Научно-популярная статья «Биолюминесценция» 11.12.2018

Научно-популярные заметки Академический классов ГБОУ Школа №1547

Научно-популярные заметки Академический классов ГБОУ Школа №1547

Научно-популярная статья «Биолюминесценция»
Авторы: Лев Л.С. 11Д Академический класс, Сергей А.М. 10В Академический класс
Руководитель: руководитель проекта «Академический класс» Школа №1547


Загадочная биолюминесценция будоражила умы ученых на протяжении всей истории науки, и многие аспекты этого удивительного биологического явления до сих пор неизвестны

Большинство биолюминесцентных организмов обнаружено в глубоком море, хотя небольшое количество наземных видов также обладает способностью вырабатывать свет

Девять из десяти морских видов, обитающих на глубинах менее 1000 м, способны производить свет

Считается, что существует множество причин, по которым организмы производят свет, такие как: защита, нападение или привлечение партнера и т.д.


Определение


Биолюминесценция - это свет, который образуется, когда в живом организме происходит химическая реакция. В отличие от других источников света, биолюминесценция считается «холодной» реакцией, поскольку она не выделяет никакого тепла. Биолюминесценция будоражила умы человечества на протяжении всей истории, и первоначальные сообщения о наблюдениях были отброшены как мифы. Современные ученые-исследователи по-прежнему избегают разговоров о функции биолюминесценции и о механизмах процесса. Высокий процент биолюминесцентных видов обнаружен в океанах, хотя небольшое количество обнаружено в наземных экосистемах.
⁠Считается, что организмы, живущие в океане, развили способность производить свет около 150 миллионов лет назад. Многие живые организмы развили способность к биолюминесценции, и считается, что эта эволюционная адаптация развивалась в истории жизни на Земле несколько раз. Несмотря на небольшое количество наземных видов, обладающих этим качеством, считается, что четыре из пяти биолюминесцентных видов встречаются в океане. Девять из десяти видов, обитающих в океане на глубинах менее 1000 метров, могут производить свет.
Биофлуоресценция часто путают с биолюминесценцией, хотя этот процесс очень отличается по своей сути. ⁠Биофлуоресценция включает в себя поглощающий свет организм, он не производит собственный свет, а трансформирует и переизлучает поглощенный.

Химические процессы
Биолюминесценция является продуктом химической реакции, происходящей между субстратом (люциферином) и ферментом (люциферазой), которые обнаруживаются исключительно у организмов, способных к этому процессу. Когда люциферин реагирует с кислородом и находится в присутствии люциферазы, образуется свет и оксилюциферин.

Известно, что светлячки превращают побочный продукт из этой реакции, оксилюциферин, обратно в люциферин, который будет использоваться снова. Этот процесс рециркуляции был зарегистрирован только у светлячков, но, вероятно, существует в других биолюминесцентных видах.
Другие биолюминесцентные виды имеют разные фотопротеиновые субстраты (coelenterazine в реакции ниже) и используют на заряженный ион, чтобы вызвать реакцию, а не фермент.

Организмы, которые используют этот второй процесс, могут контролировать яркость своих огней, высвобождая более или менее фотопротеины. Точная формула для этой реакции и используемых химических веществ зависит от вида.
Биолюминесцентные организмы тщательно контролируют свою способность производить свет, регулируя химические процессы в организме. Люминесценция - это ответ, вызванный центральной нервной системой в ответ на внешний фактор. Некоторые животные могут продуцировать свой собственный люциферин, такой как динофлагелляты , тогда как другие захватывают биолюминесцентные бактерии, сохраняя их внутри своих внутренних органов и формируя симбиотические отношения, такие как бактерии в приманке рыба-рыба.

Физические процессы

Длина волны и, следовательно, цвет света, создаваемого организмом, зависит от расположения молекул люциферина, и они сильно различаются между различными видами, обитающих в различных местообитаниях. Длинные волны (красный свет) не могут далеко распространяться воде на больших глубинах, поэтому большая часть биолюминесценции в океане либо синяя, либо зеленая, поскольку эти цвета имеют более короткие длины волн. Свет от солнца способен проникать через эвфотические и дисперсионные зоны океана, также называемые зоной солнечного и сумеречного зон соответственно, но не достигает афотической зоны, также известной как полуночная зона, которая встречается ниже глубины 1000 метров и именно там проживает большинство светящихся организмов.
Красный свет имеет самую длинную длину волны и поэтому не может достичь глубокого моря с поверхности. Поэтому многие организмы в глубоком море имеют красную окраску, что делает их совершенно невидимыми для хищников. Большое количество глубоководных животных утратило способность видеть красный свет, хотя некоторые виды используют эту эволюционную адаптацию в своих интересах, таких как драконьи рыбы. Драконьи рыбы способны производить красный свет, который не только служит средством общения между ними, но и позволяет им легко видеть свою добычу. Поскольку большинство других глубоководных животных не могут видеть красный свет, который производит драконь, они не будут видеть хищника прежде, чем он атакует.
На суше биолюминесцентные организмы не ограничиваются производством только зеленого или синего света, хотя многие так и делают, а светлячки и Quantula striata, единственная наземная улитка, известная к способности биолюминесценции, могут производить желтый свет.

