чен­ную те­лом лов­чую сеть, а по­ли­хе­ты Odontosyllis при­вле­ка­ют све­том осо­бей др. по­ла. Глу­бо­ко­вод­ные ры­бы Mala­cos­teus niger ос­ве­ща­ют ближ­нее про­стран­ст­во крас­ным све­том, ко­то­рый не ви­дят др. глу­бо­ко­вод­ные жи­вот­ные; ры­бы Leognathus под­све­чи­ва­ют брюш­ко для мас­ки­ров­ки на свет­лом фо­не вод­ной по­верх­но­сти и т. д.

Какие животные светятся в темноте

Светляки. Это семейство наземных жуков, ведущих ночной образ жизни. Днём они прячутся в траве и на деревьях. В семействе насчитывается примерно 2 тысячи видов, обитающих практически на всех континентах (кроме Антарктиды, естественно). Из животных, обитающих на суше, только светляки и имеют органы свечения, расположенными в хвостовой части их тела. Все прочие светящиеся организмы обитают в морях и океанах.

Светящийся планктон. Основную массу планктона составляют маленькие рачки, но светятся не они или не только они. Воду морскую превращают в звёздную россыпь простейшие, которые называются динофлагелляты. Свечение вызывают импульсы от движения водных масс, выводящие этих одноклеточных из состояния покоя.

Беспозвоночные. В качестве примера приведём такой любопытный вид как Гребневики. Тело этих существ похоже на мешочек, на одном конце которого располагается рот, а на другом органы равновесия. У них нет стрекательных клеток, поэтому пищу гребневики захватывают ртом или ловчими щупальцами. Питаются планктоном или более мелкими гребневиками.

Кальмары. В южных морях обитает несколько видов кальмаров, среди которых есть и небольшие по размеру и даже огромные. В частности, гигантский кальмар. Этот вид оставался плохо изученным вплоть до начала 2000-ых годов. Первые снимки живого гигантского кальмара в естественной среде были получены 30 сентября 2004 японскими учеными Цунеми Кубодера и Киочи Мори.

Морское перо. Эти живые организмы относятся к группе перистых известковых полипов. Распространены в тропических и субтропических водах Атлантического океана и Средиземного моря. Селятся колониями на песчаном или илистом морском дне. Насчитывается примерно 300 видов перьев. Свечение возникает как реакция на внешние раздражители.

Биолюминесценция выполняет у различных видов следующие функции:

• привлечение добычи или партнёров
• коммуникация
• предупреждение или угроза
• отпугивание или отвлечение
• маскировка на фоне естественных источников света

До сих пор есть немало случаев, когда функция биолюминесценции в жизни отдельных светящихся организмов определена не до конца или не изучена вовсе.

Зачем они светятся?

Светящиеся колонии бактерий и грибы привлекают насекомых, которые распространяют микробы, споры или мицелий. Насекомоядные личинки новозеландских комаров Arachnocampa плетут ловчую сеть и подсвечивают ее собственным телом, привлекая насекомых.

Световые вспышки могут отпугнуть хищников от медузы, гребневика и других беспомощных и нежных созданий. С той же целью растущие на мелководье кораллы и другие колониальные животные светятся в ответ на механическое раздражение, а их соседи, которых никто не трогал, тоже начинают мерцать. Глубоководные кораллы превращают доходящий до них слабый коротковолновой свет в излучение с большей длиной волны — возможно, для того чтобы обеспечить возможность фотосинтеза обитающим в их тканях симбиотическим водорослям.

Светящаяся Лагуна, Ямайка

Светящаяся Лагуна, безусловно, оправдывает свое название. Всего в пяти минутах от доков Фалмута, на северном побережье Ямайки, лагуна является лучшим местом на острове, чтобы наблюдать биолюминесценцию. В этих водах обитают микроорганизмы, называемые динофлагеллятами, и особенно ярко светятся в неглубокой, теплой воде. Когда вода неспокойная, организмы производят голубовато-зеленое свечение, открывая светящиеся очертания рыб и других объектов под поверхностью. Экскурсии на лодках отправляются каждую ночь. Вы можете даже прыгнуть в воду и поплавать в окружении сияния.

Что такое биолюминесценция?

