Біологія
Біологія

Створіння світла, створіння темряви. Як і навіщо деякі організми світяться?

Нещодавно ми писали новину про те, як вчені описали найбільшу хребетну тварину з дотепер відомих, що здатна світитися в темряві. Нею стала чорна акула, яка живе в тій частині океану, де ніч змінюється не днем, а тьмяними сутінками. У таких умовах вміння самому створювати світло допомагає виживати. Але наскільки унікальною є ця риба? Хто ще і як вміє світитися у темноті? Ми вирішили дізнатися про це більше та поділитися з вами.

Планктонна поліхета Tomopteris. Steven Haddock / Monterey Bay Aquarium Research Institute

Планктонна поліхета Tomopteris. Steven Haddock / Monterey Bay Aquarium Research Institute

Рідкість чи звичайна річ

То наскільки поширеними є істоти, здатні до світіння? Ну, якщо проаналізувати, що ми бачимо зазвичай, перебуваючи на природі, то можна відмітити, що таке явище є доволі екзотичним. У наших краях найвідомішими такими організмами є комахи світляки, але навіть їх не кожен бачив на власні очі. Не дарма ж такими часто зображують різні форми інопланетного чи казкового життя у художніх фільмах.

Між тим, люди науки з'ясували, що насправді світитися може чимала кількість організмів і на Землі теж. Дослідники вже показали, що така незвичайна для нас властивість присутня у представників майже всіх основних типів тварин, деяких рослин, грибів, бактерій та найпростіших. Можна сказати, що це явище повсюдне. Та навіть звичайні нам хвилясті папужки за деяких умов світяться загадковим синьо-жовтим кольором.

Але найбільше істот, здатних до світіння все ж населяють глибини морів та океанів. Найпершими на думку можуть прийти реброплави, чиїми гребенями пересуваються різнокольорові спалахи. І, як вже відомо, навіть деякі акули світяться. Або навіть не деякі.

Флуоресцентні корали. Jörg Wiedenmann / Smithsonian Magazine

Флуоресцентні корали. Jörg Wiedenmann / Smithsonian Magazine

Під час одного з досліджень група американських морських біологів протягом 17 років спостерігала за життям у морі — як на його поверхні, так і на глибині аж до чотирьох кілометрів. За цей час дослідники провели понад 350 тисяч відеообсервацій за різноманітними організмами. Вони дійшли вражаючого висновку — близько 76 відсотків усіх морських тварин, що їх бачили протягом цих років, здатні виробляти світло. Це означає, що світіння зовсім не унікальне явище, а одна з найпоширеніших властивостей у тварин, яка повинна мати велике значення для їхнього виживання. Результати іншої групи науковців теж на це вказують. Їхній генетичний аналіз показав, що здатність світитися в темряві в процесі еволюції незалежно виникала принаймні 27 разів у самих лише променеперих риб, до яких належить більшість видів усіх сучасних риб. І близько 40 разів вміння освітити пітьму розвивалося у різних форм життя взагалі.

Але варто зазначити, що механізми світіння у всіх організмів не однакові. Їх можна розділити на два типи — біофлуоресценція та біолюмінесценція. Ці два непрості у написанні слова схожі на чарівні закляття з якогось фентезі на кшталт історії про Гаррі Поттера. Але вони всього лише позначають два механізми, що відповідають за світіння у живих організмів.

Не те щоб світіння

Біофлуоресценція може відбуватися лише в присутності певного освітлення, оскільки істота, що володіє такою властивістю, не виробляє світло сама. Натомість поверхня таких організмів поглинає частину коротких світлових хвиль та відбиває довші хвилі світла, зазвичай видимого спектра. Цей процес, власне, й зветься флуоресценцією. І саме це відбиття нами сприймається за світіння, чим насправді не є.

