Ночь над морем. Вода почти чёрная, но вдруг за лодкой вспыхивает голубоватый след. Иногда светится целая волна, а иногда в темноте загорается сама медуза. Никакой лампочки внутри неё нет: некоторые живые организмы действительно умеют создавать свет с помощью химической реакции. Это явление называется биолюминесценцией. Но первый сюрприз состоит в том, что светятся далеко не все медузы.
Что такое биолюминесценция простыми словами
Биолюминесценция — это свет, который живой организм создаёт благодаря химической реакции.
Слово можно разобрать на две части: «био» означает жизнь, а «люминесценция» — свечение.
Медуза при этом не горит и не нагревается как лампа накаливания. Внутри её тканей химическая энергия превращается в энергию света.
Поэтому биолюминесцентное свечение иногда называют «холодным светом»: большая часть энергии не уходит на сильный нагрев тканей.
Разные организмы используют разные молекулы и химические системы. Биолюминесценция возникала в эволюции неоднократно, поэтому «лампочка» светлячка и светящаяся система морского животного могут быть устроены совсем по-разному.
Светятся ли медузы на самом деле?
Да, некоторые медузы действительно способны производить собственный свет.
Но фраза «медузы светятся» слишком широкая.
Есть биолюминесцентные виды. Есть виды, которые собственного света не производят. А ещё существуют желеобразные морские животные, которые выглядят радужными или светящимися из-за отражения, преломления или флуоресценции внешнего света.
Например, гребневиков нередко принимают за медуз. По их телу проходят ряды ресничек, которые могут раскладывать падающий свет на радужные цвета. Сам по себе этот радужный эффект ещё не является биолюминесценцией.
Поэтому главный проверочный вопрос звучит так:
создаёт ли организм свет сам или только изменяет свет, пришедший извне?
Почему биолюминесценция в море чаще синяя?
Большая часть морской биолюминесценции имеет голубой или сине-зелёный оттенок.
Причина связана с самой водой.
Красные и оранжевые составляющие света сравнительно быстро поглощаются морской водой. Синий свет способен распространяться значительно дальше.
Поэтому в тёмном океане именно синий «фонарик» особенно хорошо заметен на расстоянии.
Это не означает, что другого биолюминесцентного света не существует. В природе встречаются зеленоватые, желтоватые и даже редкие красные варианты. Но синий цвет для моря особенно характерен.
Зачем медузам нужен собственный свет?
Здесь у науки нет одного ответа для всех видов.
Биолюминесценция у морских животных может выполнять разные задачи: помогать защищаться, отпугивать противника, привлекать добычу или партнёра, подавать сигналы.
У многих медуз одна из главных предполагаемых функций — защита.
Представь абсолютную темноту.
Хищник касается почти прозрачной медузы — и неожиданно получает яркую вспышку.
Она может испугать нападающего или хотя бы на несколько мгновений нарушить его атаку.
Для медузы этих мгновений иногда достаточно, чтобы увеличить шансы на спасение.
Atolla: медуза, которая включает подводную сигнализацию
Есть стратегия ещё интереснее.
Глубоководная медуза Atolla стала знаменитой благодаря эффектной световой реакции при нападении.
Для одной из возможных функций такого свечения даже придумали выразительное название — burglar alarm, то есть «сигнализация от грабителя».
Логика почти детективная.
Мелкий хищник хватает светящееся животное. Жертва начинает ярко мигать. Вспышка способна привлечь более крупного хищника.
А уже тот может напасть не на медузу, а на её первоначального врага.
Получается приблизительно такое сообщение:
«Если ты меня схватишь, я сообщу об этом тому, кто может съесть тебя».
Исследователь Эдит Уиддер даже создала оптическую приманку e-jelly, имитирующую световую реакцию Atolla, чтобы привлекать глубоководных животных к камерам.
Светящаяся медуза Aequorea victoria
Но самая знаменитая светящаяся медуза прославилась не защитой.
Aequorea victoria — почти прозрачная гидромедуза, обитающая у тихоокеанского побережья Северной Америки.
По краю её зонтика расположено больше сотни маленьких светопроизводящих участков.
Когда животное раздражают, появляется зеленовато-голубое свечение.
Именно попытка понять происхождение этого света привела к открытию двух знаменитых белков — экворина и GFP.
Как возникает зелёный свет Aequorea victoria
Система оказалась хитрее, чем можно было ожидать.
Белок экворин реагирует на ионы кальция и выделяет энергию в форме синего света.
Но рядом находится другой белок — GFP, green fluorescent protein, зелёный флуоресцентный белок.
Энергия может передаваться GFP, и он испускает уже зелёный свет.
Упрощённо это можно представить как молекулярную эстафету:
кальций → экворин → энергия → GFP → зелёный свет.
Биолюминесценция и флуоресценция — не одно и то же
Эти явления очень легко перепутать.
Биолюминесценция означает, что организм сам запускает химическую реакцию, которая создаёт свет.
Флуоресценция работает иначе: молекула получает энергию света извне и затем переизлучает её другим цветом.