Биолюминесценция относится к свету, производимому в результате химической реакции, исходящему от живого организма. Она происходит в нескольких морских животных, от бактерий и медуз до ракообразных и морских звезд. По данным Национального управления океанических и атмосферных исследований (NOAA), 80% животных, которые живут на глубине от 200 до 1000 метров ниже поверхности океана, являются биолюминесцентными ().

Ученые ранее полагали, что биолюминесценция эволюционировала несколько раз у лучепёрых рыб, но новое исследование морской флоры и фауны показало, что эта способность возникла независимо 27 раз, беря свое начало, по крайней мере, 150 миллионов лет назад ().

Свечение планктона на Мальдивах. PawelG Photo / Getty Images

Химическая реакция, отвечающая за эту световую энергию, связана с люциферинами, веществами, которые излучает свет из тела организма, когда они вступают в реакцию с кислородом. Хотя существуют разные типы люциферинов в зависимости от животного, некоторые виды также производят катализатор, называемый люциферазой, который помогает ускорить химическую реакцию.

Биолюминесценция обычно синего цвета, но может также варьироваться от желтого до пурпурного и красного. В морских глубинах биолюминесценция используется как преимущество для выживания, помогая организмам находить пищу, способствуя размножению или, как в случае с биолюминесцентными водорослями, обеспечивая защитный механизм. Биолюминесценция никоим образом не предназначена только для океана; светляки, вероятно, являются наиболее известными организмами, которые используют биолюминесценцию как для предупреждения хищников, так и для привлечения партнеров.

Почему рыбы светятся?

Почти у всех светящихся организмов биолюминесценция требует три ингредиента: кислород, светоизлучающий пигмент люциферин (от латинского слова lucifer, означающего «несущий свет») и фермент люциферазы. Когда люциферин взаимодействует с кислородом — при помощи люциферазы — он образует возбужденные, нестабильный компонент, который излучает сет, возвращаясь в более низкоэнергетическое состояние.

Любопытно, но люциферинов намного меньше, чем люциферазы. Хотя у видов, как правило, есть уникальная люцифераза, очень многие имеют один и тот же люциферин. За производство большей части света в океане несут ответственность всего четыре люциферина. Из почти 20 групп биолюминесцентных организмов в мире в девяти из них свет излучает люциферин под названием коэлентеразин.

Однако было бы ошибкой считать, что все коэлентеразинсодержащие организмы произошло от одного светящегося предка. Если бы это было так, то зачем бы им развивать такой широкий спектр люциферазы? Предположительно, должна была выжить и размножиться первая пара люциферина-люциферазы.

В 2009 году группа под руководством Обы обнаружила, что глубоководный рачок (копеподы) — крошечное, распространенное ракообразное — делает свой коэлентеразин. Эти рачки являются чрезвычайно обильным источником пищи для широкого спектра морских животных — настолько обильным, что в Японии их называют «рисом в океане». Он думает, что эти рачки являются ключом к пониманию того, почему так много морских организмов биолюминесцентны.

Оба и его коллеги взяли аминокислоты, которые предположительно являются строительными блоками коэлентеразина, пометили их молекулярным маркером и загрузили в пищу копепод. Затем скормили эту пищу рачкам в лаборатории.

Даже медузы, в которых впервые обнаружили коэлентеразин (и в честь которых назвали), не производят собственный коэлентеразин. Они получают свой люциферин, поедая рачков и других мелких ракообразных.

Примечания и ссылки

1. (in) Северин Мартини и Стивен Х.Д. Хэддок, «  Количественная оценка биолюминесценции от области до глубокого моря демонстрирует доминирование своего года как экологическую черту  », Scientific Reports, Vol.  7,4 апреля 2017 г..
2. ↑ and Роджер Даджоз, Словарь энтомологии: анатомия, систематика, биология, Париж, издания Лавуазье, сб.  «Тек и Док»,2010 г., 336  с. ( ISBN  978-2-7430-1230-4 и , OCLC  , уведомление BnF п о   ), р.  37.
3. ↑ et Стефан Танцарелла, Восприятие и общение у животных, Брюссель, De Boeck Supérieur ,2006 г., 334  с. , стр.  197-200.
4. (in) Эллиот Бентли, «  Люди светятся в темноте  », The Guardian ,17 июля 2009 г..
5. (in) Чарльз К. Чой, на LiveScience ,22 июля 2009 г..
6. Жан-Франсуа Буонкристиани и Паскаль Нейдж, 101 чудо эволюции, Малакофф, Данод ,217, 240  с. ( ISBN  978-2-10-075185-3 ), стр.  28–29.
7. .
8. Жан-Франсуа Буонкристиани и Паскаль Нейдж, 101 чудо эволюции, Малакофф, Данод ,217, 240  с. ( ISBN  978-2-10-075185-3 ), стр.  202-203.
9. .

