Словосочетание «свечение моря» звучит как красивая поэтическая метафора, хотя на самом деле обозначает явление, которому уже много миллионов лет.
Что такое биолюминесценция и зачем она подводным жителям
Биолюминесценция — это способность организмов производить свет самостоятельно или с помощью симбионтов. Явление возникает из-за химических процессов в теле: чаще всего происходит окисление люциферина с присутствием фермента люциферазы. В результате высвобождается энергия в форме света. Люциферин и люцифераза — это общие названия для групп веществ, участвующих в возникновении биолюминесценции. Они могут различаться у разных видов, но обязательным элементом для производства света становится окислитель. Чаще всего в его роли выступает кислород, правда и здесь встречаются исключения. Иногда окислителем служит перекись водорода или другое вещество.
Процесс возникновения биолюминесценции у разных организмов проходит в разных отделах и частях тела. Так, у бактерий свечение зарождается в цитоплазме, у одноклеточных эукариотов — в органоидах, а у более развитых существ — в специальных органах: фотофорах. Фотофоры бывают разными. Некоторые, как у удильщиков, содержат симбионтов-бактерий, которые вырабатывают свет. У других многоклеточных за биолюминесценцию отвечают клетки фотоциты.
Возможность светиться чаще встречается у организмов, живущих в водных глубинах. В частности, биолюминесценцией обладают более 75% видов, обитающих на склонах и ложе Мирового океана, а также в толще воды. Известно, что способность светиться развивалась и менялась у таких организмов больше 40 раз, по некоторым оценкам, это число может доходить до 50. Если биолюминесценция так часто мутировала у подводных жителей, то это может означать, что она, во-первых, развивается легко и быстро, а во-вторых, важна для выживания. И правда, в тех частях океана, куда не доходят солнечные лучи, естественное свечение организмов становится единственным источником света.
Помимо этого, биолюминесценция может быть реакцией на механическое воздействие: проплывающий мимо корабль или человек провоцирует организмы на реакцию. Такое поведение морских существ мешало подводным лодкам при маскировке. Например, известен случай, когда во время Первой мировой войны британский корабль потопил немецкую подводную лодку у побережья Испании, после того как обнаружил ее «светящийся нимб» и проследил за субмариной.
Также биолюминесценция используется организмами как средство внутривидового общения. К примеру, свечение помогает рыбам в процессе размножения и при поиске партнеров. Встречается и котриллюминация — метод маскировки некоторых подводных жителей (креветок, кальмаров, рыб). Нижняя сторона организма в этом случае начинает производить свет, тем самым позволяя организму быть менее заметным при тусклом освещении сверху.
Кто и как изучал биолюминесценцию
Изучение биолюминесценции началось еще в Античности. Натурфилософ Плиний Старший заметил, что если смазать палку слизью медузы, то она будет светиться как факел. До XVII века высказывались только предположения о природе биолюминесценции, о странном морском свечении было распространено много суеверий.
Серьезное изучение явления обычно связывают с работами Роберта Бойля (1627–1691), англо-ирландского натурфилософа и физика. Бойль экспериментировал с гнилым деревом и светлячками, и оказалось, что для свечения организмов необходим кислород. Более основательным изучением биолюминесценции уже в XIX веке занялся французский фармаколог Рафаэль Дюбуа (1849–1929). Ему принадлежит открытие белка люциферина, участвующего в процессе возникновения света.
Огромное значение в этой области имеют работы японско-американского ученого, лауреата Нобелевской премии по химии Осаму Симомуры (1928–2018). В 1955 году он первым извлек белок люциферин из клеток остракод. Остракоды — это класс ракушковых, который японцы во время Второй мировой войны использовали, чтобы подсвечивать ими карты. Затем Симомура выделил из медузы Aequorea victoria белок экворин — разновидность люциферина, которая могла светиться без кислорода, но в присутствии ионов кальция. Самым же важным результатом деятельности Симомуры оказалось выделение зеленого флуоресцентного белка (ЗФБ), который участвует в создании свечения у медузы эквореи. Этот белок широко используется как маркер в молекулярной биологии. Как раз за эту работу Симомура вместе с коллегами Роджером Тсьеном и Мартином Чалфи и получил Нобелевку в 2008 году.
Приведем пять примеров удивительного явления биолюминесценции в Мировом океане.
Ночесветка
Явление, которое называют «свечением моря», или milky sea (англ.), вызывается динофитовыми водорослями, в частности ночесветкой Noctiluca scintillans . Это сравнительно небольшие организмы: диаметр одной ночесветки составляет всего около 0,5 мм. При большом скоплении водорослей можно наблюдать удивительное природное явление.
Главная функция биолюминесценции у этих небольших организмов — защитная. Используя естественное свечение, ночесветка отпугивает потенциального хищника рачка, привлекая более крупного хищника, например рыбу. Биолюминесценция также возникает у ночесветок как реакция на механическое воздействие, к примеру при проплывающем мимо человеке.
