Загадочные огни в водоемах, таинственное мерцание гниющих пней в лесу – наши далекие предки думали, что такие вещи имеют сверхъестественное происхождение. Сегодня наука доказала, что способность живых организмов светиться – биолюминесценция – это результат биохимических процессов или деятельности бактерий-симбионтов. Людям известны около 800 видов светящихся живых существ. И хотя происхождение удивительного сияния уже давно не тайна, они неизменно продолжают вызывать восхищение.
Морская феерия
Константин Паустовский в своей повести «Черное море» описал свечение морских организмов: «Море горело. Казалось, его дно состояло из хрусталя, освещенного снизу лунным огнем… Белый огонь набегал на пляж, и было видно все дно. Камни и жестянки, валявшиеся под водой, покрылись тонкой огненной росой. Сметанина зачерпнула воду в ладонь. Сквозь пальцы полились с плеском струи жидкого магического света».
Свечение моря – одна из прекраснейших картин, какие только можно представить. Неудивительно, что люди издревле пытались понять, что заставляет темные морские глубины то периодически вспыхивать одиночными голубыми искрами, то переливаться таинственным сине-зеленым огнем. Призрачное сияние, идущее из глубин, пытались списать на свечение фосфора и электрические разряды, которые якобы образуются в результате трения молекул воды и соли друг о друга.
Однако в 1753 году «виновник» этого удивительного явления был пойман. Натуралист Беккер, рассматривавший под увеличительным стеклом каплю морской воды, заметил там одноклеточные организмы, активно шевелившие жгутиками. На любое химическое или механическое раздражение крошечные существа отвечали вспышками света. Благодаря такой особенности эти организмы получили имя ночесветки, и тайна светящейся воды была разгадана.
Впрочем, свечение воды способны вызывать не только ночесветки, но и другие жгутиконосцы. Во время сезона активного размножения, когда этих одноклеточных становится слишком много, они расцвечивают моря изумительными огнями.
Погасшая лагуна
Биолюминесценция – нередкое явление для теплых морей, но особенно им может похвастаться Пуэрто-Рико. На территории этой страны, расположенной на одноименном острове в Карибском море, есть целые три светящиеся лагуны. Если в иных водоемах это редкое явление, доступное лишь счастливчикам, которым повезло оказаться в нужное время в нужном месте, то воды у берегов Пуэрто-Рико полыхают всегда. Правда, в 2013 году туристов постигло разочарование: одна из знаменитых лагун перестала светиться. Ученые так и не выяснили, что было тому причиной. Скорее всего, хрупкую экосистему нарушило уничтожение мангровых зарослей на побережье или начавшееся строительство завода по очистке сточных вод.
Туристы принялись требовать, чтобы им вернули деньги за путевки. К счастью, свечение появилось вновь так же неожиданно, как и пропало. И поток приезжих к достопримечательности быстро возобновился.
Обманчивый свет
Помимо одноклеточных водорослей светятся и многие другие морские обитатели, например, кишечнополостные – некоторые кораллы и медузы. Эти создания лишены клыков, шипов, зубов и других средств, пригодных для самообороны. Они пытаются отбиться от врагов единственным доступным им способом – отпугивая их: в ответ на механическое раздражение они начинают светиться.
Если неподалеку находятся собратья таких существ, они видят сигнал и присоединяются. Неожиданное включение света способно не только само по себе напугать хищника, но и сделать его заметным для его собственных врагов. Неудивительно, что многие предпочитают ретироваться подальше от таких прожекторов.
Осьминоги и каракатицы, хоть и не светятся сами по себе, способны к секреторной биолюминесценции. Если им угрожает опасность, они выбрасывают содержимое из двух желез, которое, смешиваясь, начинает светиться. В результате озадаченного врага окутывает сияющее облако, а в это время жертва спокойно уплывает.
Взаимовыгодное соглашение
В Тихом океане неподалеку от побережья Гавайев обитают бактерии Vibrio fisheri. Эти микроорганизмы примечательны тем, что как только их концентрация становится большой, они начинают светиться. Нужно это для того, чтобы обеспечивать маскировку… гавайского кальмара! Дело в том, что головоногое находится в симбиотической связи с Vibrio fisheri. Оно предоставляет бактериям дом – свое тело, а они, находясь в безопасности за особыми пластинами, обеспечивают ему превосходную маскировку.