История исследований[править | править код]

Биолюминесценция обыкновенного светляка

Свечение живых организмов отмечалось ещё античными авторами — Плиний Старший в своей «Естественной истории» упоминал свечение морских организмов, многие авторы описывали свечение моря. Однако изучение природы биолюминесценции берёт своё начало в 1668 г., когда Роберт Бойль, крупнейший представитель пневмохимии, изучавший процессы горения, обнаружил сходство между процессами горения угля и свечением гнилушек — Бойль, используя построенный им вакуум-насос, продемонстрировал, что в обоих случаях свечение исчезает, если удалить воздух (то есть кислород).

Пионером в исследовании механизмов биолюминесценции стал Рафаэль Дюбуа, в 1887 г. , поставивший эксперимент с экстрактами из светящихся жуков Pyrophorus — он обнаружил, что экстракт тканей фотофоров светляков, полученный гомогенизацией в холодной воде, светится в течение нескольких минут, однако экстракт, приготовленный в горячей воде, не светится. Вместе с тем Дюбуа обнаружил, что если добавить к потухшему холодному экстракту порцию несветящегося горячего экстракта, то свечение возобновляется. Таким образом, за свечение были ответственны две фракции: устойчивая к нагреву низкомолекулярная, и белковая, теряющая активность при нагревании; свечение in vitro возникало только в присутствии обеих фракций и в присутствии кислорода. Аналогичные результаты Дюбуа получил и при эксперименте со светящимися двустворчатыми моллюсками Pholas dactylus. Такое поведение типично для систем фермент — субстрат, поэтому Дюбуа назвал низкомолекулярную фракцию люциферином, а белковую — люциферазой и постулировал ферментативную природу реакций, вызывающих биолюминесценцию.

Работы Дюбуа положили основу для дальнейших работ в исследовании биолюминесценции, оказалось, что у различных групп организмов существует множество систем люциферин — люцифераза.

Эдмунд Ньютон Харви (Edmund Newton Harvey) в Принстонском университете начал работы по изучению биолюминесценции ракообразных. В 1920 г. Харви показал различие люциферазных субстрат-ферментных систем различных таксонов: люциферин моллюсков Pholas не светился под действием люциферазы ракообразных Cypridina и наоборот, люцифераза Pholas была неактивна по отношению к люциферину Cypridina.

В 1957 г. был выделен и охарактеризован люциферин светляков, оказавшийся производным тиазола.

Медуза Aequorea victoria

В конце 1950-х — начале 1960-х Осаму Симомура в университете Нагоя исследовал механизм свечения остракод Cypridina hilgendorfii, которые использовались во время Второй Мировой Войны японцами как природный люминофор: высушенные рачки при смачивании снова начинали светиться. Ему удалось выделить из них в чистом кристаллическом состоянии новый люциферин, отличающийся от люциферина светляков. В качестве объекта дальнейших исследований биолюминесценции в Принстоне он избрал медузу Aequorea victoria, фотофоры которой излучают зелёный свет. Симомура выделил из медуз экворин — белок, содержащий имидазопиразин целентеразин и показал, что биолюминесценция экворина инициируется ионами кальция, при этом, в отличие от классической биолюминесценции, для излучения света экворином кислород не требовался. Это стало открытием нового класса биолюминесцентных систем — фотопротеинов, в которых светоизлучающий фрагмент является не свободным субстратом — люциферином, а простетической группой, прочно связанной с белком.

Симомура также обнаружил, что выделенный из медузы и очищенный экворин in vitro излучает синий свет, в то время как живая медуза светится зелёным. Дальнейшие исследования показали, что за зелёное свечение ответственен другой белок — GFP (англ. green fluorescent protein — зелёный флуоресцентный белок), флуоресцирующий зелёным светом под действием голубого излучния экворина; и экворин, и GFP в дальнейшем вошли в лабораторную практику молекулярной биологии, первый — как индикатор присутствия ионов Ca2+, второй — в качестве флуоресцентной метки для изучения экспрессии клеточных белков. За работы по GFP Симомура был удостоен нобелевской премии по химии 2008 года.

