Они живые и светятся

Я держал в сосуде с соленой водой большой пучок этих зоофитов…
Когда я натирал в темноте какую-нибудь часть ветки, то все животное
начинало сильно фосфоресцировать зеленым светом;
ничего красивее в этом роде я, кажется, и не видывал.
Чарльз Дарвин,
Путешествие на корабле «Бигль»

В настоящее время известно около 800 видов светящихся живых существ. Большинство из них обитают в море, чаще в глубоких водах. Это бактерии, одноклеточные жгутиконосные водоросли, радиолярии, грибы, планктонные и прикрепленные кишечнополостные, сифонофоры, морские перья, гребневики, иглокожие (офиуры, морские звёзды, голотурии и морские лилии), черви, моллюски, ракообразные, рыбы. Одни из наиболее ярко светящихся животных – пиросомы (огнетелки); способны светиться и другие оболочники – примитивные хордовые (сальпы, аппендикулярии). Из пресноводных биолюминесцентных видов известен только новозеландский брюхоногий моллюск Latia neritoides и несколько видов бактерий. Среди наземных организмов светятся отдельные виды грибов, земляных червей, улиток, многоножек и насекомых.

На уровне микромира очень слабое свечение, которое мы можем зарегистрировать только с помощью высокочувствительных фотометров, – это побочный эффект нейтрализации ферментами активных форм кислорода, необходимых, но токсичных для клеток участников процесса окисления глюкозы. Они же поставляют энергию, необходимую для хемилюминесценции, различным люминофорным белкам.

Одной из первых бактериальных ламп – колбой с культурой светящихся бактерий – еще 100 с лишним лет назад развлекал любомудров голландский ботаник и микробиолог Мартин Бейеринк. В 1935 году такими лампами даже осветили большой зал Парижского Океанологического института, а во время войны советский микробиолог А.А.Егорова использовала светящиеся бактерии в прозаических целях – для освещения лаборатории. И вы можете поставить похожий эксперимент: положите сырую рыбу или мясо в тёплое место, подождите неделю-другую, а потом ночью подойдите (с наветренной стороны!) и посмотрите, что получилось – вполне вероятно, что заселившие питательную среду бактерии будут светиться потусторонним светом.

У бактерий люминофорные белки рассеяны по всей клетке, у одноклеточных эукариотических (имеющих клеточное ядро) организмов они находятся в окруженных мембраной пузырьках в цитоплазме. У многоклеточных животных свет обычно излучают специальные клетки – фотоциты, часто сгруппированные в особые органы – фотофоры. Фотоциты кишечнополостных и других примитивных животных, как и фотофоры, работающие за счет симбиотических фотобактерий, светятся непрерывно или в течение нескольких секунд после механического или химического раздражения. У животных с более-менее развитой нервной системой она управляет работой фотоцитов, включая и выключая их в ответ на внешние раздражители или при изменении внутренней среды организма. Кроме внутриклеточного, у глубоководных креветок, осьминогов, каракатиц и кальмаров встречается свечение секреторного типа: смесь продуктов секреции двух разных желез выбрасывается из мантии или из-под панциря и расплывается в воде, как сияющее облако, ослепляя противника.

Другой классический пример биолюминесценции – древесные гнилушки. Светится в них не само дерево, а мицелий обыкновенного опенка. А у высших грибов рода Mycena, тоже растущих на гниющем дереве, но в теплых краях вроде Бразилии и Японии, светятся плодовые тела – то, что обычно называют грибами (хотя плесневые, дрожжевые и прочие грибки – это тоже грибы, только низшие). Один из видов этого рода называется M.lux-coeli, «мицена – свет небесный».

Те, кому повезло купаться в море ночью во время его свечения, на всю жизнь запомнят это феерическое зрелище. В море светятся и бактерии, в основном родов Photobacterium и Vibrio, и многоклеточные планктонные организмы, но главный источник света – это одни из наиболее крупных (до 3 мм!) и сложно устроенных одноклеточных организмов, жгутиконосные водоросли ночесветки (Noctiluca).

В отдельные годы, обычно осенью, их численность возрастает настолько, что светится всё море – там, где вода хоть немного двигается. Если вам не повезет и вы окажетесь на берегах теплых морей в неподходящее время, попробуйте налить морскую воду в банку и добавить туда немного сахара. Ноктилюки среагируют на это усилением активности белка люциферина. (Люцифериновый комплекс – самый распространенный из примерно 30 известных механизмов биолюминесценции.) Взболтайте воду и любуйтесь голубоватым свечением. А когда налюбуетесь, можете вспомнить о том, что смотрите на одну из нерешенных тайн природы: неясность эволюционных механизмов появления у самых разных таксонов способности светиться отметил в отдельной главе «Происхождения видов» еще Дарвин, и тех пор ученым так и не удалось пролить на этот вопрос свет истины.