Кальмар обитает в прибрежных водах и ведет ночной образ жизни. Дни он проводит, зарывшись в песок, а с наступлением темноты выбирается на поиски добычи. Яркий лунный свет прекрасно освещает неглубокие воды, и на дно падают тени хищников и их потенциальных жертв. Чтобы не стать чьей-нибудь добычей, кальмар с помощью специального органа измеряет уровень освещенности, а затем раздвигает пластины ровно настолько, чтобы свет от бактерий был таким же ярким, как и лунный. Таким образом, он как бы не отбрасывает тени и может безбоязненно исследовать прибрежные воды, не опасаясь врагов.
Однако наступает утро, кальмару приходит время зарыться в песок и отдохнуть. Прятаться с фонарем в животе бессмысленно. Чтобы «выключить свет», кальмар выпускает большую часть бактерий в океан. Оставшиеся тут же прекращают светиться, и животное может спокойно отдыхать. А к вечеру, когда ему пора будет вновь отправляться на охоту, микроорганизмы снова размножатся до той массы, чтобы начать светиться и прятать кальмара в лунном свете.
Впрочем, далеко не все подводные обитатели используют способность к биолюминесценции исключительно для того, чтобы не быть съеденными. Некоторые, напротив, таким образом привлекают к себе потенциальную добычу. Например, небольшая медуза Halitrephes maasi, диаметр зонтика которой не превышает 10 см, питается мелкими планктонными рачками. Своим свечением она привлекает жертв: рачки, словно мотыльки, летящие на свет фонаря, толкутся вокруг зонтика, а медуза направляет их своими щупальцами прямиком в ротовое отверстие.
Один из самых знаменитых морских плотоядных, способных светиться, – удильщик. Самки удильщика – хищники с огромными зубами и растягивающимися желудками, что позволяет им нападать на добычу, чьи размеры превышают их собственные. У этих рыб есть приспособление, делающее их охоту крайне эффективной: передний луч спинного плавника в виде удочки. На конце удочки находится железа, заполненная слизью, в которой обитают биолюминесцентные бактерии. Когда удильщик хочет привлечь добычу, он расширяет сосуды в «удочке», тем самым увеличивая приток кислорода, и бактерии начинают светиться. Удильщик – глубоководное существо, а на большую глубину свет практически не попадает. Заинтересованные рыбы плывут к огоньку, который удильщик постепенно перемещает ближе ко рту, пока наконец не совершает бросок и не заглатывает жертву. После этого сосуды сужаются – свет можно выключать.
Фонарики в траве
Хотя способность к биолюминесценции у наземного животного – скорее исключение, встречается она и на суше. Самое известное светящееся существо – светлячок. В семейство входит около 2 тыс. видов жуков, и все они обладают характерной особенностью – задний конец их брюшка может сиять. Обеспечивает это особый орган – фотофор, по своему устройству напоминающий фонарик. Фотофор состоит из трех слоев. Верхний слой представляет собой полупрозрачную кутикулу, в среднем слое находятся фотогенные клетки, которые и вырабатывают свет, а третий, внешний слой образован светоотражающими клетками.
Светлячок способен регулировать свечение. Когда он решает, что пора «включить свет», в фотофор начинает поступать кислород, который до этого хранился в клеточных органеллах – митохондриях. Он соединяется с другими компонентами – кальцием, пигментом люциферином и т. д. Происходит несколько реакций – и жучок начинает светиться! Своим холодным сиянием эти насекомые привлекают потенциальных половых партнеров. Причем, в зависимости от вида светиться могут самцы, самки или же представители обоих полов.
Возможности самцов и самок светлячков различаются: самки обычно бескрылые, самцы же оснащены крыльями и способны путешествовать. Поэтому чаще всего именно самки, сидя в траве, посылают в небо сигналы, которое служат маяком для противоположного пола. Если это возможно, самец посылает ответный сигнал, если же он лишен такой опции, то просто подлетает к даме сердца. Если же чувство не возникло, неудавшийся партнер может просигналить «нет» и отправиться дальше на поиски кого-то более подходящего.
Светлячки имеют возможность не только включать и выключать свой фонарик, но и регулировать интенсивность свечения, а также светиться не равномерно, а ритмичными вспышками (так делают многие тропические виды). Некоторые виды даже способны устраивать друг для друга красочные световые шоу: стайка самцов одновременно зажигает и гасит свои фонарики, стайка самок отвечает им тем же.