Удочка с лампочкой

Отряд удильщикообразных (Lophiiformes) – самые разнообразные (16 семейств, свыше 70 родов и свыше 225 видов) и, пожалуй, самые интересные из глубоководных рыб. (Многие знакомы с морскими удильщиками не по учебнику зоологии, а по мультфильму «В поисках Немо»).

Самки удильщиков – хищники с большим ртом, мощными зубами и сильно растягивающимся желудком. Иногда на поверхности моря находят мертвых удильщиков, подавившихся рыбой, превышающей их по размерам более чем в два раза: выпустить ее хищник не может из-за строения своих зубов. Первый луч спинного плавника у них превращен в «удочку» (иллиций) со светящимся «червячком» (эской) на конце. Она представляет собой железу, заполненную слизью, в которой заключены биолюминесцентные бактерии. Благодаря расширению стенок артерий, питающих эску кровью, рыба может произвольно вызывать свечение бактерий, нуждающихся для этого в притоке кислорода, или прекращать его, сужая сосуды.

Обычно свечение происходит в виде серии вспышек, индивидуальных для каждого вида. Иллиций у вида Ceratias holboelli способен выдвигаться и втягиваться в специальный канал на спине. Подманивая добычу, этот удильщик постепенно придвигает светящуюся приманку ко рту, пока не заглатывает жертву. А у Galatheathauma axeli приманка расположена прямо во рту.

Расположение люминофоров и даже характер мигания светящихся пятен может служить для коммуникации — например, для привлечения партнера. А самки американского светлячка Photuris versicolor после спаривания начинают «отбивать морзянку» самок другого вида, привлекая их самцов не с амурными, а с гастрономическими целями.

У берегов Японии массовые свадьбы празднуют умитохару (морские светлячки) — крошечные, 1−2 мм длиной, рачки рода Cypridina — и кальмары Watasenia scintellans. Тельца ватазений длиной около 10 см вместе со щупальцами усеяны жемчужинками-фотофорами и освещают зону диаметром 25−30 см — представьте себе, как выглядит море с целым косяком этих кальмаров!

У многих глубоководных головоногих тело разрисовано узором из разноцветных световых пятен, а фотофоры устроены очень сложно, наподобие светящего только в нужном направлении прожектора с отражателями и линзами (иногда двойными и окрашенными).

Многие глубоководные планктонные креветки обладают способностью к свечению. На конечностях, вдоль боков и на брюшной стороне тела у них располагается до 150 фотофоров, иногда прикрытых линзами. Расположение и число фотофоров для каждого вида строго постоянно и в темноте океанских глубин помогает самцам находить самок и всем вместе — собираться в стаи.

Голубой Грот, Мальта

Иногда вам не нужны морские существа, чтобы создать удивительное голубое свечение, а скорее правильные топографические условия: а именно, морская пещера. На Мальте, небольшом островном государстве у берегов Италии, Голубой Грот обеспечит здоровой порцией синего цвета. Голубой Грот, океаническая пещера недалеко от города Зуррик отмечен ярко-синей, светящейся водой с объектами под водой, которые выглядят серебристыми, красными, оранжевыми или желтыми. Хотя синий феномен является результатом солнечного света, проникающего через узкий вход, а не биолюминесценции, эффект излучения одинаково ошеломляющий и даже более красочный. Чтобы увидеть эту красоту, вы должны посетить грот во время отлива и в спокойных условиях, и только на специально лицензированной лодке.

Холодный свет жизни

Летом на Черном море и на Дальнем Востоке воздух ночами кишит живыми летающими фонариками, своды пещер Австралии и Новой Зеландии сияют ярче звездного неба, в тропиках бывают ночи, когда светится море (рис. 1). В сибирской тайге тоже можно столкнуться с подобным — земля иной раз мерцает под ногами, да только зрелище это не для любителей домашнего комфорта: нужно оказаться в лесу ночью в дождь, когда черви вылезают на поверхность, либо снять с поверхности почвы слой листового опада и травы, — вот тогда вы и увидите тысячи мелких ярких «звездочек».

