Что такое биолюминесценция и как она используется людьми и природой? Биология 2021

Что такое биолюминесценция и как она используется людьми и природой?

Видео: С ЭТИМ НАДО КОНЧАТЬ – Жак Фреско – Проект Венера 2021, Сентябрь

Море было светло в пятнах и после сосуда, однородного слегка молочного цвета. Когда воду помещали в бутылку, она выдавала искры

Это первая запись в зоологической записной книжке Чарльза Дарвина, написанная в то время, когда он был на борту Бигла недалеко от побережья Тенерифе 6 января 1832 года. То, что Дарвин видел, было биолюминесцентным морским существом, мерцающим светом в ответ на физическое нарушение.

Биолюминесценция, производство и излучение света живыми организмами, стала точкой отсчета для Дарвина. Он изо всех сил пытался объяснить, почему это явление появилось в отдельных видах, казалось бы, случайным образом. Однако теперь мы знаем, что биолюминесценция развилась независимо по меньшей мере в 40 раз на суше и в море.

Дарвин не был первым, кто заметил биолюминесценцию. Греческий философ Аристотель заметил, что биолюминесценция – это тип «холодного» света, поскольку он не выделяет тепла – около 350 г. до н.э. Исследователи с тех пор обнаружили, что эта форма хемилюминесценции дает сине-зеленый свет в результате окисления соединения, называемого люциферином («светорассеянием») с помощью фермента, называемого люциферазой.

По оценкам, более 75% глубоководных существ создают собственный свет. Например, рыба-рыба использует биолюминесцентные приманки, похожие на удочки, чтобы привлечь добычу к своим большим ртом. Интригующе, что свет рыба-рыба фактически производится Photobacterium, бактерией, которая живет в симбиозе с рыбой внутри ее esca (приманки).

Ночной гавайский кальмары бобтейлов – Euprymna scolopes – который живет на мелководье, также имеет симбиотические отношения с биолюминесцентной бактерией Aliivibrio fischeri. Ночью эти бактерии начинают светиться, а кальмары используют свой свет, чтобы замаскировать себя против ночного неба. Эта стратегия противодействия освещению похожа на плащ невидимости.

На рассвете кальмар вытесняет около 95% светящихся бактерий из своего светлого органа и поставляет оставшиеся 5% достаточного количества питательных веществ, чтобы расти в течение дня. Критическая масса снова достигается в сумерках, после чего свет включается.

Именно изучение этой бактерии привело к открытию микробиологических явлений, называемых «чувствительностью кворума». Этот «химический язык» используется Aliivibrio fischeri для подсчета своих соседей. Это гарантирует отсутствие потерь энергии при превращении биолюминесцентных генов, прежде чем в светлом органе кальмаров будет достаточно клеток (обычно около 10 м клеток на миллилитр).

Ближе к поверхности моря, биолюминесценция обычно генерируется планктоном под названием Noctiluca scintillans, известным как «морской блеск». Этот микроскопический организм производит вспышки света в ответ на физические нарушения, когда волны ломаются на берегу или когда камень бросается в цветение. Биолюминесцентная реакция в ответ на раздражитель называется эффектом «взлома». Когда под атакой хищника, коллективная вспышка света поражает атакующего и отбрасывает его положение, предупреждая более высоких хищников о его местонахождении.

Биолюминесценция и люди

На протяжении всей истории люди изобретали гениальные способы использования биолюминесценции в своих интересах. Светящиеся грибы использовались племенами, чтобы проследить путь через густые джунгли, например, в то время как светлячки использовались горняками в качестве ранней лампы безопасности. Возможно, вдохновленные этими приложениями, исследователи теперь снова обращаются к биолюминесценции как потенциальной форме зеленой энергии. В недалеком будущем наши традиционные уличные фонари могут быть заменены светящимися деревьями и зданиями.

Сегодня биолюминесценция Aliivibrio fischeri используется для мониторинга токсичности воды. При воздействии загрязняющих веществ световая отдача от бактериальной культуры уменьшается, сигнализируя о возможном присутствии загрязняющего вещества.

Биолюминесценция даже сыграла определенную роль в войне. Биолюминесцентные организмы помогали погрузиться в последнюю немецкую подводную лодку во время Первой мировой войны в ноябре 1918 года. Сообщается, что подводная лодка плыла через биолюминесцентный цвет, оставляя светящийся след, который отслеживался союзниками.

У него тоже была защитная роль. После одного из самых кровопролитных сражений в американской гражданской войне в Шиломе раны некоторых раненых солдат начали светиться. Эти светящиеся раны заживали быстрее и чище, и это явление стало известно как «Свет ангела». Свечение, вероятно, было получено Photorhabdus luminescens, бактерией, обитающей в почве, которая выпускает противомикробные соединения и таким образом защищает солдат от инфекции.

Возможно, медицинские приложения биолюминесценции вызвали наибольшее волнение. В 2008 году Нобелевская премия по химии была присуждена за открытие и разработку зеленого флуоресцентного белка (GFP). GFP обнаруживается естественным образом в кристаллической медузе Aequorea victoria, которая, в отличие от описанного до сих пор механизма биолюминесценции, является флуоресцентной. Это означает, что белок должен быть возбужден синим светом, прежде чем излучать его характерный зеленый свет. С момента своего открытия GFP был генетически вставлен в различные типы клеток и даже животных, чтобы пролить свет на важные аспекты клеточной биологии и динамики болезни.