Удильщики
Отряд лучеперых рыб, которых еще называют морскими чертями, отличается не только причудливым внешним видом, но и наличием биолюминесценции, ведь удильщики обитают в глубинах Мирового океана.
За свечение у удильщиков отвечает иллиций — «удочка», в честь которой отряд и получил свое название. На конце этого особого выроста на голове рыбы находится эска — мешочек, внутри которого располагаются биолюминесцентные бактерии. Свечение «удочки» происходит именно за счет этих бактерий, потому что удильщики не могут производить свет самостоятельно.
Между двумя организмами сложились тесные взаимовыгодные отношения: рыбы поставляют питательные вещества для бактерий, а бактерии производят свет. Также ученые установили, что удильщики не рождаются с бактериями, а приобретают их в течение жизни.
Биолюминесценция у удильщиков, очевидно, помогает им приманивать добычу. У этих рыб хорошо развиты челюсти, они могут проглатывать добычу, в два раза превышающую их собственный размер. Но, что более интересно, свечение «морских чертей» помогает самцам визуально распознавать видовую принадлежность самки по строению эски или по частоте световых вспышек.
Половой диморфизм у удильщиков сильно выражен. У самцов нет иллиция, а также они слишком малы по сравнению с самками. После спаривания мужские особи и вовсе перестают быть самостоятельными организмами: они впиваются зубами в тело самки и паразитируют на ней. Кровотоки двух рыб связываются, пищеварительная система самца дегенерирует — он становится полностью зависим от женской особи, и его единственная функция теперь — давать биологический материал для размножения.
Глубоководные морские звезды
По уровню освещенности Мировой океан принято делить на три экологические зоны: эвфотическую, дисфотическую и афотическую. В последнюю совсем не попадают солнечные лучи, поэтому единственный источник света тут — биолюминесцентные организмы.
Именно в афотической зоне обитает вид глубоководных морских звезд Novodinia americana . Они испускают вспышки света: морская звезда использует биолюминесценцию для внутривидовой коммуникации. Ученые предполагают, что свечение помогает морской звезде в поисках партнера для спаривания. В этом процессе важную роль играет еще и обоняние, но определить источник запаха в море затруднительно. Это возможно только если самец или самка находятся выше по течению. Так что помогает биолюминесценция.
Однако у этого вида есть еще одна интересная особенность. Несмотря на то, что глубоководные рыбы и организмы чаще всего имеют либо уменьшенные, либо редуцированные глаза, Novodinia americana обладает превосходным зрением. Органы зрения этой морской звезды располагаются на концах лучей и развиты так же хорошо, как и у видов, живущих у поверхности воды. Хорошее зрение, наравне с обонянием и люминесценцией, помогает Novodinia americana в процессе размножения.
Медуза Aequorea victoria
Биолюминесценция этой медузы повлияла на отрасль науки, к которой она, на первый взгляд, совсем не имеет отношения — на молекулярную биологию. Свечение организма связано с двумя химическими веществами: люминесцентным белком экворином и ЗФБ — зеленым флуоресцентным белком. Стоит отметить разницу между люминесценцией и флуоресценцией. Первое — способность организмов излучать свет в темноте, а второе — способность организма поглощать свет на определенной длине волны и испускать на другой. В A. victoria взаимодействие экворина с ионами кальция приводит к голубому свечению белка. Этот голубой свет поглощает ЗФБ и излучает уже зеленый.
Выделением ЗФБ занимался упомянутый выше японо-американский ученый Осаму Симомура. Сегодня ЗФБ активно используют как маркер в молекулярной биологии, например, благодаря этому флуоресцентному белку можно наглядно наблюдать за процессами в клетке.
Но функция биолюминесценции у A. victoria ясна не до конца. Медузы не начинают светиться в темноте спонтанно и не светятся непрерывно, скорее всего их свечение вызвано механическими раздражением.
Миктофовые, или светящиеся анчоусы
Миктофовые — самое распространенное семейство глубоководных рыб. Они настолько часто встречаются в океане, что их скопления участвуют в образовании звукорассеивающего слоя: плавательные пузыри анчоусов отражают звук.
Несмотря на то что светящиеся анчоусы выглядят непримечательно, все представители этого семейства, кроме Taaningichthys paurolychnus , обладают способностью к биолюминесценции.
У миктофовых рыб есть фотофоры — органы, в которых вырабатывается свет. Например, у удильщиков таким фотофором стал иллиций — «удочка», а у семейства миктофовых фотофоры парные и располагаются на теле и голове рыбы. Количество органов может варьироваться в зависимости от вида или половой принадлежности рыбы. Биолюминесценцию у некоторых видов анчоусов могут проявлять также отдельные светящиеся железы.
Миктофовые издают желтый, синий или зеленый свет. Свечение необходимо им для внутривидовой коммуникации. Также биолюминесценция помогает анчоусам сбить с толку хищника, который решит на них напасть.
Фото: Getty Images, Wikimedia Commons
