Биолюминесценция

биолюминесценция – это процесс свечения живых организмов, хорошо видимый в темноте человеком и многоклеточными животными. Биолюминесцентный свет «холодный», т. е. его возникновение не связано с высокой температурой. Излучаемый свет чаще всего располагается в сине-зелёной части спектра.

 

Различают 2 вида биолюминесценции:

 

1)     Внутриклеточная – у биолюминесцирующего организма светящееся вещество локализовано в капсулах внутри цитоплазмы светящихся клеток.

2)     Секреторная  – смесь веществ извергается  из организма в виде покрывающей  его слизи или расплывается  вокруг него в воде.

Свечение организмов имеет  биохимические основы. Одним из способов биолюминесценции является процесс  взаимодействия сложного вещества люциферина с ферментом люциферазой. Слова «люциферин» и «люцифераза» являются терминами, называющими группы органических веществ различных организмов, использующиеся для биолюминесценции. Помимо люциферина и люциферазы, у разных групп организмов в реакцию вступают различные вещества, например, у светляков в реакцию вступают люциферин, люцифераза, магний и кислород.

Упрощённую схему реакции, протекающей в присутствии люциферина и люциферазы можно описать следующим образом: фермент люцифераза окисляет люциферин, и образуется окисленная форма люциферина с большим запасом энергии, а переход люциферина из окисленной формы в основную сопровождается испусканием кванта света.

Стоит отметить, что у  многоклеточных животных обычно излучает свет не всё тело, а только специальные  клетки (фотоциты), часто сгруппированные в особые органы свечения (фотофоры) различной степени сложности (т. е. некоторые фотофоры имеют линзы, отражатели и т. д.). Иногда фотофоры светятся непрерывно из-за обитающих в них симбиотических фотобактерий, но обычно свечение импульсное и контролируемое нервной системой.

 

Явление биолюминесценции широко распространено в природе, им обладают около 700 родов организмов. Светиться способны бактерии, одноклеточные эукариоты, грибы и подвижные многоклеточные животные различных типов – от кишечнополостных до рептилий (эндемик Тринидада – ящерица Proctoporus shrevei). Большинство из светящихся организмов глубоководные. Пресноводных организмов, способных к биолюминесценции очень мало (брюхоногий моллюск Latia neritoides из Новой Зеландии).

 

Биолюминесценция для  организмов может быть полезна для  достижения некоторых целей, например:

1)     отпугивание  врагов (медузы);

2)     привлечение  жертвы (ловчие щупальца сифонофоры);

3)     привлечение  особей противоположного пола (самки  светляков);

4)     маскировка  организма путём свечения его  брюшной плоскости, т. к. на  светлом фоне поверхности воды  организм становится трудно заметным (рыбы Leognathus equulus)

5)     распространение  и размножение организмов путём  привлечения организмов-распространителей  (опёнок).

Существует общий механизм биолюминесцентной реакции. В ней участвуют субстрат люциферин и фермент люцифераза. Люциферин окисляется О2 или его активными формами (АФК). Эта реакция катализируется ферментом люциферазой. В результате реакции окисления образуется продукт в электронно-возбужденном состоянии. Возбужденные электроны молекулы люциферина переходят из основного триплетного состояния в возбужденное синглетное, в результате чего разница энергий между этими уровнями высвобождается в виде квантов света.

Все светящиеся организмы  можно разделить на 2 группы в  зависимости от источника их свечения: те, которые светятся за счет симбиотических бактерий и самостоятельно светящиеся организмы. Так, например, с помощью  бактерий светятся кальмары, рыбы, каракатицы, ночесветки.

Рассмотрим особенности  механизма образования «живого  света» у бактерий и некоторых  других организмов. Для непрерывного испускания света бактериям необходима бактериальная люцифераза, алифатический альдегид в качестве люциферина, молекулярный кислород и восстановленный FMN (FMNH2). Свет испускается возбужденным окисленным FMN, образующимся в ходе реакции.

 

FMNH2 + O2 + RCOH = > FMN + H2O2 + RCOOH + hv

 

У медузы эквореи, гидроидных полипов Obelia longissima и O. geniculata, гребневиков, радиолярий, динофлагеллат и морских перьев рода Renilla свечение происходит в присутствии ионов Са2+. Светится комплекс люциферазы с перекисью люциферина. В момент присоединения кальция к люциферазе конформация этого белка изменяется так, что он утрачивает связь с перекисью люциферина. Перекись при этом теряет стабильность и превращается в оксид, попутно отделяя СО2 и испуская синий свет. Но свечение у эквореи зеленое. Оказалось, в светящихся клетках присутствует зеленый флуоресцирующий белок (GFP), который при облучении синим светом излучает зеленый.