Эволюционный процесс, который завершился биолюминесценцией, возможно, занял миллионы лет, но его научные приложения продолжают революционизировать наш современный мир. Помните, что в следующий раз вы увидите, как сверкает море.

Биолюминесценция

Биолюминесценция — процесс образования света организмом или в искусственной системе, в которую вовлечены живые организмы. Это может быть призрачным свечением бактерий на гниющем мясе рыбы, мерцающая фосфоресценция простейших тропического моря, либо сигналы светлячков. Данный феномен встречается в единичных случаях у различных представителей живой природы, бактерий, грибов, насекомых, морских беспозвоночных и рыб, однако никогда не наблюдается у растений, амфибий, рептилий, птиц и млекопитающих. Биолюминесценция является результатом химической реакции (хемилюминесценции), при которой превращение химической в лучистую энергию осуществляется напрямую с КПД 100%. Процесс сопровождается очень незначительным выделением тепла, поэтому его называют холодным свечением.

Значение биолюминесценции в поведении

Свечение выполняет сигнальную функцию, связанную с защитой, воспроизводством и привлечением добычи, и в некоторых случаях играет роль в освещении пути. Например, некоторые кальмары выделяют светящееся облако для запутывания хищника и последующего скрытия. Многие глубоководные рыбы болтают светящимся выростом, как наживкой для приманивания жертвы, для маскировки и запутывания врагов, а также для освещения пути.

Биолюминесценция незаменима для многих организмов, использующих световые сигналы для привлечения конспецифичных видов и спаривания. У Photinus pyralis, Североамериканского светлячка, самцы спонтанно мерцают в полете, при этом каждые 5,5 секунды испускаются короткие (0,3 сек) вспышки (температура среды — 25° C). Самки наблюдают с поверхности воды, и, заметив вспышку, также испускают привлекающий сигнал с интервалом 2 секунды. Самка неспособна идентифицировать самца по характеру его вспышек, поэтому именно мужские особи различают специфичные сигналы особей противоположного пола по характерным интервалам и, таким образом, разыскивают их. Кроме того, очень важным оказывается время между подачей вспышки самцом и ответом самки. Многие другие виды светлячков используют аналогичную систему сигнализации. Вероятно, у видов имеются различия в цвете холодного свечения.

Светлячок Photinus pyralis (1), Lampyris noctiluca (2), личинка грибного комарика Arachnocampa luminosa (3 и 4).

Светящиеся анчоусы (Myctophidae), рыбы топорики(Stomiiformes, Sternoptychidae) и другие глубоководные животные демонстрируют различный тип мерцающего узора на теле. Свечение вызывают множество фотофоров, в большинстве случаев, расположенных на вентральной (брюшко) и боковой поверхности тела, и, тем самым, обеспечивающих излучение вниз и по бокам. Предполагается, что свет от фотофор соответствует интенсивности солнечного света, доходящего сверху, позволяя скрыть тень рыбы от хищников, расположенных ниже.

Некоторые светящиеся анчоусы также могут обладать большим носовым органом, а другие иметь светящуюся область на хвосте. У глубоководного морского черта (Lophiidae) передняя часть спинного плавника, если он присутствует, расположена прямо над пастью и имеют форму «удочки» с приманкой для привлечения добычи. Именно эта особенность дала таксону название Удильщикообразные.

Diaphus theta из семейства Myctophidae (1), рыба-топорик Argyropelecus hemigymnus (2), рыба-фонарь (Photoblepharon) (3), удильщик или морской черт (4).

Значение биолюминесценции в метаболизме

Функцию биолюминесценции в жизни низших организмов, таких как бактерии, динофлагеллят и грибов сложно разглядеть. Ясность в данный вопрос вносят некоторые наблюдения. В частности, сияние бактерий прекращается при удалении кислорода из среды, что свидетельствует о вовлечении реакций, сопровождаемых биолюминесценцией, в ликвидацию токсичного для анаэробных организмов кислорода. Лучистая энергия появляется в результате взаимодействия кислорода с люциферином. Большинство светящихся одноклеточных позднее смогли использовать кислород, однако способность к люминесценции сохранилась.

Разновидности биолюминесцирующих организмов

Способностью к люминесценции обладают различные таксономические группы, однако определить закономерность её распределения очень сложно. Многие креветки могут светиться, однако науке не известны светящиеся крабы. Известно множество люминесцирующих кальмаров и только один осьминог (Callistoctopus arakawai в Японии). Среди двупарноногих и многоножек нередки светящиеся виды, но они не обнаруживаются у скорпионов и пауков. Чрезвычайно большое количество грибов и бактерий обладают биолюминесценцией, однако нет ни одного растения с подобной способностью.

Практически половина типов живых существ включает люминесцирующие формы, но количество этих видов очень мало по сравнению с общим разнообразием видов. Простейшие не так богаты светящимися формами, которые, тем не менее, изобилуют по своей биомассе, особенно в тропических морях. Фактически, подавляющее большинство всех светящихся организмов являются морскими.

