12.07.2016. - Загадочная Биолюминесценция

Загадочная Биолюминесценция

Том находил необходимым добыть какой-нибудь осветительный материал, чтобы мы могли копать не впотьмах – фонарь слишком ярок и может навлечь подозрения. Лучше всего нам набрать гнилушек, которые светятся в темноте, – у нас их называют лисьими огоньками. Вот мы и натаскали целую охапку гнилушек, спрятали их в высокую траву, а сами присели отдохнуть» (Марк Твен «Приключения Гекльберри Финна», перевод В. Ранцова).

Свечение гнилушек отмечали еще античные авторы. В работе «О цветах» Аристотель отмечает, что существуют вещи, которые, не будучи по природе огнем или какой-либо разновидностью огня, способны производить свет» (791b, 10). Предполагается, что в этом месте он имеет в виду фосфоресцирующие объекты. В «Естественной истории» Плиний Старший упоминает свечение старого гнилого дуба (11.55.152), а также рассказывает, что в Галлии есть гриб, который растет на вершине дубов и столь ярко светится ночью, что его можно искать по испускаемому им свету (16.13). Здесь комментаторы полагают, что автор описывает все же не свечение плодового тела гриба, а опять-таки свет от гниющей древесины.

Упоминали свет гниющего дерева и средневековые авторы Олаф Магнус (1490 – 1557) в «Истории северных народов» рассказывал, что в Швеции дубовые гнилушки используют в качестве источника света, если нужно идти по ночному лесу. По его свидетельству, шведы оставляли светящиеся куски через небольшие интервалы и могли по ним найти обратный путь. Таинственный свет находил отражение в фольклоре, где его связывали с разнообразными духами, эльфами и привидениями. Кстати, английское название foxfire «лисьи огоньки», о котором упоминает Марк Твен, видимо, изначально к лисам отношения не имело. Его первая часть происходит от старофранцузского fauz, faus «ложный» (современное faux).

Зеленоватый свет гниющей древесины, который случается заметить в темноте, производит не само дерево, а поселившиеся в нем грибы. Ученые поняли это к началу XIX века, когда изучали свечение старых деревянных балок в шахтах, а в 1850-х годах было окончательно подтверждено, что свечение гнилушек вызывают грибы в присутствии кислорода и воды. На данный момент известно 75 видов грибов, способных к биолюминесценции (согласно публикации 2015 года в журнале Fungal Diversity). Многие из них распространены в тропических странах Азии или Америки, но есть и европейские виды. Правда, в большинстве случаев светятся не плодовые тела грибов, а их мицелий, то есть нити грибницы. Иногда способностью светиться обладают и грибные споры.

Высказывалась версия, что свечение пораженной грибами древесины отражено в Библии, где Моисей пас овец и увидел, что «терновый куст горит огнем, но куст не сгорает» (Исход 3:2), и получил из этого куста божественное повеление отправиться в Землю Обетованную. Правда, известный английский миколог Джон Рэмсботтом резонно возражал, что вряд ли Моисей пас свое стадо ночью, когда свечение грибницы особенно заметно.

Среди грибов Европы светиться могут некоторые опята, например, опенок толстоногий (Armillaria gallica), опенок осенник (Armillaria mellea), опенок темный (Armillaria solidipes), опенок ссыхающийся (Armillaria tabescens) – у всех видов светится грибница, так что, обнаружив в лесу старый пень с опятами, можно попробовать прийти к нему темной ночью и посмотреть, не светится ли он. Свечение характерно и для представителей рода мицена (Mycena) – небольших грибов высотой с коническими шляпками на тонкой ножке. Светятся грибница и плодовые тела в виде странных рогатин у ксиларии (Xylaria hypoxylon), светится панеллюс вяжущий (Panellus stipticus). Ядовитые грибы из рода омфалот получили даже прозвище «Джек-с-фонарем» (jack-o'-lantern mushrooms). Среди них в Северной Америке распространен Omphalotus illudens, а в Европе Omphalotus olearius (правда, на территории бывшего СССР он встречается только в Крыму, да и то нечасто).

Биолюминесценция встречается в природе нередко. Светятся насекомые, бактерии, моллюски, простейшие, иглокожие, губки, водоросли, многоножки, рыбы. Как установили совсем недавно ученые, только у рыб способность к свечению в ходе эволюции независимо возникала 27 раз. Это неудивительно, ведь собственное освещение дает немало возможностей. Можно подавать сигналы сородичам или приглашать потенциальных брачных партнеров, можно отпугивать хищников, приманивать добычу, предупреждать о собственной ядовитости, маскироваться среди других источников света. Световые сигналы можно использовать с изысканным коварством, как это делают самки жуков-светляков из рода Photuris. Они воспроизводят световые сигналы представительниц другого рода – Photinus. И когда появляются самцы из рода Photinus, привлеченные этими вспышками, появляются, самка съедает их.

