Биолюминесценция

История исследований[править]

Биолюминесценция обыкновенного светляка

Свечение живых организмов отмечалось ещё античными авторами — Плиний Старший в своей «Естественной истории» упоминал свечение морских организмов, многие авторы описывали свечение моря. Однако изучение природы биолюминесценции берёт своё начало в 1668 г., когда Роберт Бойль, крупнейший представитель пневмохимии, изучавший процессы горения, обнаружил сходство между процессами горения угля и свечением гнилушек — Бойль, используя построенный им вакуум-насос, продемонстрировал, что в обоих случаях свечение исчезает, если удалить воздух (то есть кислород).

Пионером в исследовании механизмов биолюминесценции стал Рафаэль Дюбуа, в 1887 г. , поставивший эксперимент с экстрактами из светящихся жуков Pyrophorus — он обнаружил, что экстракт тканей фотофоров светляков, полученный гомогенизацией в холодной воде, светится в течение нескольких минут, однако экстракт, приготовленный в горячей воде, не светится. Вместе с тем Дюбуа обнаружил, что если добавить к потухшему холодному экстракту порцию несветящегося горячего экстракта, то свечение возобновляется. Таким образом, за свечение были ответственны две фракции: устойчивая к нагреву низкомолекулярная, и белковая, теряющая активность при нагревании; свечение in vitro возникало только в присутствии обеих фракций и в присутствии кислорода. Аналогичные результаты Дюбуа получил и при эксперименте со светящимися двустворчатыми моллюсками Pholas dactylus. Такое поведение типично для систем фермент — субстрат, поэтому Дюбуа назвал низкомолекулярную фракцию люциферином, а белковую — люциферазой и постулировал ферментативную природу реакций, вызывающих биолюминесценцию.

Работы Дюбуа положили основу для дальнейших работ в исследовании биолюминесценции, оказалось, что у различных групп организмов существует множество систем люциферин — люцифераза.

Эдмунд Ньютон Харви (Edmund Newton Harvey) в Принстонском университете начал работы по изучению биолюминесценции ракообразных. В 1920 г. Харви показал различие люциферазных субстрат-ферментных систем различных таксонов: люциферин моллюсков Pholas не светился под действием люциферазы ракообразных Cypridina и наоборот, люцифераза Pholas была неактивна по отношению к люциферину Cypridina.

В 1957 г. был выделен и охарактеризован люциферин светляков, оказавшийся производным тиазола.

Медуза Aequorea victoria

В конце 1950-х — начале 1960-х Осаму Симомура в университете Нагоя исследовал механизм свечения остракод Cypridina hilgendorfii, которые использовались во время Второй Мировой Войны японцами как природный люминофор: высушенные рачки при смачивании снова начинали светиться. Ему удалось выделить из них в чистом кристаллическом состоянии новый люциферин, отличающийся от люциферина светляков. В качестве объекта дальнейших исследований биолюминесценции в Принстоне он избрал медузу Aequorea victoria, фотофоры которой излучают зелёный свет. Симомура выделил из медуз экворин — белок, содержащий имидазопиразин целентеразин и показал, что биолюминесценция экворина инициируется ионами кальция, при этом, в отличие от классической биолюминесценции, для излучения света экворином кислород не требовался. Это стало открытием нового класса биолюминесцентных систем — фотопротеинов, в которых светоизлучающий фрагмент является не свободным субстратом — люциферином, а простетической группой, прочно связанной с белком.

Симомура также обнаружил, что выделенный из медузы и очищенный экворин in vitro излучает синий свет, в то время как живая медуза светится зелёным. Дальнейшие исследования показали, что за зелёное свечение ответственен другой белок — GFP (англ. green fluorescent protein — зелёный флуоресцентный белок), флуоресцирующий зелёным светом под действием голубого излучния экворина; и экворин, и GFP в дальнейшем вошли в лабораторную практику молекулярной биологии, первый — как индикатор присутствия ионов Ca2+, второй — в качестве флуоресцентной метки для изучения экспрессии клеточных белков. За работы по GFP Симомура был удостоен нобелевской премии по химии 2008 года.