Фитопланктоном

Поверхность океана в тропических областях богата одноклеточным люминесцирующим фитопланктоном, преимущественно, динофлагеллятами, которые начинают блестеть, как только подвергаются механическому воздействию, например, взбалтывание волнами, столкновением о берег или прикосновении рукой. Помимо них имеется макропланктон, представленный, в частности, видами Pyrosoma. Прозрачные колонии Pyrosoma достигают 3-10 см в диаметре, тогда как длина единичной клетки составляет 5 мм.

Все люминесцирующие бактерии являются морскими организмами, потому что нуждаются в соли для своего развития и свечения. Среди них распространены роды Vibrio и Photobacterium. Не смотря на то, что эти бактерии могут иметь различную форму, они никогда не образуют цепей. Конечно, излучение от одной клетки нельзя увидеть невооруженным глазом, однако свет от культуры на агаре или в растворе, содержащим миллионы бактерий, хорошо виден. Данное свечение продолжительное и имеет синеватый оттенок. Многие люминесцирующие бактерии являются симбионтами рыб и кальмаров.

Грибы

К люминесцирующим одноклеточным организмам относятся грибы, беловатые скопления которых часто обнаруживается на гниющей коре в лесу. Данные организмы предпочитают тенистые влажные места, поэтому они обитают преимущественно в тропиках. Спектр излучения грибов варьирует от синего до зеленого и желтого в зависимости от вида. В качестве примера можно привести Pleurotus lampas из Австралии и Clitocybe illudens из Соединенных Штатов, достигающих 13 см в диаметре.

Люминесцирующие бактерии Photobacterium phosphoreum (1) и Vibrio harveyi (2) на агарозном геле, макропланктон колония Pyrosoma atlanticum (3), австралийский гриб Pleurotus lampas (4).

Ракообразные

Среди ракообразных наибольшее количество светящихся видов представлено у веслоногих рачков (Copepoda), креветок и остракод. Люминесцирующие копеподы обитают как на поверхности воды, так и на морских глубинах. Они представлены, главным образом, двумя основными группами, Pleuromma и Metridia. Некоторые креветки (Hoplophorus) образуют светящийся секрет из специального органа, в то время как у других имеется светящийся орган (фотофоры), состоящий из линзы, отражателя и порождающих лучистую энергию фотогенных клеток. Три или четыре вида остракод рода Cypridina являются люминесцирующими. Среди них наиболее известен Cypridina hilgendorfii (или Vargula hilgendorfii с 1962 года), обитающий в прибрежных водах и песке Японии. Этот крохотный, покрытый раковиной, организм, будучи потревоженным, выделяет в воду синий светящийся секрет.

Кишечнополостные

Кишечнополостные, в частности, медузы, гребневики и плавающие, прозрачные сифонофоры (Siphonophora) также вносят существенный вклад в освещение мирового океана. Значительная часть опушенных, донных морских перьев (Pennatula), морских кактусов (Cavernularia) и морских фиалок (Renilla) являются колониальными организмами, которые освещаются сверху вниз при ударе о них волн. Данное свечение находится под контролем нервной системы.

Черви

Среди кольчатых червей (Annelida), как морские, так и наземные черви включают люминесцирующие виды. Odontosyllis, огненные черви с Бермуд, за несколько дней после полнолуния собираются в большие скопления. Самки около 2 см в длину выбираются на поверхность сразу после захода солнца и плавают кругами, рассеивая люминесцирующий секрет. Более мелкие самцы находят женских особей и спариваются с ними. Они также испускают свечение, которое, однако, прерывистое и находится внутри клеток. Неизвестно, вносит ли свет какой-либо вклад в размножение, но другие, не люминесцирующие виды Odontosyllis, спариваются аналогичным образом.

Среди люминесцирующих кольчатых червей можно также выделить Polynoe и Polycirrus, обитающих в песке или скалах, а также Chaetopterus, проводящих большую часть своей жизни в трубке из пергаментной мембраны с двумя открытыми концами. Представители последнего начинают светиться, будучи потревоженными, однако целесообразность этого явления неизвестна.

Моллюски

Люминесцирующие моллюски представлены Pholas (двустворчатые), Phyllirrhoe (морские гастроподы отряда Nudibranchia), Planaxis (морские гастроподы), Latia (пресноводное блюдечко) и кальмар (головоногие)

Морские глубоководные рыбы и кальмары демонстрируют наиболее изощренные светящиеся органы, состоящие из фотогенных клеток, отражателя, линз и, в некоторых случаях, светофильтров. Кальмары (Oegopsida), обитающие в открытом океане, например, Lycoteuthis, Histioteuthis, и Enoploteuthis, на 75% самоизлучают. То есть лучистая энергия образуется не в результате симбиотических бактерий, а в результате внутренней биохимической реакции. У глубоководных кальмаров светоизлучающий орган часто обнаруживается на веках или прямо на глазных яблоках. В некоторых случаях, в частности, у вида Watasenia scintillans, светоизлучающий орган находится также на конце щупальцев и других участках тела.