Распространенность

Биолюминесцентные организмы в основном обнаруживаются в глубоком море ниже глубины 1000 метров, хотя меньшее количество наблюдается в мелководье и на поверхности воды, а также на суше. На суше биолюминесценция встречается редко и встречается только у нескольких насекомых, в том числе светлячков и некоторых видов жуков, аннелид (червей) и многоножек, а также более 80 видов грибов, принадлежащих к порядку Агарикалес. Биолюминесценция еще реже встречается в пресноводных средах, и очень немногие виды, которые, как известно, обладают этим качеством, такие как Latia neritoides, виды пресноводных улиток.

Цвет и закономерности биолюминесцентного света сильно различаются между видами и часто являются отражением среды обитания, в которой они находятся. Хотя и относительно редко, некоторые организмы постоянно излучают свет, такие как грибы-лисицы и светящиеся черви. Биолюминесценция может варьироваться между светом, который непрерывно горит, например, наблюдаемым в ghost fungus, или вспыхивает, как у светлячков, или может образовывать гипнотические световые проявления во всем теле организма, как видно из кальмаров и динофлагеллятов. Чаще всего свет обычно производится при вспышках, которые длится от 0,1 до 10 секунд и происходит в определенных областях тела.

Функция

Функция биолюминесценции у многих видов продолжает ускользать от ученых, которые могут только осознать, чо большинство организмов производят свет. Функция производства света у некоторых видов ясна; однако, более очевидно, и это было отмечено неоднократно во многих исследованиях, что свет используется одними видами для одной функции для охоты на добычу, в качестве защиты, в качестве способа общения, для нахождения полового партнера, а многие виды используют свет для более чем одной функции.

Репродуктивная функция


Легкое производство света при биолюминесценции является важным фактором при поиске полового партнера как для морских, так и для наземных биолюминисцентных видов. Мужские особи могут использовать свет для демонстрации своего интереса к женской особи, в то время как женская особь может использовать биолюминесценцию, чтобы мужская особь знала, что она восприимчива к спариванию. Некоторые виды даже оценивают мужественность потенциального партнера по яркости излучаемого им света и будут игнорировать менее ярких мужских особей.

Оборонительная функция

Одним из наиболее распространенных применений биолюминесценции является механизм защиты, при этом свет часто создается, чтобы запугать или сбить с толку хищника.
Многие морские виды используют защитную биолюминесцентную окраску, чтобы защитить себя от хищников. Подобно функции счётчика, защитная биолюминесцентная окраска представляет собой метод маскировки, но организм полагается на свет, а не на цвет. Свет образуется фотофорами на нижней стороне тела, которые снизу, делают контур индивидуума исчезающим на более светлой, более мелкой воде. Это предотвращает нападение многих хищников, которые охотятся снизу, таких как акулы, которые не могут видеть свою добычу и, следовательно, не в состоянии ее атаковать.
Вспышки света могут быть чрезвычайно эффективным способом сдерживания хищников от нападения на жертвы, так как вспышки света потенциальной жертвы могут не только сбить его с толку атакуещего, но и скрыть местоположение жертвы. Вспышки света также могут предупредить более крупных хищников о местонахождении менее крупных хищников и инициировать нападение на них. Этот тип защиты биолюминесценции часто называют «охранной сигнализацией». Когда хищники присутствуют, они создают возмущения в воде, которое инициирует биолюминесценцию планктона на поверхности океана. Свет планктона привлекает больших хищников, таких как киты и акулы, к местоположению более мелких хищников, которые создали возмущение в воде, что делает их легкой мишенью. Планктон затем перестает светиться, когда вода успокаивается.

