Загадки на природата: Биолуминесценция

2024 Автор: Seth Attwood | [email protected]. Последно модифициран: 2023-12-16 15:58

Биолуминесценцията е способността на живите организми да светят със собствени протеини или с помощта на симбиотични бактерии.

Днес са известни около 800 вида светещи живи същества. Повечето от тях живеят в морето. Това са бактерии, едноклетъчни флагелатни водорасли, радиолярии, гъбички, планктонни и прикрепени кишечнополостни, сифонофори, морски пера, гребни, бодлокожи, червеи, мекотели, ракообразни, риби.

Някои от най-ярко светещите животни са пирозомите (огнени бръмбари). Сред сладководни биолуминесцентни видове са известни новозеландският коремоног мекотел Latia neritoides и редица бактерии. Сред земните организми светят някои видове гъби, земни червеи, охлюви, многоножки и насекоми.

На ниво микрокосмос, много слабо сияние, което можем да регистрираме само с помощта на високочувствителни фотометри, е страничен ефект от неутрализацията на реактивните кислородни видове от ензими, които са необходими, но токсични за клетките, които участват в процеса на окисление на глюкозата. Те също така доставят енергията, необходима за хемилуминесценция на различни фосфорни протеини.

Една от първите бактериални лампи - колба с култура от светещи бактерии - беше забавлена преди повече от сто години от холандския ботаник и микробиолог Мартин Бейеринк. През 1935 г. такива лампи дори осветяват голямата зала на Парижкия океанологически институт, а по време на войната съветският микробиолог А. А. Егорова използвала светещи бактерии за прозаични цели – за осветяване на лабораторията.

И можете да проведете подобен експеримент: поставете сурова риба или месо на топло място, изчакайте седмица-две и след това излезте през нощта (от наветрената страна!) И вижте какво ще се случи - вероятно е бактериите, които обитават обитателите на страната. хранителната среда ще свети с неземна светлина. Бактериите, главно от родовете Photobacterium и Vibrio, и многоклетъчните планктонни организми (на снимката) светят в морето, но основният източник на светлина е един от най-големите (до 3 мм!) И сложни едноклетъчни организми - флагелатни водорасли на нощта светлина.

При бактериите фосфорните протеини са разпръснати из клетката; при едноклетъчните еукариотни (с клетъчно ядро) организми те са разположени във везикули, заобиколени от мембрана в цитоплазмата. При многоклетъчните животни светлината обикновено се излъчва от специални клетки - фотоцити, често групирани в специални органи - фотофори.

Фотоцитите на кишечно-половите и други примитивни животни, както и фотофорите, които работят благодарение на симбиотични фотобактерии, светят непрекъснато или за няколко секунди след механична или химическа стимулация. При животни с повече или по-малко развита нервна система той контролира работата на фотоцитите, като ги включва и изключва в отговор на външни стимули или при промяна на вътрешната среда на тялото.

В допълнение към вътреклетъчния, при дълбоководни скариди, октоподи, сепии и калмари има секреторен тип сияние: смес от секреторни продукти на две различни жлези се изхвърля от мантията или изпод черупката и се разпространява в вода като блестящ облак, заслепяващ врага.

Друг класически пример за биолуминесценция е гниенето на дървесината. В тях свети не самото дърво, а мицелът на обикновената медоносна гъба.

И при по-високите гъби от рода Mycena, също растат на гниещо дърво, но в топли региони като Бразилия и Япония, плодните тела светят - това, което обикновено се нарича гъби (въпреки че плесените, дрожди и други гъби също са гъби, само по-ниски). Един от видовете от този род се нарича M. lux-coeli, "мицена - небесна светлина".

Най-забележителното приложение на биолуминесценцията е създаването на трансгенни растения и животни. Първата мишка с GFP ген, вмъкнат в хромозоми, е създадена през 1998 г.

Светещи протеини са необходими за разработване на техники за въвеждане на чужди гени в хромозомите на различни организми: ако свети, това означава, че методът работи, можете да го използвате, за да въведете целеви ген в генома. Първите светещи риби - трансгенната риба зебра (Brachydanio rerio) и японската оризова риба medaka (Orizias latipes) - бяха пуснати в продажба през 2003 г.

Светещо море

Тези, които имат късмета да плуват в морето през нощта по време на неговото сияние, ще запомнят тази омайна гледка за цял живот. Най-често причината за блясъка са флагелатните водорасли на нощната светлина (Noctiluca). В някои години броят им нараства толкова много, че цялото море свети. Ако нямате късмет и се окажете на брега на топли морета в неподходящ момент, опитайте да налеете морска вода в буркан и добавете малко захар там.