Наиболее знаменитыми люминесцирующими рыбами являются удильщиковые, рыбы-топорики и фонарики. У большинства таких рыб свет образуется в результате химической реакции внутри фотоцитов. Их светоизлучающие органы, во многих случаях, схожи с аналогичными по функции структурами кальмара и включают линзы, светоизлучающее тело, светофильтр и отражатель. Глубоководные рыбы имеют фотофоры вдоль тела, под глазами и часто на усиках или антеннах. Как правило, интенсивность свечения регулируется центральной нервной системой, и после смерти рыбки она быстро снижается. Неизвестно, развиваются ли фотоактивные элементы вместе с ростом рыбы, либо они аккумулируются при её кормлении. Второй вариант предполагает использование в рационе питания ракообразных, например, Cypridina, содержащих в своем составе светоизлучающие компоненты.

Некоторые роды глубоководных и несколько семейств мелководных рыб продуцируют лучистую энергию, благодаря симбиотическим люминесцирующим бактериям, находящихся в специальном органе. Последний обильно снабжается кровью, питающей и поддерживающей рост бактерий. Это свидетельствует о возможном инфицировании определенных видов рыб специфическими штаммами одноклеточных организмов. Не смотря на то, что симбиотический фотоактивный орган функционирует непрерывно, интенсивность излучения регулируется меланофорами, выстилающими его, либо черной мембраной, которая способна механически натекать на орган. В первом случае, контроль освещенности осуществляется сокращением или расширением меланофоров или пигментных гранул.

Хорошо известная рыба-фонарь (Photoblepharon) из Индонезии имеет большой фотофор под глазом. Свет гасится, когда фотофор прикрывается складкой черной кожи.

Некоторые рыбки, например, рода Leiognathus, Acropoma и Archamia, обладают встроенным в ткани фотофором, связанным с кишечником по средством тонкой трубки. При этом излучение проходит через прозрачный киль и вентральные (расположенные на брюшной поверхности) мышцы.

Среди других высших животных подтипа хордовых Оболочники (Tunicata) имеют светоизлучающий орган.

Остракоды Vargula hilgendorfii (1 и 2), огненный червь Odontosyllis (3), морское перо Pennatula phosphorea (4), гребневик Ctenophora (5) и кальмар Lycoteuthis diadema (6).

Люминесцирующие наземные животные никак не связаны с конкретной областью обитания, но практически всегда они активны ночью. Многоножки Orphaneus, широко представленные в тропической Азии, и Luminodesmus sequoiae с гор Сьерра-Невады выделяют светящийся секрет из каждого сегмента тела. На территориях Новой Зеландии и Австралии в пещерах и гротах распространены грибные комарики Arachnocampa luminosa, личинки которых испускают зеленовато-синее свечение с конца своего брюшка. Жуки, включающие светлячков и щелкунов Pyrophorus, а также личинки светлячков и светляков светятся.

У большинства биолюминесцирующих организмов важными светоизлучающими компонентами являются окисляемая органическая молекула люциферин и фермент люцифераза, которые видоспецифичны.

Люциферины представлены 5 основными типами: люциферин светлячка; люциферин бактерий, обнаруживаемый также у кальмаров и рыб, содержит длинноцепочечный альдегид и восстановленный рибофлавин-фосфат; люциферин динофлагеллят (простейших и некоторых морских ракообразных), ответственный за фосфоресценцию океана, является производным хлорофилла; целентеразин обнаружен у радиолярий, ктенофор, книдарий, кальмаров, копепод, щетинкочелюстных, рыб и креветок; варгулин — имидазолопиразин, обнаружен у ракушковых и некоторых глубоководных рыб.

Реакция, в которой при участии катализатора люциферазы, происходит окисление люциферина, сопровождается свечением. У светлячков процесс запускается взаимодействием АТФ с люциферазой, ионами магния и люциферином с образованием комплекса люцифераза-люциферин-аденилат и фосфата. Этот комплекс реагирует с молекулами кислорода. За счет окисления комплекс переходит в высокоэнергитичесое состояние и затем восстанавливается с выделением фотонов.

Люминесцирующие бактерии используют ферментативное окисление флавин-мононуклеатида. Во время реакции люцифераза взаимодействует с флавин-мононуклеатидом и кислородом, что приводит к образованию долгоживущего комплекса. Для выделения фотонов последний реагирует с длинноцепочечным алифатическим альдегидом (деканал).

5 биолюминесцентных живых организмов, которые освещают мир

Тот, кто когда-либо ловил светлячков и садил их в стеклянную банку, наверняка до сих пор помнит очаровательное свечение этих живых организмов. Светлячки наиболее известные

Природа освещает себя сама

Тот, кто когда-либо ловил светлячков и садил их в стеклянную банку, наверняка до сих пор помнит очаровательное свечение этих живых организмов. Светлячки наиболее известные биолюминесцентные существа, но, оказывается, это явление удивительно распространено в природе. Не удивительно, что дизайнеры все чаще задумываются о создании бесплатного источника энергии для освещения.

