Свет в глубинах: откуда, сколько раз и почему появилась биолюминесценция?

Свет в глубинах: откуда, сколько раз и почему появилась биолюминесценция?

Биолюминесцентные организмы развивались десятки раз в течении истории судьбы. Какая биохимия нужна, дабы осветить тьму? Разнообразные изучения посвящены этому вопросу.

Погрузитесь достаточно глубоко в пучину океана, и вы заметите не тьму, а свет. 90% морских обитателей и рыб, каковые процветают на глубине 100 либо кроме того 1000 метров, способны создавать личный свет. Рыбы-фонарики охотятся и общаются при помощи необычного кода морзе, отправляемого световыми кармашками под глазами. Рыбы семейства Platytroctidae стреляют светящимися чернилами в нападающих на них.

Рыбы-топорики делают себя невидимыми, создавая свет в собственных брюшинах, имитируя нисходящий солнечный свет; хищники наблюдают на них и видят только постоянное свечение. Ученые индексировали тысячи биолюминесцентных организмов по всему древу судьбы и ожидают добавить еще больше. Но они в далеком прошлом задаются вопросом, как по большому счету показалась биолюминесценция.

Сейчас, как показывают сравнительно не так давно опубликованные изучения, ученые добились большого прогресса в понимании истоков биолюминесценции — как эволюционно, так и химически. Новое познание может в один раз разрешить применять биолюминесценцию в биологических и медицинских изучениях. Одна из застарелых задач содержится в том, дабы выяснить, сколько раз появлялась отдельная биолюминесценция.

какое количество видов приходили к ней независимо друг от друга? Не смотря на то, что кое-какие из самые известных примеров света у живых организмов в полной мере земные — вспомните светлячков, к примеру, — главная часть эволюционных событий, которые связаны с биолюминесценцией, имела место в океане. Биолюминесценция практически и разумеется отсутствует у всех наземных позвоночных и цветущих растений.

В глубинах океана свет дает организмам неповторимый метод завлекать добычу, общаться и защищаться, говорит Мэтью Дэвис, биолог из Национального университета Сен-Клу в штате Миннесота. В изучении, размещённом в июне, он и его сотрудники поняли, что рыбы, каковые применяют свет для сигнализации и связи ухаживания, были особенно распространены.

За период около 150 миллионов лет — недолго по эволюционным меркам — такие рыбы обширно распространились в больше видов, чем другие рыбы. Биолюминесцентные виды, каковые применяли собственный свет только для маскировки, иначе, были не так разнообразны. Брачные сигналы возможно поменять довольно легко. Эти трансформации, со своей стороны, смогут создавать подгруппы в популяции, каковые в конечном счете расщепляются на неповторимые виды.

В июне Тодд Окли, эволюционный биолог из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре, и один из его студентов Эмили Эллис опубликовали изучение, в котором продемонстрировали, что организмы, применяющие биолюминесценцию в качестве брачных сигналов, имели значительно больше видов и громадную скорость накопления видов, чем родные их родственники, не применяющие свет. Окли и Эллис изучили десять групп организмов, включая светлячков, осьминогов, акул и маленьких членистоногих остракод.

Изучение его коллег и Дэвиса было ограничено лучеперыми рыбами, в группу которых входит приблизительно 95% видов рыб. Дэвис подсчитал, что кроме того в одной данной группе биолюминесценция развивалась по крайней мере 27 раз. Стивен Хаддок, морской биолог из Monterey Bay Aquarium Research Institute и специалист в области биолюминесценции, оценил, что среди всех форм судьбы биолюминесценция независимо оказалась как минимум 50 раз.
Большое количество способов зажечь
Практически у всех светящихся организмов биолюминесценция требует три ингредиента: кислород, светоизлучающий пигмент люциферин (от латинского слова lucifer, означающего «несущий свет») и фермент люциферазы. В то время, когда люциферин взаимодействует с кислородом — при помощи люциферазы — он образует возбужденные, нестабильный компонент, что излучает сет, возвращаясь в более низкоэнергетическое состояние. Любопытно, но люциферинов значительно меньше, чем люциферазы.

Не смотря на то, что у видов, в большинстве случаев, имеется неповторимая люцифераза, весьма многие имеют одинаковый люциферин. За производство большей части света в океане несут ответственность всего четыре люциферина. Из практически 20 групп биолюминесцентных организмов в мире в девяти из них свет излучает люциферин называющиеся коэлентеразин. Но было бы неточностью вычислять, что все коэлентеразинсодержащие организмы случилось от одного светящегося предка.

Если бы это было так, то для чего бы им развивать таковой широкий спектр люциферазы, задает вопрос Уоррен Фрэнсис, биолог из Университета Людвига Максимилиана в Мюнхене. Предположительно, должна была выжить и размножиться первая пара люциферина-люциферазы. Возможно кроме этого да и то, что многие из этих видов не создают коэлентеразин самостоятельно. Вместо этого они приобретают его из собственного рациона, говорит Юичи Оба, доктор биологических наук в Университете Тюбу в Японии.

В 2009 году несколько под управлением Обы поняла, что глубоководный рачок (копеподы) — маленькое, распространенное ракообразное — делает собственный коэлентеразин. Эти рачки являются очень обильным источником пищи для многих морских животных — такими обильным, что в Японии их именуют «рисом в океане». Он считает, что эти рачки являются ключом к пониманию того, из-за чего так много морских организмов биолюминесцентны.

