Биолюминесценция: живой свет

Сегодня известно около 800 видов светящихся живых существ. Большинство из них обитают в море. Это бактерии, одноклеточные жгутиконосные водоросли, радиолярии, грибы, планктонные и прикрепленные кишечнополостные, сифонофоры, морские перья, гребневики, иглокожие, черви, моллюски, ракообразные, рыбы. Одни из наиболее ярко светящихся животных — пиросомы (огнетелки). Из пресноводных биолюминесцентных видов известны новозеландский брюхоногий моллюск Latia neritoides и ряд бактерий. Среди наземных организмов светятся отдельные виды грибов, земляных червей, улиток, многоножек и насекомых.

На уровне микромира очень слабое свечение, которое мы можем зарегистрировать только с помощью высокочувствительных фотометров, — это побочный эффект нейтрализации ферментами активных форм кислорода, необходимых, но токсичных для клеток, — участников процесса окисления глюкозы. Они же поставляют энергию, необходимую для хемилюминесценции, различным люминофорным белкам.

Одной из первых бактериальных ламп — колбой с культурой светящихся бактерий — еще сто с лишним лет назад развлекал любомудров голландский ботаник и микробиолог Мартин Бейеринк. В 1935 году такими лампами даже осветили большой зал Парижского океанологического института, а во время войны советский микробиолог А.А. Егорова использовала светящиеся бактерии в прозаических целях — для освещения лаборатории. И вы можете поставить похожий эксперимент: положите сырую рыбу или мясо в теплое место, подождите неделю-другую, а потом ночью подойдите (с наветренной стороны!) и посмотрите, что получилось — вполне вероятно, что заселившие питательную среду бактерии будут светиться потусторонним светом. В море светятся и бактерии, в основном родов Photobacterium и Vibrio, и многоклеточные планктонные организмы (на фото), но главный источник света — одни из наиболее крупных (до 3 мм!) и сложных одноклеточных — жгутиконосные водоросли ночесветки.

У бактерий люминофорные белки рассеяны по всей клетке, у одноклеточных эукариотических (имеющих клеточное ядро) организмов они находятся в окруженных мембраной пузырьках в цитоплазме. У многоклеточных животных свет обычно излучают специальные клетки — фотоциты, часто сгруппированные в особые органы — фотофоры. Фотоциты кишечнополостных и других примитивных животных, как и фотофоры, работающие за счет симбиотических фотобактерий, светятся непрерывно или в течение нескольких секунд после механического или химического раздражения. У животных с более-менее развитой нервной системой она управляет работой фотоцитов, включая и выключая их в ответ на внешние раздражители или при изменении внутренней среды организма. Кроме внутриклеточного, у глубоководных креветок, осьминогов, каракатиц и кальмаров встречается свечение секреторного типа: смесь продуктов секреции двух разных желез выбрасывается из мантии или из-под панциря и расплывается в воде как сияющее облако, ослепляя противника.

Другой классический пример биолюминесценции — древесные гнилушки. Светится в них не само дерево, а мицелий обыкновенного опенка. А у высших грибов рода Mycena, тоже растущих на гниющем дереве, но в теплых краях вроде Бразилии и Японии, светятся плодовые тела — то, что обычно называют грибами (хотя плесневые, дрожжевые и прочие грибки — это тоже грибы, только низшие). Один из видов этого рода называется M. lux-coeli, «мицена — свет небесный».

Самое яркое применение биолюминесценции — создание трансгенных растений и животных. Первую мышь с геном GFP, внедренным в хромосомы, создали в 1998 году. Светящиеся белки нужны для отработки методик внедрения чужих генов в хромосомы самых разных организмов: светится — значит, метод работает, можно использовать его для введения в геном целевого гена. Первые светящиеся рыбки — трансгенные данио (Brachydanio rerio) и японская рисовая рыбка медака (Orizias latipes) — появились в продаже в 2003 году.

Светящееся море

Те, кому повезло купаться в море ночью во время его свечения, на всю жизнь запомнят это феерическое зрелище. Чаще всего причина свечения — жгутиконосные водоросли ночесветки (Noctiluca). В отдельные годы их численность возрастает настолько, что светится все море. Если вам не повезет и вы окажетесь на берегах теплых морей в неподходящее время, попробуйте налить морскую воду в банку и добавить туда немного сахара. Ноктилюки среагируют на это усилением активности белка люциферина. Взболтайте воду и любуйтесь голубоватым свечением. А когда налюбуетесь, можете вспомнить о том, что смотрите на одну из нерешенных тайн природы: неясность эволюционных механизмов появления у самых разных таксонов способности светиться отметил в отдельной главе «Происхождения видов» еще Дарвин, и с тех пор ученым так и не удалось пролить на этот вопрос свет истины.

Свечение могло развиться у организмов, живущих в условиях хорошей освещенности, на основе пигментных соединений, выполняющих светозащитную функцию. Но постепенное накопление признака — один фотон в секунду, два, десять — и у них, и у их ночных и глубоководных родственников не могло повлиять на естественный отбор: такое слабое свечение не ощущается даже самыми чувствительными глазами, а появление готовых механизмов интенсивного свечения на голом месте тоже выглядит невозможным. И даже функции свечения у многих видов остаются непонятными.

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.

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.