Вселенная фильма «Аватар» запомнилась зрителям фантастическим миром планеты Пандора, где сама природа светится в темноте. Земля также полна светящихся растений, одноклеточных, грибов, животных — и все благодаря явлению биолюминесценции. Разберемся, зачем живым организмам сила света и как ученые используют ее при разработке новых технологий.
Человечество давно заметило явление биолюминесценции, но долгое время истории о «молочном океане» и «феях в лесу» считались байками моряков или поверьями крестьян. Однако наука доказала, что наша природа гораздо более светоносная, чем кажется обывателю: от светлячков в кронах деревьев и бактерий в почве до кораллов на морском дне.
Исследователи насчитали как минимум 94 независимых случая появления биолюминесценции в ходе эволюции животного мира. Считается, что первыми эту суперспособность приобрели предки восьмилучевых кораллов около 540 миллионов лет назад. К тому моменту позвоночные виды еще не вышли на сушу, но в океанах уже формировались организмы, способные воспринимать и излучать свет.
По сей день океаны остаются самыми «биолюминесцентными» экосистемами планеты: более 75% подводных обитателей умеют вырабатывать свет. Среди стрекающих — медуз, кораллов, актиний и гидр — этой способностью обладает более 97% видов. Биолюминесценция в море охватывает множество форм жизни.
В темноте океанских глубин свет становится важным инструментом взаимодействия с окружающей средой. Одни кораллы выделяют светящуюся слизь, другие реагируют на прикосновение волнами свечения, третьи даже способны менять цвет природной подсветки.
Например, ярко-рыжие морские анемоны Actinoscyphia aurelia при опасности выпускают облако светящейся слизи. Волны света, пробегающие по потревоженным отросткам, играют роль сигнализации, а прилипшая слизь точно сделает неуклюжего «преступника» легкой добычей.
Ученым также известно более полутора тысяч видов биолюминесцирующих рыб. Среди них крупнейшее в мире светящееся позвоночное — черная акула D. licha, вырастающая до полутора метров в длину. Сияющий живот помогает ей «исчезать» на фоне мерцающей поверхности воды. Иначе бы морские существа заранее замечали приближающийся сверху темный силуэт хищника.
Биолюминесценцией называют способность живых организмов вырабатывать свет за счет химических реакций. С ее помощью светлячки ищут партнеров, рыбы-удильщики привлекают добычу, грибы «призывают» переносчиков спор, а кальмары отпугивают хищников.
Чаще всего в процессе биолюминесценции участвует три компонента: люциферин, люцифераза и кислород.
Люциферины — молекулы, которые окисляются в присутствии специфичных для них ферментов — люцифераз. Иногда для люминесценции необходимы дополнительные вещества. Например, у светлячков реакцию активирует аденозинтрифосфат (АТФ) — универсальный источник энергии для процессов в клетках живых организмов.
При обычной реакции окисления лишняя энергия переходит в тепло, а в случае с люциферинами она превращается в свет! Кстати, похожие процессы происходят и в организме человека. Да, люди тоже светятся! Однако возникающее при этом излучение настолько незначительно, что его невозможно заметить невооруженным глазом.
Биолюминесценцию не стоит путать с биофлуоресценцией, при которой в организме присутствуют молекулы, реагирующие на внешнее облучение. Известный пример: скорпионы светятся сине-зеленым светом под ультрафиолетовыми лучами. Химические соединения в их экзоскелете поглощают невидимый людям ультрафиолет и тут же излучают его в видимом спектре. Такая способность есть у некоторых насекомых, пауков, рыб, черепах и других живых организмов.
Чем сложнее организм, тем изобретательнее он использует свет. Например, фонареглазые рыбы с помощью светящихся щек способны сбивать с толку хищников, а заодно общаться друг с другом и приманивать добычу. Примечательно, что они сами не производят вещества, необходимые для биолюминесценции, — эту задачу выполняют бактерии-симбионты. Маленькие помощники буквально колонизируют специальный орган, фотофор, который находится под глазами их хозяйки.
Еще один удивительный обитатель океанов — усатый дракон, или Malacosteus niger. В отличие от большинства глубоководных организмов, которые излучают синий или сине-зеленый свет, эти хищные рыбы создают красное свечение. Другие обитатели глубин не воспринимают красный свет, поэтому драконы могут освещать добычу, не привлекая ее внимания! Такая суперспособность нуждается в постоянной «подзарядке»: необходимые вещества поступают в организм хищника вместе с добычей — мелкими веслоногими рачками.
За пределами океана живой свет встречается реже, но выглядит не менее впечатляюще. Самые известные наземные «фонарики» — светлячки. У каждого вида этих насекомых есть свой световой язык, в котором могут существенно отличаться длительность, частота и ритм вспышек. С помощью такой световой «азбуки Морзе» они общаются, привлекают к себе партнеров и отпугивают хищников. Некоторые виды многоножек, улиток и личинки жуков фриксотрикс тоже светятся, чтобы сообщить потенциальным врагам о своей ядовитости.
Иные наземные обитатели используют биолюминесценцию для охоты. Так, личинки некоторых африканских жуков-щелкунов привлекают насекомых свечением, чтобы схватить добычу мощными челюстями и утащить в норку. У личинок новозеландских грибных комариков тактика иная: они спускают с потолка пещеры липкие нити, в которых запутываются мотыльки и бабочки, слетающиеся на их голубоватые огоньки.
Есть и грибы, светящиеся в темноте. Медовый опенок Armillaria mellea испускает мягкое зеленоватое свечение мицелия — из-за этого гниющая древесина может казаться подсвеченной изнутри. Американский Panellus stipticus дает слабый зеленый свет, а азиатский Mycena chlorophos заметен даже в густых сумерках. Предполагается, что грибам свечение помогает привлекать насекомых, распространяющих споры.
Биолюминесценция — не только зрелищное природное явление, но и вполне воспроизводимая химическая реакция. Ее можно запустить в лаборатории, смешав необходимые компоненты в пробирке. Так, экспериментируя с измельченными органами свечения жуков Pyrophorus, в конце 1880-х годов французский физиолог Рафаэль Дюбуа открыл люциферин и люциферазу. Его открытие стало отправной точкой научных исследований биолюминесценции и развития биологических технологий.
В 1970-х годах японско-американский биолог Осаму Симомура, работая с медузами Aequorea victoria, выделил белок экворин, связанный с их голубым свечением, а также сопутствующий зеленый флуоресцирующий белок (GFP). Он превращает голубое свечение в зеленоватое.
В 2008 году исследователь в составе группы ученых получил Нобелевскую премию по химии за открытие белка GFP и разработку новых методов исследований на его основе. Сегодня GFP используют как флуоресцентную метку: его прикрепляют к другим белкам и наблюдают за их работой в живых клетках.
Со временем «живой свет» из объекта исследований превратился в инструмент прикладной науки. Принцип биолюминесценции медики используют для запуска светозависимых реакций там, куда не проникает внешнее излучение: например, глубоко в тканях человека. Сначала лекарство доставляют в нужную область в светочувствительной «упаковке». Затем вводят компоненты, запускающие биолюминесцентную реакцию, которая высвобождает действующее соединение.
Помимо медицины, «светящиеся технологии» применяют в биодизайне. С их помощью создают растения, которые светятся, и даже животных с мерцающей шерстью. Несколько лет назад стартап Light Bio представил петунии со встроенными генами биолюминесцентных грибов. Пара таких неоново-зеленых кустиков — и квартира начинает напоминать мир «Аватара».