Ноктилистите ще реагират на това, като увеличат активността на протеина луциферин. Разклатете водата и се полюбувайте на синкавото сияние. И когато спрете да се възхищавате, можете да си спомните, че гледате към една от неразгаданите мистерии на природата: липсата на яснота на еволюционните механизми на появата на способността за светене в различни таксони беше отбелязана в отделна глава на " Произходът на видовете" от Дарвин и оттогава учените не са успели да хвърлят по този въпрос светлината на истината.

Луминесценцията би могла да се развие в организми, живеещи при добри условия на светлина, въз основа на пигментни съединения, които изпълняват функция за защита на светлината.

Но постепенното натрупване на черта - един фотон в секунда, два, десет - както за тях, така и за техните нощни и дълбоководни роднини не би могло да повлияе на естествения подбор: такова слабо сияние не се усеща дори от най-чувствителните очи, а появата на готови механизми на интензивно сияние на голо място също изглежда невъзможно. И дори функциите на сиянието при много видове остават неразбираеми.

Защо светят?

Светещите бактериални колонии и гъбички привличат насекоми, които разпространяват микроби, спори или мицел. Насекомоядни ларви на новозеландския комар Arachnocampa плетат мрежа за улавяне и я осветяват със собственото си тяло, привличайки насекоми.

Светлинните проблясъци могат да изплашат хищниците от медузи, желе от гребен и други безпомощни и нежни същества. Със същата цел коралите и други колониални животни, растящи в плитки води, светят в отговор на механична стимулация, а съседите им, които никой не е докосвал, също започват да трептят. Дълбоководните корали превръщат слабата светлина с къса вълна, достигаща до тях, в радиация с по-дълга дължина на вълната, вероятно за да позволят на симбиотичните водорасли, обитаващи тъканите им, да фотосинтезират.

Въдицата с крушка

Разредът на морските риби (Lophiiformes) е най-разнообразният (16 семейства, над 70 рода и над 225 вида) и може би най-интересният от дълбоководните риби. (Мнозина са запознати с морските риболовци не от учебника по зоология, а от анимационния филм „Търсенето на Немо“).

Женските риболовци са хищници с големи уста, мощни зъби и силно разтеглив стомах. Понякога на повърхността на морето се намират мъртви морски дядари, задавящи се с риба, повече от два пъти по-голяма: хищникът не може да я освободи поради структурата на зъбите си. Първият лъч на гръбната перка се трансформира в "въдицата" (illicium) със светещ "червей" (eska) в края. Това е жлеза, пълна със слуз, която съдържа биолуминесцентни бактерии. Поради разширяването на стените на артериите, които хранят еску с кръв, рибата може произволно да предизвика луминесценция на бактерии, които се нуждаят от кислород за това, или да го спрат, стеснявайки съдовете.

Обикновено сиянието се появява под формата на поредица от светкавици, индивидуални за всеки вид. Illicium при вида Ceratias holboelli е в състояние да се движи напред и да се прибира в специален канал на гърба. Примамвайки плячка, този риболовец постепенно придвижва светещата стръв към устата си, докато не погълне плячката. И Galatheathauma axeli има стръвта точно в устата.

Местоположението на люминофорите и дори естеството на мигането на светещите петна могат да послужат за комуникация – например за привличане на партньор. А женските на американската светулка Photuris versicolor, след чифтосване, започват да "отбиват морзовата азбука" на женски от друг вид, привличайки мъжките си не за любовни, а за гастрономически цели.

Край бреговете на Япония масови сватби се празнуват от умитохару (морски светулки) - малки, дълги 1-2 мм, ракообразни от рода Cypridina - и калмарите Watasenia scintellans. Телата на ватазения с дължина около 10 см, заедно с пипала, са осеяни с фотофорни перли и осветяват площ с диаметър 25-30 см - представете си как изглежда морето с цяло стадо от тези калмари!

При много дълбоководни главоноги тялото е изрисувано с шарка на многоцветни светлинни петна, а фотофорите са много сложни, като прожектор, светещ само в правилната посока с рефлектори и лещи (понякога двойни и цветни).

Много дълбоководни планктонни скариди имат способността да светят. На крайниците, отстрани и от коремната страна на тялото имат до 150 фотофора, понякога покрити с лещи. Разположението и броят на фотофорите за всеки вид е строго постоянен и в тъмнината на океанските дълбини помага на мъжките да намират женски и всички заедно - да се събират на ята.