У жуков-светляков светится брюшко. Оно состоит из трахей, клетки которых со всех сторон окружены фотоцитами. Митохондрии в них скапливаются вдоль края, ближайшего к стенкам трахеи. Вспышка света возникает тогда, когда концентрация оксида азота (NO) в клетках трахеи возрастает и NO диффундирует в митохондрии. На короткое время они перестают захватывать кислород, который идет на окисление люцифериладенилата, образующийся при связывании люциферина с АТФ.

В коже головоногого моллюска находятся небольшие твердые  тельца овальной формы. Передняя часть  его, смотрящая наружу, прозрачна («хрусталик»), а задняя, большая его часть  как бы завернута в черную оболочку из пигментных клеток. Под этой оболочкой  расположены серебристые клетки в несколько рядов. Они составляют средний слой светящегося органа моллюска. Свет, отражаясь от серебристых  клеток среднего слоя, проходит через  прозрачный конец тельца – «хрусталик»  и выходит наружу.

У грибов люциферин светится без люциферазы, реагируя с одной из активных форм кислорода – супероксидом.

Сегодня известны сотни видов  биолюминесцентных организмов, у которых приспособительное значение свечения различно, поэтому приведем лишь несколько примеров:

1.      Колонии  бактерий, высшие грибы и некоторые  другие организмы светятся непрерывно (статически). Такой свет привлекает  животных, что способствует попаданию  бактерий в нового хозяина  и распространению спор грибов.

2.      Большинство  биолюминесцентных организмов, включая медузу экворею, генерируют короткие (0,1 – 1,0 сек) световые вспышки в ответ на внешние раздражения. Эти вспышки чаще всего предназначаются для отпугивания и дезориентации хищников или быстро движущихся животных, способных механически повредить желеобразный светящийся организм при случайном столкновении.

3.      Биолюминесценция  используется для внутривидовой  коммуникации – как сигнал, привлекающий  особей другого пола (например, у  светляков).

4.      У некоторых  глубоководных рыб надо ртом  имеется подвижный отросток –  «удилище», а на нем – световая  приманка для жертвы. Насекомоядные личинки новозеландских комаров подсвечивают свою ловчую сеть для привлечения мелких насекомых.

5.      Рыбы Leognatbus equulus используют свечение своего тела для маскировки на светлом фоне.

Роль свечения в жизни  организмов разнообразна. Биолюминесценция – это одно из приспособлений, которыми богата живая природа, одно из средств в борьбе за существование.

Живое свечение, несмотря на 250-летнюю историю изучения, хранит еще немало загадок. Но даже если представить  себе, что все они будут разгаданы, светящиеся волны моря, огненный танец  мириад светлячков под пологом ночного  леса, кальмары и рыбы, проносящиеся в глубине, подобно огненным метеорам, все равно останутся одним  из самых таинственных и прекрасных явлений живой природы на Земле.

Рано или поздно на смену  «золотому свету» уличных фонарей  придёт природная флуоресценция: сотрудники Национального университета Чэнь Кун и Академии наук Тайваня научились имплантировать биосветодиоды в листья растений.

К тому же это позволит удалять  углекислый газ из воздуха круглые  сутки. Потому что светло!

Хлорофилл, фотосинтетический  пигмент, который придает листьям  их характерный зелёный цвет, известен своей способностью поглощать определённые длины волн света. Однако при неких обстоятельствах хлорофилл и сам может светиться: при воздействии света с длиной волны около 400 нм он становится красным.

Одна загвоздка: фиолетовый свет взять неоткуда, особенно ночью. Решением стали наночастицы золота. При коротких длинах волн, невидимых человеческому глазу, они возбуждаются и начинают светиться фиолетовым. Этот свет попадает на близлежащие молекулы хлорофилла и возбуждает их, в результате чего хлорофилл начинает производить красное сияние.

Пока учёным удалось показать работоспособность своей идеи только на водном растении Bacopa caroliniana. Над сухопутной флорой предстоит ещё немало потрудиться. Гораздо ближе к успеху студенты Кембриджского университета (Великобритания). Они решили взять за основу создания природы, которые и так уже светятся — правда, очень тускло. Им удалось получить генетически модифицированных светлячков и морскую бактерию Vibrio fischeri, в организме которых производство светящихся ферментов идёт стахановскими темпами. Часть генома, отвечающая за свечение, была затем пересажена кишечной палочке. Более того, студенты научились получать самые разные цвета. Итог: бактериальная колония размером с винную бутылку даёт достаточно света для чтения.

Главная проблема такого подхода  связана с тем, что он основан  на луциферинах. Эти вещества, излучив свет, превращаются в оксилуциферин. Кембриджские исследователи смогли так подобрать гены, чтобы организм мог вырабатывать ферменты для переработки последнего.

Учёные подсчитали, что  организмам потребуется всего 0,02% энергии, полученной в ходе фотосинтеза, для  создания конкуренции нынешнему  уличному освещению.

Результаты первого исследования опубликованы в журнале Nanoscale, а второго — представлены на Международном конкурсе генетически модифицированных машин, который проводится Массачусетским технологическим институтом (США).