Создание света, создания тьмы. Как и зачем некоторые организмы светятся?

Ею стала черная акула, живущая в той части океана, где ночь меняется не днем, а тусклыми сумерками. В таких условиях умение самому создавать свет помогает выживать. Но насколько уникальна эта рыба? Кто еще и как умеет светиться в темноте? Мы решили узнать об этом больше и поделиться с вами. В наших краях самыми известными организмами являются насекомые светлячки, но даже их не каждый видел собственными глазами. Не зря же такими часто изображают различные формы инопланетного или сказочной жизни в художественных фильмах.

Между тем, люди науки выяснили, что на самом деле светиться может немалое количество организмов на Земле. Исследователи доказали что такая необычная форма присутствует у представителей почти всех основных типов животных, некоторых растений, грибов, бактерий и простейших. Можно сказать, что это явление повсеместное. И даже привычные нам волнистые попугайчики при некоторых условиях светятся загадочным сине-желтым цветом.

Но больше всего существ, способных к свечению все же населяют глубины морей и океанов. Первыми по мнению ученых могут быть гребневики, чьими гребнями передвигаются разноцветные вспышки. И, как известно, даже некоторые акулы светятся. Во время одного из исследований группа американских морских биологов в течение 17 лет наблюдала за жизнью в море — как на поверхности, так и на глубине до четырех километров. За это время исследователи провели более 350 000 видеообсерваций по различным организмам. Они пришли к поразительному выводу — около 76 процентов всех морских животных, которые видели в течение этих лет, способны производить свет. Это означает, что свечение вовсе не уникальное явление, а одна из самых распространенных свойств у животных, которая должна иметь большое значение для их выживания. Результаты другой группы ученых тоже на это указывают. Их генетический анализ показал, что способность светиться в темноте в процессе эволюции возникала 27 раз у лучеперовых рыб, к которым относится большинство видов всех современных рыб. И около 40 раз умение осветить темноту есть у различных форм жизни вообще.

Стоит отметить, что механизмы свечения у всех организмов не одинаковы. Их можно разделить на два типа — биофлуоресценция и биолюминесценция. Эти два непростых в написании слова похожи на волшебные заклинания из какого -то фэнтези вроде истории о Гарри Поттере. Но они всего лишь обозначают два механизма, отвечающие за свечение в живых организмов.

Биофлуоресценция может происходить только в присутствии определенного освещения, поскольку существо, обладающее таким свойством, не производит свет само. Зато поверхность таких организмов поглощает часть коротких световых волн и отражает длинные волны света, обычно видимого спектра. Этот процесс, собственно, и называется флуоресценцией. Наземные организмы поглощают ультрафиолетовый свет, что является солнечным излучением, и отражают различные красные, зеленые и синие цвета. В водной среде количество ультрафиолета уменьшается с ростом глубины, однако синий свет проникает дальше. Поэтому морские существа флуоресцируют, поглощая синее или фиолетовый свет, а отражают голубое, зеленое, желтое или красное взамен.

За способность флуоресцировать отвечают разные вещества, например белки, пигменты, минералы. Листья растений флуоресцируют синим, зеленым и красным цветом в ультрафиолетовом свете благодаря наличию пигмента хлорофилла. Их лепестки при таком освещения могут становиться ярко синими, зелеными, красными из-за присутствия пигментов беталаинив и флавоноидов.

Попугаи, о которых упоминалось ранее, также относятся к группе организмов с флуоресценцией. Их перья содержат уникальные для попугаев пигменты пситтакофульвины, которые окрашивают птиц в красные, оранжевые и желтые цвета. Волнистые попугайчики (Melopsittacus undulatus), например, окрашиваются в желтый цвет и цвет индиго.

А благодаря морским животным был открыт первый флуоресцентный белок, который нашел применение в биомедицинских исследованиях .Его нашли при изучении медузы Aequorea victoria. Подобные GFP белки имеют также большинство кораллов, благодаря чему они могут приобретать разнообразные цвета. Примерно это же касается амфибий — ученые пришли к выводу, что явление флуоресценции свойственно практически всем земноводным.

В последние годы ученые стали обращать внимание также на флуоресценцию млекопитающих. Сначала свечение меха в ультрафиолетовом свете заметили в американских опоссумов (Didelphidae) и белок-летяги (Glaucomys). В прошлом году исследователи стали светить ультрафиолетом на австралийских животных и пришли к выводу, что даже утконосы (Ornithorhyncus anatinus) при таком освещения приобретают приятный зелено-голубого цвета. А в этом году в список присоединили четвертого млекопитающего — животных из семейства довгоногових (Pedetidae).

В отличие от флуоресценции, биолюминесценция заключается в том, что организм может самостоятельно вырабатывать свет благодаря специфическим химическим реакциям в его клетках. Это означает, что он действительно светится даже в самых кромешной тьме. Именно к биолюминесценции способны более трех четвертей морских животных, о чем упоминалось в начале текста.