Природа освещает себя сама

В последние годы, ряд ученых добился успеха с внесением генетического материала, отвечающего за биолюминесценцию, в растения, которые обычно не светятся в темноте. Цель состоит в том, чтобы в конечном итоге вывести светящиеся деревья, которыми можно будет заменить уличные фонари, а также комнатные растения, которые заменят бытовые лампы. Это позволит сэкономить огромное количество электрической энергии. Рассмотрим некоторые виды этих увлекательных существ, которые послужили вдохновением для ученых.

Светляки в природной обстановке

В семействе жуков Lampyridae есть около 2000 видов, большинство из которых производят свечение в своем животе. Чаще всего светлячки используют биолюминесценцию в процессе ухаживания за партнером, хотя некоторые экземпляры также используют этот эффект для привлечения добычи. Биология биолюминесцентного свечения светлячков изучалась в течение многих столетий, и ученые теперь имеют детальное понимание этого эффекта – биолюминесценция является результатом химического взаимодействия между люциферином (светящимся веществом), и люциферазой (ферментом, который является катализатором для люциферина.

Диковинный свет червей в пещерах

Arachnocampa является одним из видов, который живет в пещерах и гротах Австралии и Новой Зеландии. Это своеобразное существо вырабатывает шелковые нити подобно паукам, которые затем прикрепляют к потолкам в пещерах. Нити покрыты ядовитой слизью и предназначены для ловли добычи.

У ряда бактерий вида Vibrio есть биолюминесцентные способности, которые могут принимать различные формы. Зачастую на тропических курортах люди видят это свечение, когда волны ночью разбиваются о берег. В этом случае свечение срабатывает при движении волн. Также можно наблюдать свечение при плескании воды в темноте. Иногда эффект возникает в открытом океане, когда светятся сотни миль океанской поверхности. Люди назвали этот эффект “молочное море”.

Морской охотник ловит рыбу на удочку

Одной из самых интригующих и необычных рыб, которая использует биолюминесценцию, является морской черт. Эти причудливые существа имеют органы, называемые Illicium, которые торчат из их голов, и функционируют как удочки. Кончики этих органов заселены биолюминесцентными бактериями, которые служат в качестве приманки. Свечение привлекает других рыб в темной воде и рыба по сути сама заплывает в огромные, клыкастые челюсти морского черта.

Свет грибов в лесу

В некоторых темных лесах по всему миру земля светится, когда человек просто идет по тропе. Это является результатом деятельности грибов, которые живут в гниющей древесине на лесной почве. В отличие от большинства других биолюминесцентных организмов, принцип свечения в грибах менее понятен. Некоторые предполагают, что это используется для привлечения насекомых, которые питаются грибами и тем самым помогают распространять споры. Другие считают, что это служит для отпугивания хищников, поскольку свечение считается признаком токсичности многими существами.

Понравилась статья? Напишите свое мнение в комментариях.
Подпишитесь на наш ФБ:

Загадки природы: Биолюминесценция

Биолюминесценция – способность живых организмов светиться за счет собственных белков или с помощью симбиотических бактерий.

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.

Биолюминесцентность

Использование биолюминесценции в освещении города

Биолюминесценция — способность живых организмов светиться, достигаемая самостоятельно или с помощью симбионтов. Биолюминесценция основывается на химических процессах, при которых освобождающаяся энергия выделяется в форме света.

Использование биолюминесцентности растений в хозяйственной деятельности человека началось в середине XXI века, когда благодаря генной инженерии были выведены устойчивые виды биолюминесцентных деревьев для освещения улиц.

Содержание

1 Биолюминесценция в природе
2 Технология
3 Применение искусственной биолюминесценции
4 Технологии биолюминесценции в Альтернативном будущем
5 Примечания

Биолюминесценция в природе

«Биолюминесценция» — это нетепловое свечение в живой системе. В природе существует множество различных биолюминесцентных систем, которые независимо развились у бактерий и грибов, кишечнополостных и членистоногих.

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.

Природа предусмотрела целый ряд полезных функций свечения. Одно из применений биолюминесценции является привлечение другого объекта, как добычи, так и представителей противоположного пола. Следующие использование этого свойства – отражение нападений хищников, которые могут потерять «хватку» при виде светящегося объекта. Организмы также используют биолюминесценцию, чтобы осветить окружающее их пространство. Черный Dragonfish, например, воспроизводит красное свечение, что позволяет ему видеть красно-пигментированные сегменты добычи, которые обычно невидимы в глубоководной среде океана, где красный свет отфильтровывается под толщей воды. Наконец, выработка света может быть необходима организма в качестве маскировка на фоне естественных источников света и взаимодействия с другими представителями вида.

За выработку зеленого флуоресцирующего белка (GFP), впервые найденного в организме медузы Aequorea Victoria

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.

Технология

Светящихся растений в природе не бывает. Сделать их искусственно пытались и раньше: ген люциферазы светлячков был внесен в растения табака еще в 1980-х годах. А в 2010 году биологам из Кембриджа удалось использовать весь «светоносный комплекс» светлячка, получив стабильно светящиеся ГМ-бактерии. Фактически нужно заставить работать такую систему (обычно она включает фермент люциферазу и необходимые для ее работы молекулы люциферина) в растении и при этом не вредить ему.