Свечение могло развиться у организмов, живущих в условиях хорошей освещенности, на основе пигментных соединений, выполняющих светозащитную функцию. Но постепенное накопление признака – один фотон в секунду, потом два, потом десять – и у них, и у их ночных и глубоководных родственников не могло повлиять на естественный отбор: такое слабое свечение не ощущается даже самыми чувствительными глазами, а появление готовых механизмов интенсивного свечения на голом месте тоже выглядит невозможным. И даже функции свечения у многих видов остаются вовсе непонятными или гипотетическими.

Светящиеся колонии бактерий и грибы привлекают насекомых, которые распространяют микробов и споры или мицелий грибов. Насекомоядные личинки новозеландских комаров Arachnocampa плетут ловчую сеть и подсвечивают ее собственным телом, привлекая мелких насекомых. Световые вспышки могут отпугнуть от медузы, гребневика и других беспомощных и нежных созданий хищников или просто быстро движущихся животных. С той же целью растущие на мелководье кораллы и другие колониальные животные светятся в ответ на механическое раздражение, а их соседи, которых никто не трогал, тоже начинают мерцать. Глубоководные кораллы превращают доходящий до них слабый коротковолновой свет в излучение с большей длиной волны – возможно, для того, чтобы обеспечить возможность фотосинтеза обитающим в их тканях симбиотическим водорослям.

Расположение люминофоров и даже характер мигания светящихся пятен может служить для коммуникации – например, для привлечения партнера. А самки американского светлячка Photuris versicolor после спаривания начинают «отбивать морзянку» самок другого вида, привлекая его самцов не с амурными, а с гастрономическими целями. У берегов Японии массовые свадьбы празднуют умитохару (морские светлячки) – крошечные, 1-2 мм длиной, рачки рода Cypridina, и кальмары Watasenia scintellans (мерцающая). Тельце ватазении длиной около 10 см вместе со щупальцами усеяны жемчужинками-фотофорами и освещают зону диаметром 25-30 см – представьте себе, как выглядит море с целым косяком этих кальмаров!

У многих глубоководных головоногих тело разрисовано узором из разноцветных световых пятен, а фотофоры устроены очень сложно, наподобие светящего только в нужном направлении прожектора с отражателями и линзами (иногда двойными и окрашенными).

Многие глубоководные планктонные креветки обладают способностью к свечению. На конечностях, вдоль боков и на брюшной стороне тела у них располагается до 150 фотофоров, иногда прикрытых линзами. Расположение и число фотофоров для каждого вида строго постоянно и в темноте океанских глубин помогает самцам находить самок и всем вместе – собираться в стаи. У некоторых видов креветок светятся органы Песта – участки печени, хорошо видные через тонкий полупрозрачный панцирь. Некоторые креветки, в основном из рода Systellaspis, выбрасывают струю светящейся жидкости и при помощи «огневой завесы» скрываются от врагов.

С морскими удильщиками многие знакомы с не по учебнику зоологии, а по мультфильму «В поисках Немо». Отряд удильщикообразных (Lophiiformes) – самые разнообразные (16 семейств, свыше 70 родов и свыше 225 видов) и, пожалуй, самые интересные из глубоководных рыб.

Самки удильщиков – хищники с большим ртом, мощными зубами и сильно растягивающимся желудком. Иногда на поверхности моря находят мёртвых удильщиков, подавившихся рыбой, превышающей их по размерам более чем в два раза: выпустить ее хищник не может из-за строения своих зубов. Первый луч спинного плавника у них превращен в «удочку» (иллиций) со светящимся «червячком» (эской) на конце. Она представляет собой железу, заполненную слизью, в которой заключены биолюминесцентные бактерии. Благодаря расширению стенок артерий, питающих эску кровью, рыба может произвольно вызывать свечение бактерий, нуждающихся для этого в притоке кислорода, или прекращать его, сужая сосуды. Обычно свечение происходит в виде серии вспышек, индивидуальных для каждого вида. Иллиций у вида Ceratias holboelli способен выдвигаться и втягиваться в специальный канал на спине. Подманивая добычу, этот удильщик постепенно придвигает светящуюся приманку ко рту, пока не заглатывает жертву. А у Galatheathauma axeli приманка расположена прямо во рту.

Кроме причудливых форм и орудий охоты, для удильщиков характерны необычные отношения между полами. Самые крупные самки (Ceratias holboelli) вырастают до 1,2 м; длина самцов у разных видов – всего 1,5-4,5 см. В юности они обладают хорошо развитыми глазами и крупными обонятельными органами. Это позволяет им в неподвижной воде больших глубин отыскивать невест по запаху феромонов. Приблизившись к самке, самец распознает её видовую принадлежность по строению эски или по цвету и частоте вспышек. Затем самец острыми зубами прицепляется к боку супруги, срастается с ней губами и языком, а его челюсти, зубы, глаза и кишечник редуцируются, так что в конце концов он превращается в отросток, вырабатывающий сперму. Питается самец за счёт крови самки: их кровеносные сосуды тоже срастаются. На одной самке может одновременно паразитировать до трех самцов.