Рисунок 1. Слева: Свечение мушек Arachnocampa luminosa в австралийской пещере. Структура люциферина этих насекомых до сих пор не установлена. Справа: Светящиеся черви Fridericia heliota на поверхности почвы в сибирской тайге. Открытый нами люциферин этих олигохет стал восьмым в ряду известных науке люциферинов, завершив 25-летний перерыв в установлении новых механизмов биолюминесценции в живой природе.

Размышляли ли вы о том, кто из живых существ умеет светиться, почему и как это происходит? Светятся, например, бактерии, кораллы, жуки, медузы, моллюски, черви, грибы, рыбы. Излучение света живыми организмами происходит благодаря химической реакции окисления небольшой органической молекулы — люциферина. В ней участвуют: окислитель (чаще всего кислород воздуха, иногда перекись водорода), восстановитель (люциферин) и фермент, называемый люциферазой. Только в трех известных случаях участником реакции также является АТФ (многоножка Luminodesmus sequoia, жуки и грибные мушки рода Arachnocampa). На данный момент известны структуры только семи природных люциферинов, последняя из которых была расшифрована более четверти века назад .

Явление биолюминесценции получило широкое практическое применение. Экологи используют его для мониторинга окружающей среды, в медицине и фармацевтике биолюминесценцию применяют для проведения клинических анализов и в тест-системах для поиска лекарств. В фундаментальных биохимических исследованиях биолюминесценция применяется для визуализации физиологических процессов, происходящих в клетках и целых организмах, а также для определения различных аналитов, в первую очередь — АТФ, ферментов, антител, антигенов. В генно-инженерных исследованиях самый надежный метод «увидеть» работу гена — «прицепить» к нему люциферазу и добавить к клеткам люциферин. Этот метод, например, был использован в недавней работе сотрудников ИБХ РАН про «молекулярное одомашнивание» ретровируса человека .

Открытие нового вида биолюминесцентных кольчатых червей семейства энхитреид — Fridericia heliota, обнаруженного в таежных районах юга Красноярского края, привело наш коллектив к структуре нового люциферина — компонента биолюминесцентной системы нового типа. Исследования проведены тремя научными группами: московским коллективом сотрудников группы синтеза природных соединений ИБХ РАН под руководством Ильи Ямпольского, Максимом Дубинным и Кириллом Надеждиным из лаборатории Биомолекулярной ЯМР-спектроскопии ИБХ РАН и группой Валентина Петушкова из красноярской лаборатории фотобиологии Института биофизики СО РАН.

Какие организмы способны светиться?

На данный момент развития биологической науки известно порядка восьми ста видов живых организмов, обладающих способностью светиться. Большинство из них являются обитателями морских глубин, однако светящиеся существа встречаются и на суше.

Бактерии

Светящиеся бактерии – часто встречающееся явление в живой природе. К данной группе микроорганизмов относятся фотобактерии следующих родов: Vibrio, Beneckea, Photobacterium. Фотобактерии рода Vibrio обитают в светящихся органах животных, тем самым выполняя симбиотическую функцию. Свечение микроорганизмов обусловлено наличием в их клетках альдегид-флавиновых систем. Сопряженное окисление флавинмононуклеотида (ФАД) в присутствии гомологов альдегида, кислорода и никтоамидденуклеотида приводит к возникновению в бактериальной клетке возбужденного флавинового фрагмента, который испускает световую волну голубого цвета.

Динофлагелляты

Планктоновые формы динофитовых водорослей, обитающих во всех океанах и морях мира, обладают эффектом биолюминесценции. Люциферин данных организмов представлен в виде линейного тетрапиррола. Данное вещество в процессе окисления посредством ферментов, относящихся к классу оксидоредуктаз, испускает фотон.

Динофлагелляты светятся в стрессовых ситуациях, например, при нахождении рядом хищника или при наличии проплывающей рядом подводной лодки.

Интересный факт: свечение динофитовых водорослей во время стадии их массового размножения отражается в виде свечения моря.

Ракообразные

Свечение ракообразных организмов обусловлено наличием в их клеточных структурах линейных тетрапиррольных соединений, которые в ходе процесса окисления испускают световую волну голубого спектра.

Кишечнополостные

Кишечнополостные животные содержат различные имидазолпиразиновые соединения, которые обуславливают наличие явления биолюминесценции у данной группы организмов. Свечение проявляют в основном донные кишечнополостные (например, гидроиды и морские перья).