Растения светятся все время, непрерывно, но яркость может колебаться. Они начинают светиться ярче, если, например, положить рядом банановую кожуру. Она выделяет этилен, растительный гормон, который, с одной угнетает рост растений, а с другой — способствует созреванию плодов.

Интенсивность свечения колеблется в зависимости от времени суток, пик яркости приходится примерно на середину ночи. Молодые побеги светятся ярче, старые тусклее. Ярко светятся цветы. А если листу пора умирать, там включатся какая-то биохимия, и он вспыхивает перед тем, как погибнуть окончательно.

Очень ярко светятся корни, особенно точки их ветвления. Если отрезать побег, на этом месте начинает вырастать новый, и это место тоже светится очень ярко. Срезанная часть растения будет светиться до тех пор, пока она не засохнет.

Генномодифицированная биолюминесцентная мышь

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. В 2014 году китайские ученые вывели светящихся свиней.

Применение искусственной биолюминесценции

Применение технологии биолюминесценции стало возможным лишь благодаря решению трех ключевых проблем: растения должны самостоятельно производить энергию, прекрасно адаптированы к условиям городской среды и самостоятельно восстанавливаться при повреждениях.

Растение-светлячок Starlight Avatar

Потенциальных задач для такой искусственной биолюминесцентной системы очень много. Например, можно её использовать для выращивания растений-детекторов, которые будут светиться в ответ на стрессы — высокую температуру, высокую соленость, болезни и т.д. С другой стороны они могли выполнять чисто декоративную функцию для благоустройства домов и городских улиц.

Первые устойчивые виды биолюминесцентных растений использовались в качестве ночника в жилые дома [1] — низкие затраты на воспроизведение, приспособленность к домашней среде и экзотичный вид предопределили быстрое распространение технологии по всему миру в середине 2030-х годах. Моду быстро подхватили цветочные магазины, которые стали продавать светящиеся цветы и растения. Впрочем, выделявшийся свет был недостаточным для промышленного применения данных растений.

Биолюминесцентные деревья в городском парке

Альтернативой стало применение биолюминесцентной краски, в основе которой лежат биолюминесцентные бактерии. Её использовали для окраски листвы и веток деревьев, кустов, цветов и прочих растений, что позволяло им светиться в темноте. Даже при отсутствии солнца днем, после наступления вечера растения излучали свет на протяжении восьми часов. Такие бактерии не наносили существенного вреда деревьям и были практически незаметны днём.

Существенное увеличение яркости позволило расширить сферу применения биотехнологии. Поскольку на освещение улиц и квартир тратится до 20% производимого электричества, то одним из вариантов снижения этих энергозатрат стало использование биолюминесцентных растений. Первые светящиеся деревья появились на улицах города Дубаи, где их высадили ещё до завершения испытаний на безопасность. Впрочем, свечение от подобных деревьев было сравнительно тусклым, поэтому в качестве полноценных источников света для городских улиц они использоваться не могли. Тем не менее, парки, в которых были высажены биолюминесцентные растения быстро становились точками притяжения городских жителей и туристов.

Биолюминесцентность стала применятся в измерении уровня загрязнения водоёмов, уровня радиации выпадающих осадков, а также наличия определенных веществ в составе продуктов. Кроме того, учёные-биологи из Канады вывели растения, которые позволяют выявлять содержание ртути в атмосфере. Применение таких растений-индикаторов стало крайне полезным в системах водоснабжения и на опасных производствах.

Что такое биолюминесценция?

Биолюминесценция – это химический процесс, посредством которого морские позвоночные и беспозвоночные, грибы и светлячки производят и генерируют свет.

Это относительно редкое во всем мире явление ночью освещает океан, волны и береговую линию голубым светом.

Свет или свечение создается морским планктоном, известным в науке как динофлагеллят, который активирует голубое свечение, когда чувствует движение в воде.

Это может быть рыба, человеческое тело или просто сила, создаваемая волнами.

В течение дня планктон или биолюминесцентные водоросли получают энергию от солнца. С наступлением темноты динофлагелляты используют его для получения голубого свечения.

Поскольку их свечение контролируется циркадными ритмами, свет появляется только ночью.

Точно такое же явление можно наблюдать у светлячков.

Биолюминесценция: оружие и коммуникация

Надводные и глубоководные животные оснащены множеством принадлежностей и возможностей для выживания в таких суровых условиях.

Ученые считают, что эти океанские существа используют биолюминесценцию по нескольким причинам.

Они могут использовать ее как фонарик, чтобы увидеть или позволить другим представителям того же вида найти их в темноте.

Они также могут использовать ее для привлечения животных, которых планируют съесть.

Когда на них нападают, некоторые из них могут мигать светом, как сигнализация о взломе, чтобы привлечь внимание еще более крупного существа, такого как акула, и отпугнуть нападающего.

Считается, что свечение является защитным механизмом, который пугает хищников и делает их уязвимыми для существ более высокого трофического уровня.

Для некоторых видов свет выглядит так же, как слабый солнечный свет, падающий сверху, что делает их невидимыми для хищников внизу.