От суеверных страхов к знанию

О загадочном свечении морских вод, рыб и некоторых грибов писал еще Аристотель (384–322 гг. до н. э.). Мореплаватели приписывали этому явлению мистические свойства, считая его источником огонь из преисподней. Однако если в начале нашей эры свечение моря пытались объяснить эффектом бомбардировки частиц воды солью (по аналогии с искрой из-под кремня, ударяющего о сталь), а свечение рыб — содержащимся в их чешуе фосфором, то сегодня эти предположения могут вызвать лишь снисходительную улыбку.

Научные основы биолюминесценции заложил Роберт Бойль (1627–1691), знаменитый и известный всем со школьной скамьи (закон Бойля — Мариотта) английский физик, один из учредителей Лондонского королевского общества. Он показал абсурдность предрассудков и суеверий, порожденных этим явлением, обнаружив его сходство с горением — простой химической реакцией, которая прекращается в отсутствие кислорода. Откачивая воздух из сосуда с куском светящегося (из-за грибов) дерева, он наблюдал, как излучение, постепенно ослабевая, исчезает совсем, но возобновляется, когда в сосуд опять попадает кислород. Изучение механизмов органического свечения продолжил Рафаэль Дюбуа (1849–1929). Из экстрактов люминесцирующих жуков Pyrophorus он выделил две фракции, ответственные за возникновение света в присутствии кислорода. Белковую составляющую, которая теряла активность при нагревании (как ферменты), он назвал люциферазой, а термоустойчивую низкомолекулярную — люциферином.

С тех пор было сделано множество открытий, связанных с природой биолюминесценции. Однако в 2006 г. нобелевский лауреат Осаму Шимомура, посвятивший более 50 лет своей жизни исследованию этого завораживающего явления, с сожалением отметил, что значительный прогресс, достигнутый в этой области, сменился упадком []. На сегодняшний день известны структуры только семи природных люциферинов. Если в третьей четверти XX в. были определены пять из них, то в последней четверти — только два. К тому же последняя структура нового люциферина из динофлагеллят (простейших организмов, составляющих значительную часть морского планктона и светящихся от движения водных масс) была охарактеризована уже четверть века назад [].

Какие виды планктона светятся?

Далеко не все виды имеют способность к биолюминесценции. В частности, её лишены крупные медузы и диатомовые водоросли.

Светящийся планктон в основном представлен одноклеточными растениями — динофлагеллятами. К концу лета их численность достигает пика в тёплых погодных условиях, поэтому в этот период можно наблюдать особенно интенсивную иллюминацию у берегов моря.

Если же вода сияет отдельными зелёными вспышками, то можно быть уверенным, что это планктонные ракообразные. Кроме них, к биолюминесценции склонны гребневики. Их свет более тусклый и распространяется по телу лазурными переливами при столкновении с препятствием.

Иногда случается довольно редкое явление, когда светящийся планктон в Чёрном море сияет долгое время без перерыва. В такие моменты происходит цветение динофитных водорослей, и плотность их клеток на литр жидкости столь велика, что отдельные вспышки сливаются в яркую и постоянную иллюминацию поверхности.

Почему планктон светится в море?

Планктон излучает свет благодаря химическим процессам, называемым биолюминесценцией. При доскональном изучении было выявлено, что это не что иное, как условный рефлекс в ответ на раздражение.

Порой может казаться, что действие происходит спонтанно, однако это неверно. Даже само движение воды служит раздражителем, силой трения оказывает механическое воздействие на животное. Оно вызывает электрический импульс, несущийся к клетке, в результате чего вакуоль, наполненная элементарными частицами, генерирует энергию с последующей химической реакцией, выливающейся в поверхностное свечение тела. При дополнительном воздействии биолюминесценция усиливается.

Говоря более простым языком, можно сказать, что светящийся планктон засияет ещё ярче при столкновении с каким-либо препятствием или иным раздражителем. Например, если опустить руку в самое скопление организмов или швырнуть в его центр небольшой камень, результатом станет очень яркая вспышка, способная на мгновение ослепить наблюдателя.