Светляки

Светляки обладают исторической ролью в открытии явления биолюминесценции, дело в том, что в 1897 году в гомогенизированной смеси данных живых существ были обнаружены фотофоры, которые светились на протяжении нескольких минут. Свечение светлячков обладает светом, находящемся в зеленом спектре. Зеленое свечение позволяет самцам светлячков привлечь половых партнеров к спариванию.

Биологические функции биолюминесценции

Явление биолюминесценции необходимо живым существам для реализации следующих функций:

• привлечение половых партнеров (распространено у светлячков);

• привлечение добычи;

• маскировка (светящиеся животные благодаря способности излучать свет определенного спектра активно маскируются на фоне объектов, окружающих среды);

• предупреждение (подобной функцией обладают медузы рода Atolla);

• коммуникация с другими живыми существами данного рода или типа.

Феномен

Явление биолюминесценции — частный случай хемилюминесценции . Это происходит во время химической реакции от окисления . Каждое живое существо излучает свет по-своему, но все они следуют общей схеме: окисление органических соединений вызывает испускание фотонов .

В химической реакции участвуют три основных игрока. Люциферин является субстрат окисляется в присутствии кислорода . Люциферазы является ферментом, который выступает в качестве катализатора реакции. Иногда субстрат заранее активируется путем подачи энергии с помощью АТФ (эта непрямая реакция окисления наблюдается, например, у светлячков ).

Типы биолюминесценции

По состоянию на 2018 год известно семь типов белковых структур, участвующих в производстве биолюминесценции, наиболее известными из которых являются люциферин и люцифераза.

Биолюминесценцию можно разделить на три основных типа: внутриклеточная биолюминесценция, внеклеточная биолюминесценция и биолюминесценция симбиотических бактерий.

Внутриклеточная биолюминесценция

Внутриклеточные биолюминесценции генерируются специализированными клетками в организме (называемые photocytes) некоторых многоклеточных видов которых свет излучается наружу через кожу или усиливаются линзами и светоотражающими материалы (такие, как уратные кристаллы из светлячков. Или гуанин бляшка некоторых рыб) . Этот тип биолюминесценции характерен для многих видов кальмаров .

Внеклеточная биолюминесценция

Общий механизм реакций биолюминесценции.

Внеклеточная биолюминесценция возникает в результате реакции люциферина и люциферазы, фермента . После синтеза каждый компонент откладывается в железах кожи или под ними. Изгнание и смешивание каждого реагента снаружи производит «облака света». Этот тип биолюминесценции характерен для некоторых видов ракообразных и глубинных головоногих моллюсков .

Симбиоз с люминесцентными бактериями

Это явление известно только у морских животных, таких как гребневики, книдарии, черви, моллюски, иглокожие и рыбы . По-видимому, это наиболее распространенный тип биолюминесценции в животном мире .

В различных частях тела у животных есть маленькие пузырьки, обычно называемые « фонариками»  (in), которые содержат люминесцентные бактерии. Некоторые виды излучают непрерывный свет, интенсивность которого можно нейтрализовать или модулировать с помощью различных специализированных структур. Световые органы обычно связаны с нервной системой, что позволяет животному контролировать световое излучение.

Зачем рыбы излучают свет?

Ученые нашли другую подсказку, которая могла бы помочь объяснить популярность коэлентеразина среди глубоководных животных: эта молекула также есть у организмов, которые не излучают свет. Это поразило Жана-Франсуа Риза, биолога из Католического университета Левена в Бельгии, показалось ему странным. И без того удивительно, что «так много животных полагаются на одну и ту же молекулу в производстве света», говорит он. Возможно, коэлентеразин имеет и другие функции, помимо люминесценции?

В экспериментах с клетками печени крыс Риз показал, что коэлентеразин является мощным антиоксидантом. Его гипотеза: возможно, коэлентеразин сначала распространился среди морских организмов, живущих в поверхностных водах. Там антиоксидант мог обеспечивать необходимую защиту от оксидативного влияния вредоносных солнечных лучей.

Когда эти организмы начали колонизировать более глубокие океанические воды, где необходимость в антиоксидантах ниже, пригодилась и способность коэлентеразина испускать свет, предположил Риз. Со временем организмы выработали разные стратегии — вроде люциферазы и специализированных органов света — чтобы усилить это качество.