GFP способен флуоресцировать зелёным.
В живой Aequorea victoria энергия для этого может поступать от собственной биолюминесцентной системы животного.
Получается особенно красивый случай: в одном организме взаимодействуют сразу два разных световых явления.
Как свет медузы получил Нобелевскую премию
Разумеется, саму медузу в Стокгольм не приглашали.
Но в 2008 году Осаму Симомура, Мартин Чалфи и Роджер Цзянь получили Нобелевскую премию по химии за открытие и развитие применения GFP.
Почему один зелёный белок оказался настолько важен?
Потому что GFP превратился в молекулярную метку.
Учёные научились связывать его ген с другими генами и получать клетки, в которых нужная структура начинает флуоресцировать.
Так можно наблюдать процессы внутри живых клеток: видеть, где находится определённый белок, как развиваются клетки, какие гены работают и как структуры перемещаются со временем.
То, что начиналось с вопроса «почему эта медуза светится?», превратилось в один из самых известных инструментов современной биологии.
Pelagia noctiluca — настоящая светящаяся медуза
Есть и другой красивый пример — Pelagia noctiluca, обитающая в Средиземном море и Атлантике.
Название вида само напоминает о ночном свете.
Эта медуза действительно способна к биолюминесценции. При механическом раздражении её ткани могут давать световую реакцию.
Но специально трогать такую медузу ради вспышки нельзя.
У медуз есть стрекательные клетки, используемые для защиты и ловли добычи. Даже выброшенное на берег животное в некоторых случаях продолжает жалить.
Световое шоу лучше наблюдать на расстоянии.
Светятся ли медузы постоянно?
Обычно нет.
У многих биолюминесцентных животных световая реакция запускается конкретным событием: прикосновением, движением воды, атакой или другим раздражением.
Это логично.
Если свечение выполняет роль сигнализации, нет смысла держать её включённой круглые сутки.
Медуза может оставаться почти незаметной, а после прикосновения внезапно вспыхнуть.
Почему море иногда светится ночью?
Вот здесь возникает важная путаница.
Если в ночном море вспыхивает одна медуза, источником света действительно может быть она.
Но когда целая волна становится голубой, причина часто совсем другая.
Массовое свечение воды могут создавать микроскопические организмы — например некоторые динофлагелляты.
Одна клетка производит маленькую вспышку. Но когда таких клеток миллионы, движение воды вызывает целое световое облако.
Поэтому светящаяся кромка прибоя вовсе не означает, что под каждой волной находятся тысячи медуз.
Глаз видит одно чудо — голубой свет в воде.
Но его могут создавать совершенно разные живые организмы.
Почему свет в глубоком океане особенно важен
Чем глубже мы погружаемся, тем меньше солнечного света остаётся.
Ниже примерно 1000 метров солнечного света практически нет.
Но жизнь там не прекращается.
В мире постоянной темноты собственный свет превращается в настоящий инструмент.
Им можно отпугнуть врага, привлечь добычу, найти партнёра или передать сигнал.
Некоторые животные даже используют свет для маскировки: подсвечивают нижнюю сторону тела так, чтобы их тёмный силуэт меньше выделялся на фоне слабого света сверху. Такой способ называется контриллюминацией.
То есть в океане свет иногда нужен не для того, чтобы стать заметнее.
А наоборот — чтобы исчезнуть.
Как отличить настоящий свет медузы от красивой подсветки?
Это полезно помнить в океанариуме.
Прозрачных медуз часто подсвечивают синими, красными или фиолетовыми лампами. Они выглядят фантастически, но это вовсе не доказывает, что животное биолюминесцентно.
Можно мысленно задать три вопроса.
Если организм сам создаёт фотоны благодаря химической реакции — это биолюминесценция.
Если он поглощает внешний свет и переизлучает его другим цветом — это флуоресценция.
Если радужный эффект возникает из-за строения поверхности и взаимодействия с внешним светом — это может быть иридесценция.
Снаружи всё выглядит как «что-то светится».
Но физика совершенно разная.
Почему светящиеся медузы оказались важны для науки?
Мы начали с ночного моря и маленькой вспышки.
Но за ней обнаружилась целая цепочка открытий.
Биолюминесценция показывает, как химическая энергия может превращаться в свет. Глубоководные медузы демонстрируют, как вспышка становится защитой или сигналом. А Aequorea victoria подарила науке GFP — молекулу, благодаря которой исследователи научились буквально подсвечивать процессы внутри живых клеток.
Наверное, это и есть самый неожиданный ответ на вопрос «почему медуза светится?».
Иногда попытка понять маленький зелёный огонёк в океане приводит совсем не туда, куда ожидали.
И позволяет увидеть то, что раньше человек вообще не мог увидеть.
Источники
- NOAA Ocean Exploration — What is bioluminescence?
- Smithsonian Ocean — Jellyfish and Comb Jellies
- Monterey Bay Aquarium — Crystal jelly
- NOAA Ocean Exploration — Atolla burglar alarm
- Nobel Prize — The Nobel Prize in Chemistry 2008