Отчего светится море?

Чем сильнее деформация, тем ярче вспышка

Наверное, многие любовались красивым световым сиянием морских волн, которое особенно заметно в темное время суток. Известно, что источник свечения – планк­тон или водоросли, испускающие излучение в процессе фотосинтеза. Недавно группа физиков из Кембриджского университета (Великобритания) совместно с коллегами из Германии и Франции попыталась прояснить особенности этого эффекта. Результаты своего исследования они опубликовали в журнале Physical Review Letters.

На земном шаре существует около 800 видов растений и животных, способных при определенных условиях фосфоресцировать. Среди наземных организмов естественное свечение встречается у отдельных видов грибов, земляных червей, улиток и насекомых. Возьмем тех же светлячков, которые светятся за счет особого фермента – люциферазы. Все знают также, что эффектом свечения обладают древесные гнилушки. Правда, тут светится не сама древесина, а мицелий обыкновенного опенка. А в Японии и Бразилии один из видов таких грибов, растущих на деревьях, даже называют M. lux-coeli – «Мицена – свет небесный».

Большинство таких организмов являются морскими обитателями. Это бактерии, водоросли, черви, моллюски, рыбы, ракообразные.

У морских водорослей люминофорные белки рассеяны по всей клетке, у одноклеточных эукариотов (то есть обладающих клеточным ядром) они располагаются в цитоплазме, в пузырьках, окруженных мембраной. У многоклеточных животных излучение обычно происходит за счет специальных клеток – фотоцитов, которые часто группируются в особые органы – фотофоры. Как правило, такие клетки начинают светиться после воздействия раздражителя или при изменении внутренней среды организма.

Светящиеся колонии бактерий и грибов привлекают полезных для них насекомых, распространяющих микробы, споры и мицелий. А у глубоководных креветок, осьминогов, каракатиц и кальмаров помимо внутриклеточного свечение может являться и продуктом секреции. В основном сияющее облако, выбрасываемое из-под мантии или панциря, служит морским животным для ослепления противника. Расположение люминофоров и характер мигания светящихся пятен могут служить и коммуникационным целям, например для привлечения партнеров. Самцам креветок это помогает находить самок, а также способствует скоплению в стаи. Недавно зоологи обнаружили, что кальмары используют подсветку для обмена цветовыми сигналами друг с другом. У некоторых глубоководных головоногих буквально все тело разрисовано разноцветным узором из световых пятен.

Голландский биолог Мартин Бейеринк еще более ста лет назад изобрел одну из первых бактериальных ламп, она представляла собой колбу, внутри которой находились светящиеся бактерии. В 1935 году такими лампами даже удалось осветить большой зал Парижского океанологического института. Во время Великой Отечественной войны, когда были перебои с электричеством, советский микробиолог А.А.Егорова использовала фосфоресцирующие бактерии для освещения своей лаборатории.

В последнее время ученые работают над созданием трансгенных «светящихся» растений и животных. Так, в 1998 году появилась первая мышь с геном GFP, внедренным в хромосомы. В 2003 году в продажу поступили первые светящиеся рыбки – трансгенные данио (Brachydanio rerio) и японская рисовая рыбка медака (Orizias latipes). Правда, особой практической пользы от генно-модифицированных светящихся организмов пока не наблюдается, это делается всего лишь в экспериментальных целях, чтобы доказать возможность функционирования чужеродных генов при внедрении в другой организм.

Кембриджские ученые и их коллеги исследовали водоросли, испускающие таинственный синий свет. Они называются динофитовыми водорослями или динофлагеллятами. Как предполагается, с помощью люминесценции они отпугивают морских хищников.

«Одной из характерных особенностей многих морских динофлагеллят считается их биолюминесценция, которая освещает ночные волны, – пишут авторы исследования. – В то время как внутренняя биохимия производства света этими микроорганизмами хорошо известна, механизм, который вызывает биолюминесценцию, все еще плохо изучен».

Используя такие методы, как микроманипуляция и высокоскоростная визуализация, ученые воссоздали механизм производства света одноклеточными организмами Pyrocystis lunula в процессе деформации их клеточных стенок под воздействием механических сил. Причем, как показали эксперименты, чем сильнее деформация, тем ярче световая вспышка.

По словам специалистов, такой «поведенческий» эффект, называемый «вязкоупругий отклик», присутствует у жидкостей с суспендированными полимерами. У Pyrocystis lunula же этот механизм зависит от ионных каналов – специализированных белков, распределенных по клеточной мембране. При нагрузке на мембрану эти каналы прикрываются, позволяя кальцию перемещаться по клетке. Данный процесс сопровождается так называемым биохимическим каскадом, который используется как сигнальный путь. Отсюда и свечение.

Выяснилось, что когда деформация клеточной стенки оказывается не такой серьезной, то и интенсивность свечения является низкой, при этом эффект не зависит от скорости, с которой происходит давление. На том же незначительном уровне свечение остается, если давление сильное, но процесс сдавливания происходит медленно. Интенсивность свечения повышается, лишь если велики и скорость, и сила сдавливания.

«Наши результаты отображают физический механизм, с помощью которого поток жидкости запускает производство света, и показывают, насколько элегантным может быть принятие решений на уровне одной клетки», – заявил ведущий автор исследования Мазияр Джалаал.

Ида ШАХОВСКАЯ