Некоторые глубоководные виды способны отделять биолюминесцентные части своего тела как отвлекающую технику, так что хищник гоняется за конечностью, а не атакует основной корпус. Некоторые виды даже отделяют конечности от других животных, так что хищник нападает на них, а не на свою первоначальную цель. Если биолюминесцентное животное успешно атаковано хищником, или его отсоединенная конечность потребляется, часто биолюминесценция продолжается в желудке, что может предупредить более крупных хищников о его местонахождении и вызвать атаку.

Наступательная функция

Помимо использования биолюминесценции в качестве защитного механизма, биолюминесценция также используется как способ заманить добычу, так как многие глубоководные существа привлекаются к свету и будут стремиться к нему. У многих видов есть приманки, содержащие биолюминесцентные бактерии, которые обычно расположены вокруг их ротовой полости. Когда привлеченная добыча приближается достаточно близко, хищник может легко поглотить ее. Хищник не тратит энергию, чтобы искать пищу производя свет, это за него делают симбиотические биолюминесцентные бактерии. Биолюминесценция также используется хищниками для улучшения видимости, чтобы было легче найти очередную жертву.


Биолюминесцентные виды
Хаулиоды


Виды рода Chauliodus - это глубоководные рыбы, обитающие в тропических и умеренных водах на глубинах до 2800 метров.
У видов хаулиодов есть длинный отросток, похожий на удочку, с биолюминесцентной приманкой на кончике. Эта приманка используется, чтобы приманить добычу ко рту, который заполнен многочисленными острыми, похожими на клыки зубами.
Нижняя сторона хаулиодов покрыта биолюминисцентными фотофорами, которые помогают замаскировать ее контур против более светлой выше воды, защищая ее от хищников.

Фонареглазовые

Рыбы семейства Anomalopidae широкоизвестны как "фонарик" или "фонарь", и в Индо-Пацификах в основном в чистой тропической воде.
Общее название рыбы-фонарика связано с светящимися органами под глазами, которые содержат биолюминесценнтные бактерии. Эта рыба прячется в пещерах днем и появляется ночью, чтобы прокормиться, когда огни под глазами являются единственной частью тела, которые могут видеть хищники. Рыба-фонарик может либо покрыть свои светоизлучающие органы лоскутом кожи и, либо может открыть свои огни, чтобы сбить с толку хищников.
Рыба-фонарь также использует свои биолюминесцентные органы, чтобы улучшить свое зрение при поиске пищи, и некоторые ученые считают, что они также используют эти органы для связи.

Удильщикообразные


Удильщикообразные были обнаружены на глубинах 1600 метров ниже уровня поверхности Антарктического океана.
У этого вида живых существ у самок на передней части спинного плавника есть стержневидный отросток, имеющий форму "удочки" с биолюминесцентной приманкой на кончике, которая мелькает и перемещается вперед-назад, чтобы привлечь добычу, и показать потенциальным партнерам, что здесь есть самка.
У самцов-удильщиков нет стержневидного отростка с биолюминесцентной приманкой или он очень мал в сравнении с "удочкой" самки. Мужская особь удильщика ищет самку по свету биолюминесцентной метки и прилепляется к ней, и они остаются в таком положении пока не произойдет оплодотворение самки.

Сверкающие кальмары

Обычно в сумеречной зоне океана на глубинах около 365 метров встречаются сверкающие кальмары.
Этот головоногий моллюск производит одно из самых впечатляющий световых проявлений среди всех биолюминесцентных видов живых существ, так как большую часть его тела покрывают светопрозрачные фотофоры, которые вспыхивают в завораживающих узорах.
Свет, создаваемый сверкающим кальмаром, служит многим целям, включая предотвращение нападения хищников, общение с другими особями своего вида, а также для привлечения добычи.


Бобтейл-кальмары


Бобтейл-кальмар встречается в Атлантическом и Тихом океанах, а также в Средиземном и Черном морях, а взрослые особи данного вида были зафиксированы на глубине до 1588 метров.
Когда глубоководного бобтейл-мальмара атакует хищник, он выпускает биолюминесцентные "чернила", пугая и запутывая хищника, подобно своим мелководным родственникам.
"Чернила" этого вида кальмаров - это слизь, содержащая биолюминесцентные бактерии.


Хрупкие морские звезды



Известно более 2000 видов хрупких морских звезд, из которых более 70, являются биолюминесцентными.
Морские хрупкие звезды используют свою биолюминесценцию для защиты и могут отделять свои конечности, чтобы отвлечь хищников от их основного тела.
Морские хрупкие звезды часто используют свой свет, чтобы предупредить других особей о местонахождении хищника, который пытается напасть на них.