В целом это очень красивое зрелище, поскольку при падении предметов в воду, наполненную планктоном, от места его попадания расходятся голубые или зелёные неоновые круги. Наблюдение за этим эффектом хорошо расслабляет, однако злоупотреблять бросками в воду не стоит.

Ракообразные.

Люминесценция может быть и внеклеточной. Ракообразные Vargula, обитающие в водах Японии, – типичный пример свечения такого типа. Эти животные выделяют раздельно (из разных желез) люциферин и люциферазу, и в воде в результате их взаимодействия возникает люминесценция. Во время Второй мировой войны японцы использовали сухих рачков как слабые источники света на позициях. Раздавливая нескольких таких рачков в руке и смачивая их слюной, они получали свечение, достаточное для чтения карт и донесений, но незаметное для противника. Высушенные рачки применялись также для получения люциферазы и люциферина в очищенном виде.

Планктон

Планктон — это обобщающее название для множества разнородных организмов, преимущественно обитающих в хорошо освещённых слоях воды. Они не способны сопротивляться силе течения, поэтому часто их группы выносит к берегам.

Любой (в том числе и светящийся) планктон является пищей для остальных, более крупных жителей водоёма. Он представляет собой массу водорослей и животных, отличающихся очень маленькими размерами, за исключением медуз и гребневиков. Многие из них самостоятельно передвигаются, поэтому в периоды штиля планктон может отдаляться от берега и курсировать по водоёму.

Как было сказано выше, наиболее богаты планктоном верхние слои моря или океана, однако отдельные виды (например, бактерии и зоопланктон) населяют водную толщу до максимально возможных для жизни глубин.

Вы сможете записывать свои сны

Ученым удалось преобразовать видеоролики YouTube, сканируя визуальные центры мозга человека, который их смотрит. В будущем технология будет достаточно продвинутой, чтобы записывать сны.

Мозг трех членов команды, участвовавших в проекте, сканировали с помощью функциональной магнитно-резонансной томографии, когда они смотрели видеоклипы на YouTube. Затем исследователи интерпретировали данные с помощью математической модели, которая служила своего рода словарем мозга. Словарь позже воссоздавал то, что видели участники, сканируя случайные клипы и подбирая те, которые соответствовали активизации мозговой активности.

Хотя результат оказался не таким четким, в будущем ученые надеются улучшить технологию.

Типы люциферин-люциферазных систем

Как уже упоминалось, необходимым условием биолюминесценции является высокая энтальпия реакции окисления люциферина: энергия, выделяющаяся в ходе реакции должна превышать ~41-71.5 ккал/моль, — что соответствует энергиям электромагнитного излучения в видимом диапазоне ~400-700 нм, эта энергия соизмерима с энергией связи C-C в алканах (~79 ккал/моль). Такой энергетический эффект значительно превышает энергетические эффекты большинства биохимических реакций — в том числе и с участием макроэргических соединений — носителей энергии в живых системах; так, например, энергия, высвобождающаяся при гидролизе АТФ до АМФ составляет 10.9 ккал/моль.

Наиболее распространенный реакционный механизм биолюминесценции: отщепление CO₂ от диоксетанона — промежуточного продукта окисления люциферина ведёт к образованию оксилюциферина в возбуждённом состоянии, который переходит в основное состояние с излучением света.

Энергия, соответствующая энергиям видимого спектра, в живых системах может быть получена только в реакциях одностадийного окисления с участием молекулярного кислорода (или активных форм кислорода), поэтому большинство люцифераз относятся к классу ферментов — оксигеназ, катализирующих реакции, в которых происходит присоединение кислорода к субстрату-люциферину (за немногими исключениями люцифераз кольчатых червей, обладающих пероксидазоподобной активностью) и, соответственно, все светящиеся организмы являются аэробами.

Большинство люциферинов при окислении образуют циклические напряжённые промежуточные пероксиды — диоксетаноны, в которых валентные углы в четырёхчленном цикле существенно отличаются от нормальных валентных углов, такие соединения далее распадаются с выделением молекулы углекислого газа и образованием возбуждённого кетона-люциферина. Такой механизм реакции характерен для окисления люциферина насекомых и целентеразинов — люциферинов многих морских организмов.