Наземні організми поглинають ультрафіолетове світло, що є сонячним випромінюванням, та відбивають різноманітні червоні, зелені та сині кольори. У водному середовищі кількість ультрафіолету зменшується зі зростанням глибини, проте синє світло проникає далі. Тому морські істоти флуоресціюють, поглинаючи синє або фіолетове світло, а відбивають блакитне, зелене, жовте чи червоне натомість.

За здатність флуоресціювати можуть відповідати різні речовини, як-от білки, пігменти, мінерали. Листки рослин флуоресціюють синім, зеленим та червоним кольором в ультрафіолетовому світлі завдяки наявності пігменту хлорофілу. Їхні пелюстки за такого освітлення можуть ставати яскраво синіми, зеленими, червоними через присутність пігментів беталаїнів та флавоноїдів.

Квітка королиці під ультрафіолетовим світлом. Craig Burrows

Квітка королиці під ультрафіолетовим світлом. Craig Burrows

Папуги, про яких згадувалося раніше, як можна здогадатися, теж належать до групи організмів із флуоресценцією. Їхнє пір'я містить унікальні для папуг пігменти пситтакофульвіни, які забарвлюють птахів у червоні, оранжеві та жовті кольори. Вважають, що під впливом ультрафіолетового світла ці сполуки їхнє забарвлення. Хвилясті папужки (Melopsittacus undulatus), наприклад, забарвлюються у жовтий колір та колір індиго.

А завдяки морським тваринам був відкритий перший флуоресцентний білок, який знайшов застосування у біомедичних дослідженнях як мітка для забарвлення потрібних білків усередині живих клітин — зелений флуоресцентний білок (GFP). Його знайшли при вивченні медузи Aequorea victoria. При збудженні сполуки синім світлом або ультрафіолетовим вона проявляється яскраво-зеленим кольором. Подібні до GFP білки мають також більшість коралів, завдяки чому вони можуть набувати різноманітних кольорів. Приблизно це ж стосується амфібій — вчені дійшли висновку, що явище флуоресценції властиве практично усім земноводним.

Флуоресценція земноводних. Jennifer Lamb & Matthew Davis / Nature Scientific Reports, 2020

Флуоресценція земноводних. Jennifer Lamb & Matthew Davis / Nature Scientific Reports, 2020

Останніми роками вчені стали звертати увагу також на флуоресценцію ссавців. Спочатку світіння хутра в ультрафіолетовому світлі помітили в американських опосумів (Didelphidae) та білок-літяг (Glaucomys). Минулого року дослідники стали світити ультрафіолетом на австралійських тварин та дійшли висновку, що навіть качкодзьоби (Ornithorhyncus anatinus) за такого освітлення набувають приємного зелено-блакитного кольору. А цьогоріч до списку приєднали четвертого ссавця — тварин з родини довгоногових (Pedetidae).

Справжнє сяйво

На відміну від флуоресценції, біолюмінесценція полягає у тому, що організм може самостійно виробляти світло завдяки специфічним хімічним реакціям у його клітинах. Це означає, що він насправді світиться навіть у найбільш кромішній пітьмі. Саме до біолюмінесценції здатні понад три чверті морських тварин, про що згадувалося на початку тексту.

Медуза Atolla під час біолюмінесценції (зліва) та без. NOAA

Медуза Atolla під час біолюмінесценції (зліва) та без. NOAA

Найчастіше, щоб певна істота засвітилася, в її організмі має відбутися взаємодія принаймні трьох хімічних сполук: пігменту люциферину, кисню, ферменту люциферази. Власне, світіння відбувається тоді, коли люцифераза призводить до реакції люциферину та кисню. Через це виникає нестабільна сполука, яка випускає фотони світла, що покидають клітину. У деяких видів для уможливлення такої реакції необхідним компонентом є також молекула аденозинтрифосфату (АТФ). При цьому люциферинів, як і люцифераз, існує велика кількість типів, а ще більше — їхніх комбінацій. Тож, навіть якщо загальний принцип біолюмінесценції один, самі хімічні механізми її виникнення відрізняються у різних видів організмів.

