Биолюминесцентните организми са се развили десетки пъти в хода на историята на живота. Каква биохимия е необходима, за да освети тъмнината? На този въпрос са посветени различни изследвания. Потънете достатъчно дълбоко в дълбините на океана и ще видите не тъмнина, а светлина. 90% от рибния и морския живот, които виреят на дълбочина от 100 или дори 1000 метра, са способни да произвеждат собствена светлина. Рибата с фенерче ловува и общува с помощта на вид морзов код, изпратен от леки джобове под очите. Рибите от семейство Platytroctidae изстрелват светещо мастило в своите нападатели. Рибите от люка се правят невидими, като излъчват светлина в корема си, за да симулират спускаща се слънчева светлина; хищниците ги гледат и виждат само непрекъснат блясък.
Учените са индексирали хиляди биолуминесцентни организми през цялото дърво на живота и очакват да добавят още. Въпреки това те дълго се чудят как се появява биолуминесценцията. Сега, както показват наскоро публикувани проучвания, учените постигнаха значителен напредък в разбирането на произхода на биолуминесценцията - и еволюционно, и химически. Новите прозрения може един ден да позволят биолуминесценцията да се използва в биологични и медицински изследвания.
Едно от дългогодишните предизвикателства е да се определи колко пъти е възникнала единична биолуминесценция. Колко вида дойдоха при нея независимо един от друг?
Докато някои от най-известните примери за светлина в живите организми са наземни - мислещи светулки, например - повечето от еволюционните събития, свързани с биолуминесценцията, са се случили в океана. Биолюминесценцията практически и очевидно липсва при всички наземни гръбначни и цъфтящи растения.
В дълбините на океана светлината дава на организмите уникален начин да привличат плячка, да общуват и да се защитават, казва Матю Дейвис, биолог от университета Saint Cloud State в Минесота. В проучване, публикувано през юни, той и неговите колеги установяват, че рибите, които използват светлина за комуникация и сигнализират за ухажване, са особено често срещани. За период от около 150 милиона години - не много дълго по еволюционните стандарти - такива риби са се разпространили широко в повече видове, отколкото други риби. Биолюминесцентните видове, които използваха светлината си изключително за камуфлаж, от друга страна, не бяха толкова разнообразни.
Брачните сигнали могат да се променят сравнително лесно. Тези промени от своя страна могат да създадат подгрупи в популацията, които в крайна сметка се разделят на уникални видове. През юни Тод Оукли, еволюционен биолог от Калифорнийския университет в Санта Барбара и една от неговите студенти Емили Елис публикува проучване, показващо, че организмите, използващи биолюминесценцията като сигнали за чифтосване, имат много повече видове и по-бърза скорост на натрупване на видове, отколкото техни близки, които не използват светлина. Оукли и Елис изследвали десет групи организми, включително светулки, октопуси, акули и малки членестоноги, остракоди.
Изследванията на Дейвис и неговите колеги бяха ограничени до рибата с луковици, която включва приблизително 95% от рибните видове. Дейвис изчисли, че дори и в тази група биолуминесценцията се е развила поне 27 пъти. Стивън Хадок, морски биолог от изследователския институт за аквариум в Монтерей Бей и експерт по биолуминесценция, прецени, че сред всички форми на живот биолуминесценцията независимо се е появила поне 50 пъти.
Промоционално видео:
Много начини за запалване
В почти всички светещи организми биолуминесценцията се нуждае от три съставки: кислород, светлинно излъчващ пигмент луциферин (от латинската дума lucifer, означаващ „пренасяне на светлина“) и ензим луцифераза. Когато луциферин взаимодейства с кислорода - чрез луцифераза - той образува възбуден, нестабилен компонент, който комплектът излъчва, връщайки се в състояние с по-ниска енергия.
Любопитното е, че има много по-малко луциферини от луциферазата. Въпреки че видовете имат тенденция да имат уникална луцифераза, много от тях имат същия луциферин. Само четири луциферина са отговорни за производството на по-голямата част от светлината в океана. От близо 20 групи биолуминесцентни организми в света девет от тях излъчват светлина от луциферин, наречен целентеразин.
Би било грешка обаче да се смята, че всички организми, съдържащи колентеразин, произхождат от един светещ прародител. Ако това беше така, защо биха разработили толкова широк спектър от луцифераза, пита Уорън Франсис, биолог от университета Людвиг Максимилиан в Мюнхен. Вероятно първата двойка луциферин-луцифераза е трябвало да е оцеляла и да се е размножила.
Също така е вероятно много от тези видове да не произвеждат себелентеразин самостоятелно. Вместо това го получават от диетата си, казва Юичи Оба, професор по биология в университета Чубу в Япония.
През 2009 г. екип, ръководен от Оба, откри, че дълбокоморски ракообразни (копеподи) - мъничък, широко разпространен ракообразен - произвежда своя целентеразин. Тези ракообразни са изключително богат хранителен източник за широк спектър от морски животни - толкова изобилен, че в Япония се наричат "ориз в океана". Той смята, че тези ракообразни са ключът към разбирането защо толкова много морски организми са биолюминесцентни.