В настоящее время известно пять классов люциферинов различной химической природы: альдегид-флавиновая система бактерий, альдегидные люциферины червей, тетрапирролы динофлагеллят и некоторых ракообразных, имидазопиразолы различных морских организмов и люциферин насекомых — производное тиазола.

Бактерии.

Люминесцентные бактерии обитают в морской воде и реже – на суше. Их легко вырастить в чашках с агаром. Такие бактерии бывают также симбионтами некоторых морских рыб и кальмаров, живущими в специальных световых органах. Часто они существуют как кишечные бактерии у многих морских видов, иногда как паразиты у ракообразных, как сапрофиты – на останках животных. Бактерии светятся голубым светом, испускаемым молекулой флавина. (Окисление альдегида и восстановление молекулы рибофлавинфосфата сопровождаются возбуждением флавина.) Там, где бактерии существуют как симбионты, свечение может регулироваться хозяином. См. также СИМБИОЗ.

Много способов зажечь

Почти у всех светящихся организмов биолюминесценция требует три ингредиента: кислород, светоизлучающий пигмент люциферин (от латинского слова lucifer, означающего «несущий свет») и фермент люциферазы. Когда люциферин взаимодействует с кислородом — при помощи люциферазы — он образует возбужденные, нестабильный компонент, который излучает сет, возвращаясь в более низкоэнергетическое состояние.

Любопытно, но люциферинов намного меньше, чем люциферазы. Хотя у видов, как правило, есть уникальная люцифераза, очень многие имеют один и тот же люциферин. За производство большей части света в океане несут ответственность всего четыре люциферина. Из почти 20 групп биолюминесцентных организмов в мире в девяти из них свет излучает люциферин под названием коэлентеразин.

Однако было бы ошибкой считать, что все коэлентеразинсодержащие организмы произошло от одного светящегося предка. Если бы это было так, то зачем бы им развивать такой широкий спектр люциферазы, задает вопрос Уоррен Фрэнсис, биолог из Университета Людвига Максимилиана в Мюнхене. Предположительно, должна была выжить и размножиться первая пара люциферина-люциферазы.

Вероятно также и то, что многие из этих видов не производят коэлентеразин самостоятельно. Вместо этого они получают его из своего рациона, говорит Юичи Оба, профессор биологии в Университете Тюбу в Японии.

В 2009 году группа под руководством Обы обнаружила, что глубоководный рачок (копеподы) — крошечное, распространенное ракообразное — делает свой коэлентеразин. Эти рачки являются чрезвычайно обильным источником пищи для широкого спектра морских животных — настолько обильным, что в Японии их называют «рисом в океане». Он думает, что эти рачки являются ключом к пониманию того, почему так много морских организмов биолюминесцентны.

Оба и его коллеги взяли аминокислоты, которые предположительно являются строительными блоками коэлентеразина, пометили их молекулярным маркером и загрузили в пищу копепод. Затем скормили эту пищу рачкам в лаборатории.

Через 24 часа ученые экстрагировали коэлентеразин из рачков и рассмотрели маркеры, которые добавились. Очевидно, они были везде — что стало окончательным доказательством того, что ракообразные синтезировали молекулы люциферина из аминокислот.

Даже медузы, в которых впервые обнаружили коэлентеразин (и в честь которых назвали), не производят собственный коэлентеразин. Они получают свой люциферин, поедая рачков и других мелких ракообразных.

Примечания

1. C. Plinius Secundus. Naturalis Historia, Liber IX, XLIII (de pisce qui noctibus lucet)
2. Dubois. Note sur las physiologie des pyrophores. C. R. Seances Soc. Biol.2:559-562 (1885)
3. R. Dubois. Note sur la fonction photogenique chez la Phpolas Dactilus. C. R. Seances Soc. Biol. 39:564-566 (1887)
4. B. Bilter, W. D. McElroy. Preparation and properties of crystalline firefly luciferin. Arch. Biochem. Biophys. 72:358-368 (1957)
5.  (недоступная ссылка)
6. ↑
7. H Morise, O Shimomura, FH Johnson, J Winant: Intermolecular Energy Transfer in Bioluminescent systems of aequorea. Biochemistry 13 (1974) 2656-62.