Серед рослин наразі не виявляли здатності до біолюмінесценції. Однак вона зустрічається, наприклад, серед грибів, які вночі світяться яскравим зеленим кольором. Це явище властиве близько ста видам грибів порядку Агарикальних, що живуть у помірних та тропічних кліматичних регіонах Землі. І всі вони світяться завдяки однаковому біохімічному механізму, що наводить на думку про раннє еволюційне виникнення біолюмінесценції у цих грибів.

Біолюмінесценція властива також деяким бактеріям та найпростішим, приміром, динофлагеллятам. Останні є планктонними морськими організмами, чия біолюмінесценція регулюється добовими ритмами. Їхнє світіння починається лише вночі й переважно як реакція на механічний подразник. Ним може бути морська хвиля або зіткнення з рибою, кораблем чи іншою перешкодою. Тоді вода з цими найпростішими ненадовго світиться яскравим блакитним кольором.

Дельфіни своїми рухами спонукають воду з динофлагелятами світитися. BBC Earth

Дельфіни своїми рухами спонукають воду з динофлагелятами світитися. BBC Earth

У багатьох морських тварин є спеціальні органи, відповідальні за продукування світла. Вони називаються фотофорами й широко поширені у головоногих та риб, по тілу яких розкидані маленькими цятками. Вони представляють собою заглибини в шкірі тварин і складаються здебільшого із таких клітин — хроматофорів, що відбивають світло; фотоцитів, які продукують світло; прозорих клітин на поверхні фотофора, що пропускають світло. Саме завдяки таким органам продукують світло глибоководні акули, найбільші з хребетних тварин, здатних до біолюмінесценції — чорні акули (Dalatias licha).

Але іноді морські тварини мають люмінесценцію, яка насправді не є їхньою заслугою. У такому разі в їхніх органах світіння містяться не фотоцити, а симбіотичні організми, здатні до біолюмінесценції. Це справедливо для риб-вудильників (Lophiiformes), у яких передній промінь спинного плавника перетворився у щось на кшталт вудки, якою вони приманюють менших рибок. Їхні фотофори заповнені слизом, у якому живуть біолюмінесцентні бактерії.

Риба-вудильник з «вудкою», в якій містяться біолюмінесцентні бактерії. Steven Haddock  / Monterey Bay Aquarium Research Institute

Риба-вудильник з «вудкою», в якій містяться біолюмінесцентні бактерії. Steven Haddock / Monterey Bay Aquarium Research Institute

У світляків у тілі може бути один великий орган світіння, що складається зі скупчень фотоцитів, або ж вони можуть мати численні люмінесцентні органи, розкидані по всьому тілу. Їхня будова відрізняється у залежності від виду, так само як і колір, що вони здатні випускати. Зазвичай світло, що вони виробляють є переривчастим, а не постійним. Таким чином світляки можуть спілкуватися з іншими світляками. Але вчені поки що не знають напевно, який механізм стоїть за здатністю «вмикати й вимикати» світло, а також регулювати його інтенсивність.

Світляк. Terry Priest / Flickr CC

Світляк. Terry Priest / Flickr CC

Не просто красиво

Яскраво забарвлені флуоресцентні чи такі, що самі створюють світло, організми виглядають дивовижно. Але що дає така властивість, окрім краси? Це запитання змушує почухати голову не одного науковця.

У деяких випадках призначення світіння й саме напрошується. Наприклад, зі світляками, що явно використовують його як важливий аспект у комунікації, зокрема, пошуці партнера для спаровування. І навіть якщо для людського ока випадки біофлуоресценції в природі часто непомітні, вчені знають, що у багатьох тварин зір кращий за наш. Тож забарвлення може впливати на поведінку тварин і розмноження. Наприклад, у тих же хвилястих папужок самці та самки в ультрафіолетовому світлі забарвлені по-різному. І, схоже, для них це теж має значення при виборі пари.