У более высокоорганизованных, чем рыбы, позвоночных, биолюминесценция не встречается (слухи о светящихся пятнах на боках тринидадской ящерицы не подтвердились). Только Homo sapiens научился пользоваться этим явлением, и то совсем недавно. В начале 1960-х американские ученые Джонсон и Шимомура выделили из медузы Aequorea victoria первый люминенсцентный белок – экворин. С его помощью было сделано множество открытий, прежде всего – в электрофизиологии: экворин светится в присутствии ионов кальция, играющего основную роль в формировании потенциалов действия мышечных клеток и нервных импульсов. Введение в клетки индикатора концентрации кальция помогло проследить механизмы их деятельности.

Из той же A.victoria в 1992 г. выделили и клонировали ген зеленого флуоресцентного белка (green fluorescent protein, GFP). Соединяя ген GFP в единый блок с другими генами, можно сделать видимыми в люминесцентный микроскоп места синтеза белков, закодированных в этих генах, проследить рост патогенных бактерий и раковых клеток, наблюдать за размножением вирусов.

Для многих исследований недостаточно метки только одного цвета, и вскоре из морского коралла рода Discosoma выделили ген, кодирующий красный флуоресцентный белок (red fluorescent protein, RFP).

Зеленый и красный флуоресцентные белки – молекулы с очень сложной структурой, способной поглощать ультрафиолетовые или синие фотоны и передавать их энергию на спрятанную внутри флуорофорную часть, которая испускает фотоны с большей длиной волны.

КПД такой системы поразительно высок: только 20% поглощенной световой энергии переходит в тепло, а остальные 80% преобразуются в видимый свет.

Сейчас известно несколько десятков природных и модифицированных генов, белки которых флуоресцируют во всех участках видимого спектра, от сине-зеленого до рубиново-красного. Но чаще всего ученые используют самые изученные из них, GFP и RFP, – и в самых разных биологических исследованиях, и в генной инженерии.

Самое яркое и интересное неспециалистам применение биолюминесценции – создание трансгенных растений и животных. Первую мышь с геном GFP, внедренным в хромосомы, создали в 1998 г. Но свечение здесь чаще всего не главное. Светящиеся белки нужны для отработки методик внедрения чужих генов в хромосомы самых разных организмов: светится – значит, метод работает, можно использовать его для введения в геном целевого гена. Для контроля успешности эксперимента вирус, бактериальную плазмиду или генную пушку заряжают конструкцией из трех генов: GFP – целевой ген – RFP, и отбирают для дальнейшей работы организмы, светящиеся и зеленым, и красным: в этом случае ген, несущий нужный ученым признак, наверняка попал в хромосому.

Еще в 2000 г. в Орегонском университете (Портленд, штат Орегон, США) родилась первая и пока единственная GFP-обезьянка Энди (ANDi, прочитанная наоборот аббревиатура «inserted DNA» – «вставленная ДНК»). После обработки 224 яйцеклеток вирусным вектором делиться начали 40, а до родов дотянули только пять зародышей. Две обезьянки родились мертвыми, а светящейся оказалась только одна из выживших. Но при клонировании и создании трансгенных животных такие (не изменившиеся со времен незабвенной Долли) результаты можно считать неплохими.

В мае 2001 г. тайваньский ученый доктор Гун (Zhiyuan Gong) представил на всеобщее обозрение плоды своих трудов – три цветные формы данио рерио, красную, оранжевую и зеленую (оранжевая, а также желтая получаются при одновременном синтезе в мышечной ткани белков GFP и RFP).

Первые светящиеся рыбки – трансгенные данио (Brachydanio rerio) и японская рисовая рыбка медака (Orizias latipes) – появились в продаже в 2003 г., сначала на Тайване и в других азиатских странах, а затем – в США.

Официальные производители этих рыб, тайваньская корпорация Taikong (рыбки с непоэтичными названиями ТК-1, ТК-2 и ТК-3) и американская компания Yorktown Technologies (GloFish), поставляют на рынок только стерилизованных рыб – не столько для того, чтобы успокоить защитников окружающей среды, сколько пытаясь сохранить монополию.

Это сдерживает темпы производства, но спрос рождает предложение, а слухи о том, что все поступающие в продажу трансгенные рыбы бесплодны, не подтвердились. Так что в российских и украинских зоомагазинах эти рыбки – не такая уж и редкость.

Перечислить всё, что за какие-то десять лет наделали генные светотехники, просто невозможно. Только за последние несколько месяцев ученые разных стран сообщили о рождении светящихся красным светом лягушек (август 2007) и котят (декабрь 2007). Зелеными свиньями уже никого не удивишь, но только что (январь 2008) родились GFP-поросята второго поколения, дети трансгенной свиньи и простого китайского хряка. Может быть, пока этот номер журнала готовится к печати, мы узнаем об очередном живом и светящемся чуде.

Александр Чубенко,
портал «Вечная молодость» www.vechnayamolodost.ru

Сокращенный, зато иллюстрированный люминесцентными картинками вариант статьи опубликован в журнале «Популярная механика» № 4-2008.