Биолюминесценция объяснена: Химия организмов, производящих свет

Мерцающие светлячки над летним полем и светящиеся волны, разбивающиеся о темный пляж, — оба примера одного и того же базового процесса: живой организм производит собственный свет посредством химии, а не тепла. Ученые называют это биолюминесценцией, и это одна из самых распространенных форм биологического производства света на Земле.

Химическая реакция: люциферин, люцифераза и кислород

По данным Музея естественной истории в Лондоне, биолюминесценция происходит, когда молекула под названием люциферин реагирует с кислородом и высвобождает энергию в виде света. Реакция обычно требует фермента люциферазы, которая ускоряет процесс, или в некоторых организмах связанный белок, называемый фотопротеином, который вместо этого взаимодействует с ионами кальция.

Национальное управление океанических и атмосферных исследований США (NOAA) отмечает, что хотя каждый организм с биолюминесценцией зависит от реакции между ферментом и субстратом, разные виды используют разные химические комбинации. NOAA говорит, что это разнообразие предполагает, что способность производить свет эволюционировала независимо много раз, а не от единственного общего предка.

Цвет света зависит от точной структуры люциферина и окружающих белков. Музей естественной истории и National Geographic Education отмечают, что большинство морских организмов светятся синим или зеленым цветом, потому что эти длины волн распространяются дальше всего в морской воде, в то время как светлячки на суше производят желтый свет, а небольшое количество глубоководных рыб, таких как loosejaw dragonfish, излучают редкий красный свет, который большинство других животных в глубине не видят.

Почему организмы производят свет

Исследователи из NOAA и Музея естественной истории группируют использование биолюминесценции в несколько основных категорий: поиск пищи, привлечение или сигнализация партнерам и защита от хищников. Некоторые виды сочетают несколько из этих функций.

• Охота: глубоководная рыба-удильщик держит светящуюся приманку, называемую эска, перед своим ртом, чтобы привлечь любопытную добычу, согласно National Geographic Education.
• Размножение: самцы светлячков мигают видоспецифичными паттернами, чтобы сигнализировать самкам, сообщает National Geographic Education.
• Защита: топорики используют 'встречное свечение', сопоставляя слабый свет на своих нижних сторонах с тусклым свечением сверху, так что хищники, смотрящие вверх, не могут видеть их силуэт, согласно National Geographic Education.
• Испугать хищников: некоторые кальмары внезапно вспыхивают, чтобы испугать нападающего, а кальмар-вампир выбрасывает светящуюся слизь вместо чернил, согласно National Geographic Education.

Где биолюминесценция наиболее распространена

NOAA утверждает, что 80 процентов животных, живущих на глубине от 200 до 1000 метров (656 и 3280 футов) в океане, обладают биолюминесценцией. Музей естественной истории дает более высокую оценку для другой зоны, утверждая, что до 90 процентов жизни в сумеречной зоне океана производит свет в той или иной форме. На суше биолюминесценция сравнительно редка и наиболее известна светлячками, некоторыми светляками и примерно 75 видами грибов, которые излучают слабое зеленое свечение, согласно Музею естественной истории.

Страница NOAA с океаническими фактами указывает на открытый научный вопрос: исследователи не полностью объяснили, почему биолюминесценция так распространена в морских средах, но практически отсутствует в пресноводных озерах и реках, и они также не установили точно, сколько раз или как эта черта эволюционировала независимо в разных линиях.

Примечательные примеры

Помимо светлячков и рыб-удильщиков, несколько других случаев иллюстрируют диапазон биолюминесцентной жизни. Динофлагеллаты — одноклеточный планктон — производят вспышки сине-зеленого света при возмущении волнами или движением в воде, эффект, который иногда видно как сверкающий прибой ночью, согласно National Geographic Education. Большие устойчивые пятна этого свечения, созданные колониями светящихся бактерий, известны как 'молочные моря' и иногда достаточно яркие, чтобы быть обнаруженными спутниками в тропических водах, отмечает National Geographic Education. Некоторые виды, такие как гавайский кальмар-бобтейл, вообще не производят свет сами; они содержат колонии биолюминесцентных бактерий, включая Vibrio fischeri, в симбиотических отношениях, описанных Музеем естественной истории.

Во всех этих случаях базовая химия похожа — люциферин реагирует с кислородом, катализируется люциферазой или фотопротеином — но специфичные молекулы, цвета и биологические цели отличаются от одной линии к другой, отражая многочисленные отдельные происхождения этой черты, выявленные NOAA и Музеем естественной истории.