Тем не менее ученые не выяснили, как другие организмы, не только копеподы Обы, делают коэлентеразин. Гены, которые кодируют коэлентеразин, тоже совершенно неизвестны.

Взять, к примеру, гребневик. Эти древние морские существа — некоторые считают их первой ветвью животного древа — давно подозреваются в производстве коэлентеразина. Но никто не смог подтвердить это, не говоря уж о том, чтобы определить конкретные генетические инструкции за работой.

В прошлом году, впрочем, сообщали, что группа исследователей во главе с Фрэнсисом и Хаддоком наткнулась на ген, который может быть вовлечен в синтез люциферина. Для этого они изучали транскриптомы гребневиков, которые представляют собой мгновенные снимки генов, которые животное экспрессирует в конкретно взятый момент. Они искали гены, закодированные для группы из трех аминокислот — тех же аминокислот, которые Оба скармливал своим копеподам.

Среди 22 видов биолюминесцентных гребневиков ученые обнаружили группу генов, соответствующую их критериям. Эти же самые гены отсутствовали у двух других нелюминесцентных видов гребневиков.

Что такое биолюминесценция?

Хотя некоторые из наиболее известных примеров света у живых организмов вполне земные — вспомните светлячков, например, — основная часть эволюционных событий, связанных с биолюминесценцией, имела место в океане.

В исследовании, опубликованном в июне, он и его коллеги обнаружили, что рыбы, которые используют свет для связи и сигнализации ухаживания, были особенно распространены. За период около 150 миллионов лет — недолго по эволюционным меркам — такие рыбы широко распространились в больше видов, чем другие рыбы. Биолюминесцентные виды, которые использовали свой свет исключительно для маскировки, с другой стороны, были не так разнообразны.

Брачные сигналы можно менять относительно легко. Эти изменения, в свою очередь, могут создавать подгруппы в популяции, которые в конечном итоге расщепляются на уникальные виды. В июне Тодд Окли, эволюционный биолог из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре, и один из его студентов Эмили Эллис опубликовали исследование, в котором показали, что организмы, использующие биолюминесценцию в качестве брачных сигналов, имели гораздо больше видов и большую скорость накопления видов, чем близкие их родственники, не использующие свет. Окли и Эллис изучили десять групп организмов, включая светлячков, осьминогов, акул и крошечных членистоногих остракод.

Исследование Дэвиса и его коллег было ограничено лучеперыми рыбами, в группу которых входит примерно 95% видов рыб.

Дэвис подсчитал, что даже в одной этой группе биолюминесценция развивалась по крайней мере 27 раз. Стивен Хаддок, морской биолог из Monterey Bay Aquarium Research Institute и эксперт в области биолюминесценции, оценил, что среди всех форм жизни биолюминесценция независимо появлялась по меньшей мере 50 раз.

Как возникла биолюминесценция

Генетический механизм биолюминесценции имеет применения за пределами эволюционной биологии.

Если ученые смогут изолировать гены для пар люциферина и люциферазы, они потенциально смогут заставлять организмы и клетки светиться, по тем или иным причинам.

В 1986 году ученые из Университета Калифорнии в Сан-Диего модифицировали и включили ген люциферазы светлячка в растения табака. Исследование было опубликовано в журнале Science с изображением одного из этих растений, устрашающе светившихся на темном фоне.

Тридцать лет спустя ученые до сих пор не смогли при помощи генной инженерии создать самосветящиеся организмы, поскольку не знают пути биосинтеза для большинства люциферинов. (Единственное исключение нашли у бактерий: ученые смогли определить гены свечения, которые кодируют бактериальную систему люциферин-люциферазы, но эти гены нужно модифицировать, чтобы они были полезны для любого небактериального организма).

Использование молекул биолюминесценции будет так же полезно, как и использование флуоресцентного белка, при помощи которого уже наблюдают развитие ВИЧ-инфекций, визуализации опухолей и отслеживания повреждения нервных клеток при болезни Альцгеймера.

В настоящее время ученые, использующие люциферин для экспериментов с визуализацией, должны создавать синтетическую его версию или покупать по 50 долларов за миллиграмм. Вводить люциферин извне в клетку тоже сложновато — это не было бы проблемой, если бы клетка могла делать собственный люциферин.

Исследования продолжаются и постепенно определяют эволюционные и химические процессы на то, как организмы производят свет. Но большая часть биолюминесцентного мира по-прежнему остается в темноте.