Биолюминесценция: возрождение
И.В.Ямпольский, А.С.Царькова, М.А.Дубинный, В.Н.Петушков, Н.С.Родионова
Морской черт, подстерегающий на глубине добычу, привлекает «обед» светящимся концом специальной «удочки» перед ртом. Медуза, чтобы защититься от краба, окутывает себя спасительным ореолом. Рачок, несший нелегкую службу во Вторую мировую войну, позволял японским солдатам освещать карты незаметно для противника. Длинный ряд существ, использующих для своих (а иногда и чужих) разнообразных целей удивительный процесс — биолюминесценцию (от греч. pioZ — жизнь и лат. lumen — свет). Способностью излучать в видимом диапазоне обладают эво-люционно разнородные группы организмов. В их числе некоторые бактерии, грибы, кораллы, медузы, водоросли, черви, моллюски, насекомые, рыбы (но не более высокоорганизованные животные). Около 700 родов содержат виды, испускающие
© Ямпольский И.В., Царькова А.С., Дубинный М.А., Петушков В.Н., Родионова Н.С., 2014
Глубоководная рыба морской черт.
членистоноги
наземные организмы
моллюски кольчатые
пресноводные организмы
морские организмы
кишечнополостные
бактерии
моллюски
»■ *
позвоночные
членистоногие
кольчатые черви
гребневики
X
щет и н коч е л юсг н ые
динофлагелляты * /
А ^
иглокожие
радиолярии
губки полухордовые ¿Г кордовые
т v___ плоские черви
мшанки ^аам
Многообразие биолюминесцентных организмов [1].
Илья Викторович Ямпольский, кандидат химических наук, старший научный сотрудник Института биоорганической химии (ИБХ) им. академиков М.М.Шемякина и ЮА.Овчинникова РАН. Область научных интересов — установление структур и механизмов биосинтеза природных соединений, их полный синтез и применение.
Александра Сергеевна Царькова, младший научный сотрудник того же института. Область научных исследований — органический синтез.
Максим Анатольевич Дубинный, кандидат физико-математических наук, научный сотрудник того же института. Занимается биомолекулярной спектроскопией ядерного магнитного резонанса.
Валентин Николаевич Петушков, кандидат биологических наук, старший научный сотрудник Института биофизики (ИБФ) Сибирского отделения РАН. Научные интересы связаны с биохимией, фотобиологией, изучением новых биолюминесцентных систем.
Наталья Сергеевна Родионова, кандидат биологических наук, научный сотрудник того же института. Специализируется на изучении биолюминесцент-
ных систем.
свет самостоятельно или благодаря симбионтам. Биолюминесценция используется для привлечения добычи, освещения, коммуникации, маскировки, а также как средство обороны, нападения, отпугивания или отвлечения, в качестве «любовного» языка, предупреждения или угрозы. Продолжительность свечения варьируется от долей секунды до часов, цвет — от голубого до красного. У бактерий свет создается в цитоплазме, у одноклеточных эукариот — в специальных органоидах, у высокоразвитых организмов (насекомых, рыб) — в особых органах (от скоплений железистых клеток до сложных образований, содержащих люминесцирующие бактерии). Помимо внутриклеточного, свечение бывает секреторного типа (кальмары для ослепления противника выбрасывают в воду «облако» из продуктов секреции двух желез).
Особенность биолюминесцентных систем в том, что они не закреплялись эволюционно, а формировались в каждом случае независимо. Известно около 30 различных механизмов, обеспечивающих свечение [2]. В отличие от многих структурных белков и ферментов (гистонов, цитохромов, мышечных белков), сходных у филогенетически далеких форм, компоненты биолюминесцентных систем у родственных животных могут быть различны. Считается, что биолюминесценция впервые возникла на стадии перехода от анаэробных форм жизни к аэробным, хотя общего мнения по этому вопросу нет*.
Сущность явления
Природа биолюминесценции — химическая. Субстрат люцифе-рин, маленькая органическая молекула, окисляется под действием специфического фермента
* Подробнее см.:Лабас Ю.А., ГордееваА.В. Свет и цвет живых организмов // Природа. 2003. №2. С.25—31.