Оба и его сотрудники забрали аминокислоты, каковые предположительно являются строительными блоками коэлентеразина, пометили их молекулярным маркером и загрузили в пищу копепод. После этого скормили эту пищу рачкам в лаборатории. Через 24 часа ученые экстрагировали коэлентеразин из рачков и разглядели маркеры, каковые добавились. Разумеется, они были везде — что стало окончательным доказательством того, что ракообразные синтезировали молекулы люциферина из аминокислот.

Кроме того медузы, в которых в первый раз нашли коэлентеразин (и именами которых назвали), не создают личный коэлентеразин. Они приобретают собственный люциферин, поедая рачков и других небольших ракообразных.
Ученые нашли другую подсказку, которая имела возможность бы оказать помощь растолковать популярность коэлентеразина среди глубоководных животных: эта молекула кроме этого имеется у организмов, каковые не излучают свет. Это поразило Жана-Франсуа Риза, биолога из Католического университета Левена в Бельгии, показалось ему необычным. И без того страно, что «так много животных надеются на одну и ту же молекулу в производстве света», говорит он. Быть может, коэлентеразин имеет и другие функции, кроме люминесценции?

В опытах с клетками печени крыс Риз продемонстрировал, что коэлентеразин есть замечательным антиоксидантом. Его догадка: быть может, коэлентеразин сперва распространился среди морских организмов, живущих в поверхностных водах. В том месте антиоксидант имел возможность снабжать нужную защиту от оксидативного влияния вредоносных солнечных лучей.

В то время, когда эти организмы начали колонизировать более глубокие океанические воды, где необходимость в антиоксидантах ниже, понадобилась и свойство коэлентеразина испускать свет, предположил Риз. Со временем организмы выработали различные стратегии — наподобие люциферазы и специальных органов света — дабы усилить это свойство. Однако ученые не узнали, как другие организмы, не только копеподы Обы, делают коэлентеразин.

Гены, каковые кодируют коэлентеразин, также совсем малоизвестны. Забрать, например, гребневик. Эти древние морские существа — кое-какие вычисляют их первой ветвью животного древа — в далеком прошлом подозреваются в производстве коэлентеразина. Но никто не смог подтвердить это, не говоря уж о том, дабы выяснить конкретные генетические руководства за работой.

В прошедшем сезоне, но, информировали, что несколько исследователей во главе с Фрэнсисом и Хаддоком наткнулась на ген, что возможно вовлечен в синтез люциферина. Для этого они изучали транскриптомы гребневиков, каковые являются мгновенные снимки генов, каковые животное экспрессирует в конкретно забранный момент. Они искали гены, закодированные для группы из трех аминокислот — тех же аминокислот, каковые Оба скармливал своим копеподам.

Среди 22 видов биолюминесцентных гребневиков ученые нашли группу генов, соответствующую их параметрам. Эти же самые гены отсутствовали у двух вторых нелюминесцентных видов гребневиков. «Это весьма сильное, но все же косвенное подтверждение» того, что эти гены смогут быть вовлечены в производство коэлентеразина, говорит Хаддок. По мере того, как способы работы с гребневиками в лаборатории будут становиться более продвинутыми, он уверен в том, что его команда отыщет ответы при помощи генно-манипуляционных опытов.
Новый свет
Генетический механизм биолюминесценции имеет применения за пределами эволюционной биологии. В случае если ученые смогут изолировать гены для пар люциферина и люциферазы, они возможно смогут заставлять клетки и организмы светиться, по тем либо иным обстоятельствам. Во второй половине 80-ых годов двадцатого века исследователи из университета Калифорнии в Сан-Диего модифицировали и включили ген люциферазы светлячка в растения табака.

Изучение было размещено в издании Science с изображением одного из этих растений, устрашающе светившихся на чёрном фоне. Это растение не создаёт свет само по себе — оно содержит люциферазу. Но дабы данный табак светился, его необходимо поливать раствором, содержащим люциферин.

Тридцать лет спустя ученые до сих пор не смогли при помощи генной инженерии создать самосветящиеся организмы, потому, что не знают пути синтеза для большинства люциферинов. (Единственное исключение нашли у бактерий: ученые смогли выяснить гены свечения, каковые кодируют бактериальную совокупность люциферин-люциферазы, но эти гены необходимо модифицировать, дабы они были нужны для любого небактериального организма). Одно из самых громадных потенциальных применений люциферина и люциферазы в клеточной биологии — включить их как лампочки в ткани и клетки.

Для того чтобы рода разработка была бы нужна для отслеживания расположения клетки, экспрессии гена, производства белка, говорит Дженнифер Прешер, доктор химических наук в Университете Калифорнии в Ирвине. Применение молекул биолюминесценции будет так же полезно, как и применение флуоресцентного белка, при помощи которого уже замечают развитие ВИЧ-зараз, отслеживания повреждения и визуализации опухолей нервных клеток при болезни Альцгеймера.

На данный момент ученые, применяющие люциферин для опытов с визуализацией, должны создавать синтетическую его версию либо брать по 50 долларов за миллиграмм. Вводить люциферин извне в клетку также сложновато — это не было бы проблемой, если бы клетка имела возможность делать личный люциферин. Изучения длятся и неспешно определяют эволюционные и химические процессы на то, как организмы создают свет.

Но большинство биолюминесцентного мира так же, как и прежде остается в темноте. Забрано с hi-news.ru

Эврика! Биолюминесценция


Интересно почитать:

Самые интересный результаты подобранные по Вашим интересам: