Лампочка дьявола, или Откуда светлячки берут энергию
Биолюминесценцию используют многие живые существа — чтобы найти полового партнера или скрыться от врага. Энергию для свечения они получают из химической реакции, которая происходит у них в организме. О том, как изучение этого природного феномена привело к одному из самых масштабных прорывов в биологии, — в материала РИА Новости.
В глубине океана не так темно, как принято считать. Биологи обнаружили, что очень многие морские обитатели испускают холодный свет голубого или зеленого цвета. Это называется биолюминесценцией. Свечение возникает в организме в результате химической реакции окисления. Бактерии, черви, ракообразные, моллюски и даже рыбы широко применяют биолюминесценцию в качестве сигнальной системы или для маскировки.
Одноклеточные водоросли (динофлагелляты), живущие в поверхностном слое тропических морей, светятся, если их что-то потревожит. Вот почему вечером на Средиземном или Красном море волны, ударяясь о берег, сверкают.
Кальмар сепиолида, обитающий у Гавайских островов, сам не умеет светиться, поэтому вступает в симбиоз с бактериями Vibrio fischeri. Они селятся в особом органе. При приближении хищника моллюск окутывает себя облачком голубых бактерий. Излучение в этом диапазоне лучше всего распространяется в морской воде и напоминает мягкий лунный свет. Ведь сепиолиды — ночные животные.
Биолюминесценция много раз возникала в процессе эволюции у совершенно разных групп организмов. По всей видимости, это очень удобный механизм адаптации. А вот растения и более сложные, чем рыбы, животные не светятся.
Немножко химии
Чтобы светиться, в организме постоянно должно быть топливо. Им служит органическое соединение люциферин, которое окисляется при участии фермента люциферазы, молекул кислорода или перекиси водорода, то есть, по сути, сгорает. Но без выделения тепла. Энергия, образовавшаяся при окислении, выходит в виде фотонов — квантов электромагнитного излучения видимой части спектра.
Люциферин можно сравнить с лампочкой, а люциферазу — с электрическим током. Одной лампочки достаточно, чтобы осветить большое помещение, так же и сырья для биолюминесценции организму нужно предельно мало. Поэтому природный люциферин очень сложно выявить.
Плюс к тому его молекула совсем крошечная, состоит всего из нескольких десятков атомов. Требуется много биомассы, чтобы найти люциферин и расшифровать его структуру. Например, красноярским ученым Валентину Петушкову и Наталье Родионовой из Института биофизики Сибирского отделения РАН пришлось для своих исследований добыть сотни тысяч почвенных червей Fridericia heliota.
Кроме того, в биомассе сложно разделить люциферин и люциферазу. Все это тормозит изучение биолюминесценции: пока известна структура всего девяти люциферинов. Но в результате исследовательские и аналитические методы получили мощное развитие.
Грибы на обочине
Большинство люциферинов состоят из производных аминокислот, что понятно: этого материала в организме много, все ДНК и белки — из него. Несколько по-другому устроен люциферин почвенного сибирского червя, в расшифровке которого принимали участие ученые под руководством Ильи Ямпольского из Института биоорганической химии РАН имени академиков Шемякина и Овчинникова. Кроме того, реакция свечения у червя требует присутствия АТФ — главной энергетической молекулы клетки и ионов магния.
Люциферин высших грибов отличается всего на одну гидроксильную группу от гиспидина — вещества, образующегося и у несветящихся грибов в процессе вторичного метаболизма. Получается, что недостатка в компонентах для биолюминесценции нет. В случае необходимости хватит небольшой подстройки генома, чтобы ее запустить.
Зачем биолюминесценция грибам, кстати, объяснить непросто. Ведь образ жизни у них практически растительный, а растения не светятся, они и без этого неплохо устроились на Земле. Пока есть только одно предположение — грибы привлекают светом насекомых, которые разносят их биологический материал и таким образом способствуют размножению.
Эволюция-изобретатель
Головоногий моллюск под названием "адский вампир" живет на большой глубине. Считается, что свечением он отпугивает хищников. Самки цератиевидных рыб, тоже глубоководных, для охоты приспособили особый орган на голове — иллиций. Он похож на удочку (отсюда название — рыбы-удильщики) и населен светящимися бактериями.
Самкам обычных лесных светлячков биолюминесценция помогает найти половых партнеров. Самец видит зеленый фонарик издалека и летит к нему. Самки червей на Бермудских островах специально выползают на сушу, чтобы светиться и приманивать самцов.
Когда и кто в животном мире изобрел биолюминесценцию — неизвестно. Ясно только, что ее открывали снова и снова самые разные группы существ независимо друг от друга. Вероятно, это один из способов эволюционного приспособления к новым условиям.
Светятся клетки и травы
Ученые научились синтезировать люциферин и люциферазу, чтобы использовать их в качестве меток при работе с тканями и культурами клеток. Как и зеленый флуоресцентный белок, они позволяют легко проследить разные стадии развития клетки, заболевания. Это называют биоимиджингом и широко применяют биотехнологи, фармацевты, молекулярные биологи.
Определение генов, отвечающих за синтез люциферина и люциферазы, открыло совершенно новые возможности. Первый эксперимент с биолюминесценцией над млекопитающим провела в 1995 году группа Кристофера Контага (Christopher Contag) из Стэнфордского университета (США). Ученые внедрили ген, обеспечивающий свечение у бактерий, в другую бактерию — сальмонеллу. Микробов скормили мышам и по светящемуся следу наблюдали, как они движутся в организме.
В Институте Скриппса (США) ген биолюминесценции вставили в траву резуховидку, чтобы изучить смену ее состояний в течение дня, так называемые циркадные ритмы.