Но для чего биолюминесценция нужна грибам? Грибы не охотятся, не привлекают брачных партнеров, не отпугивают хищников. Зачем опенку нужно, чтобы пень с его грибницей светился ровным голубовато-зеленым светом? Одно из объяснений предложили Кассиус Стевани (Cassius Stevani) и его коллеги из Университета Сан-Паулу в Бразилии, опубликовавшие свое исследование в марте прошлого года в журнале Current Biology. Они изучали биолюминесценцию гриба Neonothopanus gardneri, растущего на пальмах из рода атталея (Attalea). Ученые пришли к выводу, что свет грибам нужен как приманка, но не добычи, а тех насекомых и других мелких лесных существ, которые будут поедать плодовое тело гриба, а затем распространять его споры. В эксперименте биологи соорудили макеты гриба и снабдили часть их светодиодами, точно воспроизводящими грибное свечение. Как оказалось, светящиеся макеты привлекли большее число животных. К тому же Стевани и его коллеги обнаружили, что люминесценция Neonothopanus gardneri регулируется циркадными ритмами гриба и «включается» только в ночное время. В темноте грибу надо привлечь ночных насекомых, а днем светиться смысла нет. Это убедило ученых, что свечение Neonothopanus gardneri не случайный продукт эволюции, а приспособление, возникшее в ходе борьбы за существование.

Помимо установление функций грибной люминесценции биологам не давала покоя еще одна задача – выяснить химические основы свечения грибов. Первые шаги в химическом изучении биолюминесценции сделал французский ученый Рафаэль Дюбуа (Raphael Dubois, 1849 – 1929). Он исследовал южноамериканских жуков-щелкунов рода Pyrophorus. И сумел определить, что свечение возникает при окислении содержавшегося в жуках вещества в присутствии определенного фермента. Дюбуа назвал это вещество люциферином, а фермент – люциферазой. К XXIвеку стало известно, что у разных групп светящихся существ есть разные люциферины, каждому из которых соответствует своя люцифераза. Было обнаружено семь видов молекул люциферина: люциферин жуков-светляков, люциферин бактерий, люциферин динофлагеллят и так далее.

В 1980-х годах красноярский биолог Валентин Петушков открыл новый вид почвенного кольчатого червя, тоже способный к биолюминесценции. Червь, получивший название Fridericia heliota, имеет длину 15–20 мм, а весит около 2 мг. На тот момент уже были известны светящиеся кольчатые черви, но неожиданно оказалось, что люциферин нового вида отличается от описанных ранее. После долгой работы сотрудники Института биоорганической химии РАН во главе с Ильей Ямпольским и лаборатории фотобиологии Института биофизики СО РАН в Красноярске расшифровали структуру молекул нового, уже восьмого, природного люциферина. Подробнее об этом можно прочитать на сайте ИБХ РАН.

Но хотя ученым было известно уже восемь разных люциферинов, оказалось, что ни один из них не участвует в свечении грибов! А извлечь нужное вещество из грибов было весьма трудной задачей, слишком уж мало его содержится в грибе. Но уже совсем недавно эту проблему удалось решить. Свечением грибов занялись опять-таки ученые Красноярска (во главе с Константином Пуртовым) и Москвы (ими руководил Илья Ямпольский). Они установили, что в грибах, которые не обладают способностью светиться, есть молекула-предшественник грибного люциферина, причем ее там значительно больше, чем в светящихся грибах. Предшественником оказалось вещество гиспидин. Его ученые выделили в большом количестве из гриба чешуйчатки обыкновенной (Pholiota squarrosa). Дальнейшие исследования показали, что гиспидин под действием фермента гидроксилазы преобразуется в 3-гидроксигиспидин – это и есть грибной люциферин. А свечение грибов возникает, когда фермент люцифераза окисляет 3-гидроксигиспидин.

Таким образом, ученым удалось открыть уже девятый тип природного люциферина. Статья с результатами исследования опубликована в журнале Angewandte Chemie International Edition, а популярный рассказ об открытии есть на сайте ИБХ РАН.

Любители творчества Макса Фрая помнят, что в описанном им городе Ехо дома и улицы освещались грибами: «Фокус состоит в том, что грибы начинают светиться, когда их что-то раздражает, так что выключатель приводит в движение специальные щеточки, которые осторожно, но назойливо щекочут шляпки грибов». А реальной жизни можно ли извлечь пользу из грибной биолюминесценции?

Как минимум один пример этого известен. Американский школьный учитель и изобретатель Дэвид Бушнелл (1740 – 1824) создал во время войны за независимость одноместную подводную лодку Turtle («Черепаха»). Освещения внутри лодки не было, и, чтобы можно было видеть показания барометра и компаса, Бушнелл нанес на стрелки этих приборов небольшие кусочки светящегося гриба. Правда, в ходе испытаний в ноябре 1775 года он обнаружил, что при низкой температуре биолюминесценция исчезает, так что Бушнеллу пришлось отказаться от использования лодки в зимний период.

Сохранились также упоминания, что солдаты Первой мировой войны в траншеях использовали гнилушки в качестве персонального источника света. В воспоминаниях индейской целительницы Киуайдинокуай (около 1919 – 1999) рассказывается, что ее знакомый шаман установил два светящихся гниющих ствола по бокам двери ее дома. Но их свет скорее отпугивал посетителей, чем привлекал их, поэтому вскоре стволы выбросили.

Но, возможно, в наши дни зеленоватый свет перестанет пугать публику, сможем ли мы тогда устроить биоиллюминацию? На это рассчитывают инициаторы программы Glowing Plant Project, которые ведут сбор средств на работы по созданию генетически модифицированных светящихся растений. На данный момент уже они собрали предварительные заказы на такие растения от 8433 человек на сумму 484 013 долларов.

http://polit.ru/article/2016/07/10/ps_bioluminescence/