Хотя основная цель биолюминесценции у светлячков – помочь двум влюбленным сердцам найти друг друга, насекомые могут использовать фотофор и не по прямому назначению. Некоторые жуки применяют световой сигнал для защиты территории и угроз потенциальным конкурентам. А светлячки, живущие в Америке, и вовсе используют биолюминесценцию для того, чтобы перекусить. Так поступают самки рода Photuris. После акта любви с представителем своего вида эти насекомые начинают испускать сигналы, характерные для самок другого вида светлячков, обитающих в этом же регионе – Photinus. Воодушевленные самцы летят в объятия к соблазнительницам, где и находят свою смерть, а самки получают полезную пищу для себя и своего будущего потомства.
Сияющие колонисты
Несмотря на то, что в природе существует около ста тысяч видов грибов, способностью к свечению обладает всего 71 из них. Из-за столь редкой распространенности ученые считали, что биолюминесценция у грибов не несет никакого практического значения и представляет собой некую побочную реакцию обмена веществ. Однако оказалась, что, как и светлячкам, грибам нужно светиться для успешного размножения.
Конечно, эти своеобразные организмы не привлекают к себе партнеров, да и вообще чаще размножаются бесполым путем при помощи спор. Однако для успешного распространения вида желательно разнести споры на как можно более широкой территории, и в этом грибам нужны помощники.
Разобраться, для чего же грибам понадобилось светиться, решили бразильские ученые. В южноамериканских лесах произрастает Neonothopanus gardneri, внешне напоминающий наши лисички, но светящийся зеленым неоновым светом и вполне способный послужить для освещения жилища какой-нибудь сказочной ведьмы. При этом гриб светится не постоянно: интенсивность зависит от времени суток, в темноте он сияет ярче всего. Чтобы понять, зачем Neonothopanus gardneri это делает, ученые создали муляж гриба из резины и вкопали его рядом с оригиналом. Хотя внешне грибы ничем не отличались, с приходом сумерек настоящий гриб принялся светиться, чем немедленно привлек мошек, муравьев, жуков и ос. Прилетавшие или приползавшие к грибу насекомые захватывали споры и разносили их на большие расстояния, помогая Neonothopanus gardneri осваивать большие территории.
К сожалению, подавляющее большинство светящихся грибов обитает в теплых краях. Впрочем, и в нашем климате произрастает один гриб, способный к люминесценции. Возможно, прогуливаясь по лесу, вам случалось заметить, как трухлявый пень или ветка вдруг начинали светиться? Делали они это не сами по себе, а с помощью опят. Корни этих грибов пронизывают трухлявое дерево и при благоприятных условиях могут заставить его сиять.
Уползающие лампочки
В тропических морях живет немало светящихся животных, в том числе и улиток. И лишь один вид, способный к биолюминесценции, обитает на суше. Светящаяся улитка Quantula striata встречается в Сингапуре, Камбодже, Малайзии, на Филиппинах. На первый взгляд, моллюск ничем не примечателен: в длину достигает всего 3 см, цвет раковины варьируется от бежевого до бурого, а встретить его можно в лесах и парках.
Долгое время – практически до второй половины XX века – люди не замечали, что эта улитка способна к биолюминесценции. Впрочем, ничего странного, учитывая, что интенсивнее всего светятся ее яйца. Только что вылупившиеся моллюски также продолжают сиять, однако чем старше становится улитка, тем более тусклый исходит от нее свет.
Сияние исходит от передней части улитки. Именно там, в передней части ноги, находится орган, в котором зарождается свечение. Интересно, что свет, производимый улитками, может быть пульсирующим. Улитка мигает, когда ползет. Когда животное ест, частота мигания удваивается. А вот в покое моллюск перестает светиться. Ученым пока не ясно, для чего наземная улитка подает световые сигналы. Вероятно, таким образом представители этого вида общаются друг с другом.
Hinea brasiliana, еще один светящийся моллюск, обитает у берегов Новой Зеландии и юго-восточной части Австралии. Раковина улитки устроена таким образом, что способна отражать и рассеивать свет, причем делает это эффективнее, чем любые материалы, известные человеку. Стоит улитке испугаться (например, если ее заденет краб), как она начинает светиться. Это искажает размеры всех окружающих предметов, в том числе и самой улитки. Незадачливый охотник не только оказывается заметен, но и не может понять, насколько велика в действительности его жертва и на каком расстоянии она находится. Поимка улитки превращается в нереализуемую задачу, и охотнику приходится отправляться на поиски кого-то более сговорчивого.
Городская иллюминация
Для большинства светящихся существ способность к люминесценции стала результатом долгой эволюции. Однако некоторые организмы получили ее буквально в подарок от человека.