По мнению морских биологов, подавляющее большинство глубоководных животных – от акул и медуз до бактерий и ракообразных – способны излучать свет. Наверное, от 75 до 90 процентов.

Морские существа излучают свет, чтобы общаться друг с другом, заманивать или обнаруживать добычу, а также предупреждать хищников или уклоняться от них.

От красных приливов к биолюминесцентным волнам

Свет, излучаемый биолюминесцентным существом, является результатом энергии, высвобождаемой в результате химических реакций, происходящих внутри его тела.

Большинство животных излучают свет в синем и зеленом спектре, но род Tomopteris (Томоптерис) излучает желтый свет, а некоторые рыбы с подвижной нижней челюстью излучают красный и инфракрасный свет.

Znanie-svet.ru сообщает, что динофлагелляты – наиболее часто встречающиеся биолюминесцентные организмы. Они несут ответственность за биолюминесцентные волны, которые можно увидеть ночью на многих пляжах.

Этих одноклеточных существ очень много.

Динофлагелляты связаны с так называемыми красными приливами.

В течение дня, когда эта микроскопическая популяция резко увеличивается, вода окрашивается в красный или коричневый цвет.

Некоторые из этих красных приливов токсичны и вредны для человека.

Затем ночью красная вода превращается в волшебные синие волны.

Это сверкающее фосфоресцирующее свечение – частое явление на пляжах Калифорнии, Флориды, Австралии, Ямайки, Вьетнама, Пуэрто-Рико, Великобритании и Мальдивских островов.

Тем не менее несмотря на то, что невозможно предсказать, когда они произойдут или как долго они продлятся, ученые подтверждают, что они продолжаются некоторое время, по крайней мере, с 1900 года.

Мы знаем, что природные явления, такие как изменение режима воды и ветра, а также штормы, могут привести к падению уровня биолюминесценции.

Таинственный биохимический процесс

До сих пор неизвестно, почему происходит биохимический процесс, заставляющий динофлагелляты светиться.

Однако ученые считают, что определенные движения растягивают клеточную мембрану организма и активируют механические рецепторы.

Эти рецепторы затем отправляют сигнал сцинтиллонам, крошечным стручкам, расположенным внутри биолюминесцентных клеток динофлагеллят, которые содержат все соединения, необходимые для производства света.

Очевидно, этот сигнал заставляет каждый сцинтиллон открывать ионные каналы, чтобы пропустить ионы водорода из соседнего мешка, называемого кислой вакуолью.

В результате pH понижается и запускается химическая реакция – фермент под названием люцифераза объединяет кислород с соединением под названием люциферин (от латинского lucifer или «светоносец»).

И когда происходит эта реакция, она высвобождает энергию в виде вспышки света.

Хотя разные формы люциферина могут давать разные цвета, динофлагелляты и многие другие биолюминесцентные морские виды излучают в основном синий свет.

Вероятно, это связано с тем, что синий свет может распространяться дальше всего в воде, поскольку вода быстрее поглощает другие цвета в спектре.

БИОЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯ

БИОЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯ, видимое свечение некоторых живых организмов. Биолюминесценция – результат биохимической реакции, в которой химическая энергия возбуждает специфическую молекулу и та излучает свет.

Происхождение.

Особенностью биолюминесцентных систем является то, что они не закреплялись в филогенезе (т.е. эволюционно). Большинство из них возникло у разных животных независимо, и потому они сильно различаются как с биологической, так и с химической точки зрения. Таким образом, в противоположность многим структурным белкам и ферментам (таким, как гистоны, цитохромы или мышечные белки), сходным у филогенетически далеких форм, субстраты и ферменты биолюминесцентных систем у разных животных, способных к светоизлучению, совершенно различны.

Известно по крайней мере 30 случаев возникновения биолюминесценции в процессе эволюции. И хотя каждая из биолюминесцентных систем формировалась самостоятельно, имеются примеры сходства между ними. Некоторые из таких примеров могут объясняться общностью факторов питания, другие – латеральным переносом генов или конвергенцией (совпадением) независимо развившихся признаков.

Физика и химия.

Некоторые физические и химические особенности являются общими для всех биолюминесцентных реакций. Излучаемый свет не зависит от света или другой энергии, непосредственно поглощаемой организмом. Он также не связан с термическим возбуждением при высокой температуре.

Биолюминесценция – это хемилюминесцентная реакция, в которой химическая энергия превращается в световую. В ходе реакции субстрат (люциферин) окисляется под действием фермента (люциферазы). Люциферины и люциферазы у разных организмов химически различаются, однако все хемилюминесцентные реакции требуют молекулярного кислорода и протекают с образованием промежуточных комплексов – органических пероксидных соединений. При распаде этих комплексов высвобождается энергия, возбуждающая молекулы вещества, ответственного за светоизлучение.

От энергии светового кванта (фотона) зависит частота испускаемого света (т.е. его цвет). Поскольку люциферины у животных разные, излучаемый свет варьирует от синего (у морских водорослей динофлагеллат) до зеленого (у медузы), желтого (у светляков) и красного (у личинки южно-американского жука Phrixothrix). Соответствующие этим цветам энергии фотонов составляют от 70 (для голубого света) до 40 (для красного) килокалорий (ккал) на 1 эйнштейн (6ґ10 23 фотонов). Такая энергия, высвобождаемая одноактно, значительно превышает энергию большинства биохимических реакций, в том числе распад высокоэнергетической молекулы аденозинтрифосфата (АТФ, 7 ккал).