Зачастую, чтобы определенная существо засветилась в ее организме должно произойти взаимодействие по крайней мере трех химических соединений: пигмента люциферин, кислорода, фермента люциферазы. Собственно, свечение происходит тогда, когда люциферазы приводит к реакции люциферин и кислорода. Из-за этого возникает нестабильная соединение, которое выпускает фотоны света, покидая клетку. У некоторых видов необходимым компонентом является также молекула аденозинтрифосфата (АТФ).

Среди растений пока не нашли способности к биолюминесценции. Однако она встречается, например, среди грибов, которые ночью светятся ярко-зеленым цветом. Это явление свойственно около ста видам грибов живущих в умеренных и тропических климатических регионах Земли. И все они светятся благодаря одинаковому биохимическому меху Биолюминесценция свойственна также некоторым бактериям и простейшим, например, динофлагеллят. Последние являются планктонными морскими организмами, чья биолюминесценция регулируется суточными ритмами. Их свечение начинается только ночью и преимущественно как реакция на механический раздражитель. Им может быть морская волна или столкновения с рыбой, кораблем или иным препятствием.

У многих морских животных есть специальные органы, ответственные за выработку света. Они называются фотофорами и широко распространены у головоногих и рыб, по телу которых разбросаны маленькие пятнышки. Они представляют собой углубления в коже животных и состоят в основном из таких клеток — хроматофоров, отражающих свет; фотоцитив, продуцирующих свет; прозрачных клеток на поверхности фотофоры, пропускающих свет. Именно благодаря таким органам производят свет глубоководные акулы, крупнейшие из позвоночных животных, способных к биолюминесценции — черные акулы (Dalatias licha).

Но иногда морские животные имеют люминесценции, которая на самом деле не является их заслугой. В таком случае в их органах свечения содержатся не фотоциты, а симбиотические организмы, способные к биолюминесценции. Это справедливо для рыб-удильщиков (Lophiiformes), в которых передний луч спинного плавника превратился в подобие удочки, которой они привлекают меньших рыбок. Их фотофоры заполнены слизью, в котором живут БИОЛЮМИНЕСЦЕНТНЫЕ бактерии

Ярко окрашенные флуоресцентные или такие, что сами создают свет, организмы выглядят удивительно. Но что дает такое свойство, кроме красоты? Этот вопрос заставляет почесать голову не одного ученого.

Для светлячков важный аспект в коммуникации, в частности, поиск партнера для спаривания. И даже если для человеческого глаза случаи биофлуоресценции в природе часто незаметны, ученые знают, что у многих животных зрение лучше нашего. Поэтому окраска может влиять на поведение животных и размножения. Например, в тех же волнистых попугайчиков самцов и самки в ультрафиолетовом свете окрашенные по-разному. И, похоже, для них это тоже имеет значение при выборе пары.

Более-менее понятны и причины флуоресценции и биолюминесценции у морских животных. Свет играет важную роль в жизни различных морских группировок, позволяя особям так же коммуницировать друг с другом, находить партнеров для размножения и еще искать добычу .

Но так же, как бы ни странно это звучало, такие приспособления могут служить еще и камуфляжем. В океаническом и морской среде это особенно актуально, поскольку там некуда прятаться. И если посмотреть на морских животных снизу, то на фоне более освещенных поверхностных вод их темные силуэты выдают их хищникам. Но когда они приобретают синий цвет, особенно с нижней стороны тела, то сливаясь с окружающей средой становятся менее заметными. Поэтому в биолюминесцентных акул, как и многих других таких рыб, в основном светится нижняя часть тела.

В кораллов, которые могут флуоресцировать самыми разнообразными цветами, это приспособление может выполнять сразу несколько функций, хотя ученые все еще не пришли к согласию в этом вопросе. Одни считают, что флуоресценция служит для поддержания жизнедеятельности симбиотических динофлагелляты, которым для фотосинтеза необходим свет. В темной глубине моря флуоресценция может покрывать его недостаток, а в ярко освещенных прибрежных водах, наоборот, флуорофор могут поглощать избыточное ультрафиолетовое излучение, которое может быть губительным для симбионтов. Другие исследователи склоняются к мнению, что флуоресценция может иметь значение, учитывая то, как другие водные жители, особенно, рыбы, видят коралловые рифы.

Флуоресценция цветочных растений может привлекать насекомых и способствовать лучшему их опылению, предполагают некоторые ученые. Впрочем, этот эффект можно использовать и по-другому. Хищные растения, кажется, существенно успешнее охотятся на членистоногих, когда ученые не маскируют их синюю флуоресценцию. Хотя со свечением грибов тоже не все однозначно, одна из гипотез говорит, что оно так же привлекает насекомых и других организмов, которые питаются грибами. Хотя сам гриб при этом повреждается, его пожиратели распространяют грибные споры.

Следовательно, есть огромное количество растений, животных и других организмов, о которых невозможно упомянуть в одном тексте, манипулирующих светом для своих нужд. Однако, по крайней мере в случае с флуоресценцией, свечение не всегда имеет практическое применение. Иногда оно является лишь побочным продуктом других важных процессов в организме и не имеет практического применения. Разве что это просто красиво.

Перевод материала nauka.ua