И двамата с колегите му приеха аминокиселини, за които се смята, че са градивните елементи на целентеразина, маркираха ги с молекулен маркер и ги заредиха в храна за копеподи. Тогава те хранят тази храна на ракообразните в лабораторията.
След 24 часа учените извличат целентеразина от ракообразните и преглеждат маркерите, които се добавят. Очевидно те бяха навсякъде - което беше върховното доказателство, че ракообразните синтезират молекули луциферин от аминокиселини.
Дори медузите, които за първи път са открили целентеразин (и са били кръстени на тях), не произвеждат собствените си колентеразин. Те получават луциферина, като ядат ракообразни и други малки ракообразни.
Мистериозен произход
Учените откриха друга улика, която би могла да помогне да се обясни популярността на колентераззин сред дълбоководни животни: тази молекула се намира и в организми, които не излъчват светлина. Това порази Жан-Франсоа Риес, биолог в Католическия университет в Льовен в Белгия, като странно. Учудващо е, че „толкова много животни разчитат на една и съща молекула, за да произвеждат светлина“, казва той. Може би колентеразинът има и други функции освен луминесценцията?
В експерименти с чернодробни клетки на плъхове Рийз показва, че колентеразинът е мощен антиоксидант. Неговата хипотеза: Коелентеразинът може първо да се е разпространил сред морските организми, живеещи в повърхностни води. Там антиоксидантът може да осигури необходимата защита срещу окислителните ефекти на вредната слънчева светлина.
Когато тези организми започнаха да колонизират по-дълбоките океански води, където нуждата от антиоксиданти е по-ниска, способността на колентеразин да излъчва светлина дойде по-удобна, предложи Рийз. С течение на времето организмите са разработили различни стратегии - като луцифераза и специализирани леки органи - за подобряване на това качество.
Учените обаче не са разбрали как други организми, не само кобаподите Оба, правят целентеразин. Гените, които кодират коелентеразин, също са напълно непознати.
Вземете например гребено желе. Тези древни морски създания - считани от някои за първи клон на животинското дърво - отдавна се подозират, че произвеждат целентеразин. Но никой не успя да потвърди това, камо ли да идентифицира конкретни генетични инструкции по време на работа.
Миналата година обаче беше съобщено, че група изследователи, водени от Франсис и Хадок, попаднаха на ген, който може да участва в синтеза на луциферин. За да направят това, те изследвали стенограмите на ктенофори, които са снимки на гените, които едно животно изразява в даден момент. Те потърсиха гени, кодирани за група от три аминокиселини - същите аминокиселини, с които Оба се храни с копеподите си.
Сред 22 вида биолюминесцентни ктенофори учените са открили група гени, които отговарят на критериите им. Същите тези гени отсъстваха при други два нелюминесцентни ктенофорни вида.
Нов свят
Генетичният механизъм на биолуминесценцията има приложения извън еволюционната биология. Ако учените могат да изолират гените за двойки луциферин и луцифераза, те могат потенциално да накарат организмите и клетките да светят по една или друга причина.
През 1986 г. учени от Калифорнийския университет в Сан Диего модифицирали и включили гена люцифераза на светлината в тютюневите растения. Проучването е публикувано в списание Science, представящо едно от тези растения, светещи зловещо на тъмен фон.
Това растение не произвежда светлина сама по себе си - съдържа луцифераза. Но за да може този тютюн да свети, той трябва да се полива с разтвор, съдържащ луциферин.
Тридесет години по-късно учените все още не са успели да създадат самосветящи се организми, използвайки генно инженерство, тъй като не познават биосинтетичните пътища за повечето луциферини. (Единственото изключение беше открито при бактериите: Учените успяха да идентифицират светещите гени, които кодират бактериалната система луциферин-луцифераза, но тези гени трябва да бъдат модифицирани, за да бъдат полезни за всеки небактериален организъм.)
Едно от най-големите потенциални приложения на луциферин и луцифераза в клетъчната биология е да ги включи като луковици в клетки и тъкани. Този вид технология би била полезна за проследяване на местоположението на клетките, генната експресия, производството на протеини, казва Дженифър Прешер, професор по химия в Калифорнийския университет в Ървайн.
Използването на молекули за биолуминесценция ще бъде също толкова полезно, както и използването на флуоресцентен протеин, който вече се използва за наблюдение на развитието на ХИВ инфекции, за визуализиране на тумори и проследяване на увреждането на нервите при болестта на Алцхаймер.
Понастоящем учените, които използват луциферин за експерименти с изображения, трябва да създадат синтетична версия на него или да го купят по 50 долара за милиграм. Въвеждането на луциферин отвън в клетката също е трудно - не би било проблем, ако клетката може да направи своя луциферин.
Изследванията продължават и постепенно определят еволюционните и химичните процеси за това как организмите произвеждат светлина. Но по-голямата част от биолуминесцентния свят все още е в тъмнината.
Иля Кел