С наступлением сумерек в городах зажигаются фонари. Летом это происходит часов в 10 вечера, а зимой может стемнеть и в 4 пополудни. Городским властям приходится тратить немало средств на освещение, но что поделаешь – не возвращаться же людям с работы в потемках. Кое-где устанавливают фонари на солнечных батареях, но пока что их мало, и города вынуждены расходовать огромные средства, чтобы осветить себя. Например, в США на это тратится около 12% всей вырабатываемой электроэнергии.
Идея сэкономить на электричестве с помощью «естественного» освещения давно витала в воздухе, и к ее реализации приступили уже несколько групп ученых из разных стран. К сожалению, тополя и каштаны, в изобилии растущие у нас во дворах и вдоль дорог, категорически не хотят светиться. Но ученые изыскали способ их научить. Чтобы заставить растения светиться, пришлось прибегнуть к генной инженерии. Вначале биологи выделили последовательность генов, которая кодирует производство белка люциферина. Затем нужную комбинацию они привили бактерии Agrobacterium tumefaciens, которую биоинженеры используют в качестве транспортного средства. Agrobacterium внедряется в клетку, встраивает чужеродную последовательность генов в ДНК растения, а затем выводится естественным путем. И привычные нам деревья, модифицированные таким образом, начинают светиться!
К сожалению, пока что люминесцирующие растения не покидают лабораторий и подоконников квартир отдельных счастливчиков. Конечно, предстоит еще провести испытания, которые убедят общественность в том, что такие светильники безопасны. Но многие эксперты сходятся во мнении: в будущем наши улицы будут освещать люминесцирующие кроны деревьев.
Фантастические твари и где они обитают
Если цветоводам пока не просто раздобыть люминесцирующее растение, то аквариумисты могут без труда поселить генномодифицированных светящихся рыбок у себя в аквариуме. Существует бренд GloFish, который продает всем желающим флуоресцирующих рыбок. Флуоресценция отличается от биолюминесценции тем, что в последнем случае свечение заметно невооруженным глазом, а в случае с флуоресценцией приходится использовать дополнительные устройства – источники ультрафиолета. Однако это не мешает светящимся рыбкам быть настоящим хитом среди аквариумистов.
Изначально компания могла предложить покупателям лишь один вид – Danio rerio, популярную аквариумную рыбку, относящуюся к семейству карповых. Они неприхотливы и просты в содержании, и многие аквариумисты начинали свое увлечение именно с этих полосатиков. В геном рыбки начали встраивать некоторые гены медузы или красного коралла. Благодаря такой модификации рыбы с частичкой медузы светятся зеленым, коралла – красным, а с генами обоих организмов – желтым цветом. При обычном освещении сияние слабое, зато оно усиливается в синем или ультрафиолетовом диапазоне. Достаточно установить на аквариум лампу и наслаждаться световым шоу.
Со временем компания расширила свой ассортимент, и теперь помимо данио рерио предлагает любителям экзотики светящихся тернеций и барбусов. Несмотря на модификацию, потребности рыбок никак не изменились, и они по-прежнему остаются одними из самых нетребовательных питомцев. Официально светящихся рыбок можно приобрести в Китае, на Тайване и в США, однако встречаются они и в европейских зоомагазинах.
В лабораториях ученых чего только не найдешь. Есть там и светящиеся млекопитающие – кошки, свиньи, овцы, собаки, кролики. Конечно, ученые прививают животным новые способности вовсе не ради того, чтобы вывести забавных питомцев или воплотить в жизнь собаку из произведения Конан Дойля. Таким образом исследователи маркируют животное, чтобы позже его можно было отличить от его собратьев. Например, светящиеся зеленым светом свиньи дают возможность наблюдать за развитием пересаженных стволовых клеток. Кошек же подсветили для изучения вируса кошачьего иммунодефицита (аналога ВИЧ). Модифицированные животные, которым был встроен белок для защиты от вируса, заодно могли светиться зеленым, благодаря чему исследователи могли отличить их от кошек, которые перед вирусом были беззащитны.
Впрочем, скорее всего, со временем светящихся трансгенных животных ожидает судьба данио рерио, и из лабораторий они попадут в дома любителей необычных животных. В приобретенной способности питомцев светиться есть свои плюсы и для обычных людей. Например, риск наступить ночью на кота сведен к нулю.
Да, после развенчания мифов о потустороннем происхождении способности некоторых животных светиться сияющие волны и огоньки на лугу кажутся менее загадочными и пугающими. Однако если посмотреть с другой стороны, понимание того, что наши соседи по планете могут излучать свет, делает это явление еще прекраснее.