Більш-менш зрозумілими є й причини флуоресценції та біолюмінесценції у морських тварин. Світло відіграє важливу роль у житті різних морських угруповань, даючи змогу особинам так само комунікувати одне з одним, знаходити партнера для розмноження і ще шукати здобич для харчування. Але на глибині, куди воно не досягає або проникає лише частково, істоти живуть у постійних сутінках чи пітьмі. Тож флуоресценція або біолюмінесценція допомагає виділити себе, зробити помітнішим та підсвітити собі при полюванні або ж привабити світлом жертву, як це роблять деякі риби-вудильники.

Але так само, як би не дивно це звучало, такі пристосування можуть слугувати ще й камуфляжем. В океанічному та морському середовищі це особливо актуально, оскільки там немає куди ховатися. І якщо подивитися на морських тварин знизу, то на фоні більш освітлених поверхневих вод їхні темні силуети видають їх хижакам. Але коли вони набувають синього кольору, особливо з нижнього боку тіла, то зливаються з навколишнім середовищем і стають менш помітними. Тому в біолюмінесцентних акул, як і багатьох інших таких риб, здебільшого світиться нижня частина тіла.

А головоногий молюск пекельний вампір (Vampyroteuthis infernalis), наприклад, у разі небезпеки відволікає хижака спалахами світла на кінці щупалець та виділяє маскувальну «хмару» в'язкої речовини, наповненою частинками, що теж світяться. Подібно до цього спалахами можуть спантеличувати хижаків і планктонні динофлагеляти. Качкодзьоби, ймовірно, теж застосовують флуоресценцію не для комунікації, оскільки не сильно покладаються на зір, а для маскування від чутливих до ультрафіолету хижаків, поглинаючи таке випромінювання. Але вчені погоджуються, що значення флуоресценції для ссавців ще необхідно детальніше вивчати.

Пекельний вампір має біолюмінесцентні органи на кінчиках щупалець, якими відлякує хижаків. Gifer

Пекельний вампір має біолюмінесцентні органи на кінчиках щупалець, якими відлякує хижаків. Gifer

У коралів, що можуть флуоресціювати найрізноманітнішими кольорами, це пристосування може виконувати одразу кілька функцій, хоча вчені все ще не дійшли згоди в цьому питанні. Одні вважають, що флуоресценція слугує для підтримання життєдіяльності симбіотичних динофлагелят, яким для фотосинтезу необхідне світло. У темній глибині моря флуоресценція може покривати його нестачу, а в яскраво освітлених прибережних водах, навпаки, флуорофори можуть поглинати надмірне ультрафіолетове випромінювання, що може бути згубним для симбіонтів. Інші дослідники схиляються до думки, що флуоресценція може мати значення з огляду на те, як інші водні жителі, особливо, риби, бачать коралові рифи.

Флуоресценція квіткових рослин може приваблювати комах та сприяти кращому їх запиленню, припускають деякі вчені. Утім, цей ефект можна використати й по-інакшому. Хижі рослини, здається, суттєво успішніше полюють на членистоногих, коли вчені не маскують їхню синю флуоресценцію. Хоча зі світінням грибів теж не все однозначно, одна з гіпотез каже, що воно так само приваблює комах та інших організмів, які живляться грибами. Хоча сам гриб при цьому пошкоджується, його пожирачі можуть таким чином поширювати грибні спори. У світляків Photuris біолюмінесценція теж стала в пригоді при полюванні. Самки цього роду імітують світіння самок світляків Photinus, чим приваблюють охочих до розмноження самців цього роду. Але коли останні прилітають, то обмануті поїдаються хижими самками.

Отже, є величезна кількість рослин тварин та інших організмів, про яких неможливо згадати в одному тексті, що маніпулюють світлом для своїх потреб. Проте, принаймні у випадку з флуоресценцією, світіння не завжди має якесь практичне застосування та полегшує життя істоти. Інколи воно є лише побічним продуктом інших важливих процесів в організмі та не має практичного застосування. Хіба що це просто красиво.