Организмы, светоизлучение и биохимия.

Люминесценция встречается у эволюционно разнородных групп организмов, в том числе у некоторых бактерий, грибов, водорослей, кишечнополостных, червей, моллюсков, насекомых и даже рыб, но не наблюдается у более высокоорганизованных животных. Проявление и регуляторные механизмы люминесценции у этих организмов разнятся, как различны по характеру и фотофоры (структуры) и фотоциты (клеточные типы), ответственные за эти процессы. Существует 30 типов биолюминесцентных систем, из них детально изучены менее десяти. Пять таких типов описаны ниже.

Бактерии.

Люминесцентные бактерии обитают в морской воде и реже – на суше. Их легко вырастить в чашках с агаром. Такие бактерии бывают также симбионтами некоторых морских рыб и кальмаров, живущими в специальных световых органах. Часто они существуют как кишечные бактерии у многих морских видов, иногда как паразиты у ракообразных, как сапрофиты – на останках животных. Бактерии светятся голубым светом, испускаемым молекулой флавина. (Окисление альдегида и восстановление молекулы рибофлавинфосфата сопровождаются возбуждением флавина.) Там, где бактерии существуют как симбионты, свечение может регулироваться хозяином. См. также СИМБИОЗ.

Динофлагеллаты.

Динофлагеллаты – одноклеточные водоросли, со свечением которых связаны, например, фосфоресценция океана и знаменитые фосфоресцирующие пляжи Карибского побережья. Динофлагеллаты «вспыхивают» при появлении ряби на воде, например от лодки. Свет исходит из органелл (сцинтиллонов) – специализированных структур в цитоплазме. Органеллы «вклиниваются» в кислотную вакуоль и начинают светиться при изменении pH в момент возбуждения. Присутствующий в них люциферин является тетрапирролом, сходным с хлорофиллом; при катализе люциферазой он реагирует с кислородом, испуская голубое свечение. См. также КАТАЛИЗ; КЛЕТКА; ЦИТОЛОГИЯ.

Ракообразные.

Люминесценция может быть и внеклеточной. Ракообразные Vargula, обитающие в водах Японии, – типичный пример свечения такого типа. Эти животные выделяют раздельно (из разных желез) люциферин и люциферазу, и в воде в результате их взаимодействия возникает люминесценция. Во время Второй мировой войны японцы использовали сухих рачков как слабые источники света на позициях. Раздавливая нескольких таких рачков в руке и смачивая их слюной, они получали свечение, достаточное для чтения карт и донесений, но незаметное для противника. Высушенные рачки применялись также для получения люциферазы и люциферина в очищенном виде.

Кишечнополостные.

Многие медузы, такие, как Aequorea, светятся зелеными вспышками. В этом случае стимулятором является ион Ca ++ , реагирующий с люциферин-люциферазным пероксидным комплексом. Этот комплекс (фотобелок), известный как экворин, может быть выделен и очищен в бескальциевой среде. Экворин используется для анализа изменений внутриклеточной концентрации Ca ++ , например, при оплодотворении яйцеклетки или сокращении мышечных клеток. Люциферин у Aequorea подобен люциферину у Vargula.

Светляки.

Светляки излучают в основном желтый свет. Они живут на многих континентах, и часто их свечение можно наблюдать на больших пространствах полей и лесов в Северной Америке; с ним связаны и эффектные синхронные световые вспышки, известные в Юго-Восточной Азии. Свечение запускается нервным импульсом, однако природа запускающего процесс вещества пока неизвестна; полагают, что им может быть кислород. Люциферин у светляков – бензотиазол. Светоизлучение возникает при распаде циклического пероксида, синтез которого требует АТФ, люциферина и кислорода.

Использование люминесценции животными.

Функциональная роль биолюминесценции может быть разной, но в большинстве случаев она связана с такими аспектами поведения, как нападение, защита и коммуникация. Использование для коммуникации свойственно светлякам, у которых видоспецифические вспышки служат сигналами при ухаживании и спаривании. Vargula использует люминесценцию для отвлечения и отпугивания хищника. Подобным образом ведет себя и глубоководный осьминог. Частые короткие вспышки могут, видимо, отпугивать врагов, тогда как длительное и постоянное свечение – привлекать добычу. Глубоководная рыба морской черт имеет для этой последней цели сложное устройство: над его головой, как на рыболовной удочке, подвешен специальный орган, который светится постоянно, покачиваясь перед ртом. Вероятно, самая миниатюрная приманка – это небольшой фотофор, имеющийся во рту рыбы Neosopelus.

Практическое использование люминесценции.

Хемилюминесцентные системы (например, светящиеся палочки) иногда используются как источники света. Биолюминесцентные системы широко применяются для аналитических целей, в основном в клинической медицине и контроле за качеством пищевых продуктов, а также в научных исследованиях (измерение в клетке концентрации Ca ++ и АТФ). См. также БАКТЕРИИ.