люциферазы. Люциферины и люциферазы у различных биологических видов химически не идентичны. Все такие реакции требуют окислителя (чаще всего молекулярного кислорода, иногда перекиси водорода) и протекают с образованием промежуточных комплексов — органических перекис-ных соединений. При их распаде высвобождается энергия, которая не рассеивается в виде тепла, а возбуждает молекулы вещества, испускающего фотоны (отсюда название «холодное свечение»). От их энергии, а значит от типа конкретного лю-циферина, зависит частота света (т.е. цвет). В трех известных случаях участником люциферин-люци-феразной реакции становится еще и аденозинтри-фосфат (АТФ). Это свойственно многоножке Luminodesmus sequoia, грибной мушке Arachno-campa flava и всем видам светляков. Биолюминесценция, однако, может происходить и по-другому. Свечение медузы Aequorea обусловлено взаимодействием специфического белка экворина с ионами кальция, причем без участия кислорода.
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—Ма-риотта) 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 РуторЬотиз 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. Одна-
ко в 2006 г. нобелевский лауреат Осаму Шимому-ра, посвятивший более 50 лет своей жизни исследованию этого завораживающего явления, с сожалением отметил, что значительный прогресс, достигнутый в этой области, сменился упадком [2]. 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 ди-нофлагеллят (простейших организмов, составляющих значительную часть морского планктона и светящихся от движения водных масс) была охарактеризована уже четверть века назад [3].
Долгожданный прорыв
Недавно в таежных районах юга Красноярского края был открыт новый люминесцирующий вид кольчатых червей семейства энхитреид. Один из авторов статьи (В.Н.Петушков), специалист по люминесценции бактерий, еще студентом, работая ночью на биостанции Красноярского университета, заметил, что его следы на земле светятся. Источником голубоватого излучения оказались мелкие черви. Тогда эта находка не показалась важной, и о сибирских светящихся червях забыли на много лет. А в конце 1980-х годов В.Н.Петуш-ков с коллегой Н.С.Родионовой вернулся на биостанцию, чтобы попытаться определить вид этих существ. Выяснилось, что миру они неизвестны. С помощью Н.Т.Залесской, специалиста по беспозвоночным из московского Института проблем эволюционной морфологиии и экологии животных им.А.Н.Северцова РАН, было сделано первое краткое описание нового вида олигохет, названного Fridericia heliota [4].
Небольшие (длина взрослой особи 15—20 мм, диаметр 0.5 мм, масса 2 мг) бело-желтые черви F.heliota живут в лесных сибирских почвах. Они испускают зеленовато-голубой свет (максимум спектра излучения приходится на 478 нм), который после механического, химического или электрического раздражения постепенно в течение примерно 10 минут затухает. Светящиеся точки расположены на теле червя, а целомическая жидкость (заполняющая вторичную полость тела) не излучает. Считалось, что люминесценция всех земляных червей имеет единый характер. 12 видов из шести родов олигохет (Diplocardia, Dip-lotrema, Fletcherodrilus, Octochaetus, Pontodrilus и Spenceriella) выделяют целомическую жидкость, в клетках которой содержится биолюминесцентная система, включающая перекись водорода [5]. Наиболее полно механизм свечения изучен у крупных (длина около 60 см, масса 7 г) червей Diplocardia longa, обитающих в песчаных почвах на юге штата Джорджии (США). Люциферин D.longa, алифатический альдегид N-изовалерил-З-
Свечение червя Fridericia heliota.
Фото А.А. Семенова
амино-1-пропаналь, служит субстратом для люци-фераз всех других светящихся олигохет. Более того, люцифераза Б.1оща активна в кросс-реакциях (когда пару взаимодействующих веществ берут от двух разных видов животных) с люциферинами других червей [6]. Но сибирский червь Р.Ье1Ша оказался уникальным — кросс-реакции с люци-феринами и люциферазами любых других организмов дали отрицательный результат. Это подразумевало, что механизм биолюминесценции у ЕЬв1Ша и других видов отличается. В 2003 г. совместно с итальянским специалистом по систематике червей Э.Рота было опубликовано подробное описание светящегося червя из сибирской тайги [7].
Трудный путь к свету
В 2003—2007 гг. группа Петушкова провела первые исследования свойств биолюминесцентной системы F.heliota и выявила ее необходимые компоненты — новые люциферин и люциферазу, кислород, АТФ и ионы магния. Люциферин и люциферазу очистили, получили ультрафиолетовый спектр
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.