Dragonfish



Dragonfish живут в глубоком море и встречаются на глубине более 2000 метров.
Длинный мясистый придаток, который простирается из-под драконьей рыбы, имеет биолюминесцентную приманку на кончике, которая используется для привлечения добычи.
Световые органы под глазами драконьих рыб используется для поиска добычи.
Отличная адаптация позволяет этому виду рыб испускать и видеть красный свет, и поскольку большинство морских рыб могут видеть только синий свет, они могут искать место охоты, не будучи замеченными потенциальными жертвами.


Клинобрюхие



Биолюминесцентные клинобрюхие обитают в океане на глубине около 1500 метров.
Свет-продуцирующие клетки располагаются вдоль брюшка и производят впечатляющие рисунки, которые ослепляют и путают хищников.
Нижняя сторона хребта с биолюминесцентными клетками помогает скрыть контур тела на фоне света, исходящего от поверхности воды, что делает их невидимыми для хищников, которые могут атаковать их снизу.


Ракушковые



Ракушковые или Остракоды - это микроскопические ракообразные класса Остракоды, которые встречаются почти в каждой водной экосистеме на планете Земля.
В настоящее время науке известно около 33 000 видов остракод.
Некоторые остракоды мужского пола производят следы света, чтобы привлечь самок и указать свое метаположение. Как только одна мужская особь начинает этот ритуал спаривания, присоединяются и другие самцы, создавая эффектные световые проявления. Каждый вид остракод имеет уникальный световой узор.
Остракоды являются пищей для многих морских существ. Когда хищник атакует остракод и проглатывает его, жертва высвобождает вспышку света, которая, как известно, является одним из самых ярких случаев биолюминесценции и может быть видна через тело рыбы. Если это происходит, атакующий хищник немедленно начнет срыгивать остракод, так как местонахождение такого светящегося хищника может быть раскрыто для более крупных хищников, которые могут немедленно атаковать.


Динофлагелляты



Динофлагелляты являются большой группой одноклеточных эукариотических протист, которые встречаются во всех водных средах по всему миру.
Биолюминесцирующие динофлагелляты производят сине-зеленый свет всякий раз, когда вокруг них движется вода. В некоторых районах мира, таких как природный заповедник Хумакао в Пуэрто-Рико, существует такая высокая концентрация динофлагеллятов, что вся лагуна светится ночью, когда вода начинает постоянно двигаться.
Функция света, создаваемого динофлагеллятами, заключается в защите. Светящиеся хищники, поглотившие биолюминесцентных динофлагелят быстро становятся добычей более крупных хищников, потому что свет раскрывает их местоположение и делает их легкой добычей.


Биолюминесцентные бактерии



Известно, что биолюминесцентные бактерии создают естественное зрелище под названием "молочное море", когда вода непрерывно светиться невообразимо красивым светом.
Некоторые случаи "молочного моря" настолько велики и ярки, что их можно увидеть из космоса.
Биолюминесцентные бактерии собираются и удерживаются "в плену" другими организмами, которые не могут производить свой собственный свет, например, рыбы-рыболовы и рыбы-фонарики.


Светлячки



Светлячки имеют большое распространение и встречаются в Северной и Южной Америке, Европе и Азии, где они обычно обитают в лесных районах с открытой водой, хотя их иногда можно встретить в более сухих местах обитания.
Светлячки используют биолюминесценцию как метод общения между самцами и самками во время спаривания, причем женские особи оценивают мужественность партнера по качеству и яркости его света. Если женская особь восприимчива к спариванию, она будет мигать своим фонарем, сигнализируя самцам. У каждого вида светлячком есть своя серия вспышек, которые помогают им определять особей своего и чужого вида.
Женские особи светлячков часто имитируют вспышки других видов, чтобы привлечь самцов другого вида. Как только мужская особь приближается, самка пожирает его.
Известно, что женские особи светлячков используют свою биолюминесценцию для изощрённых способ охоты. Самки могут мигать своим фонарем у паутины паука, а когда самец чужого вида светлячков попадается в паутину, самка ворует его у паука и сжирает.

Грибные комарики



Все 4 вида комариков рода ⁠Arachnocampa встречаются лишь на территории Новой Зеландии и Австралии. Они живут в темных и влажных пещерах, потому что именно там чаще всего их основной корм - особые грибы. Личинки комаров также могут питаться этими грибами, но больше они предпочитают насекомых -мошек, москитов, моль и прочих мелких насекомых.
Arachnocampa luminosa вид организмов, обитающий на территории Северного острова, что в Новой Зеландии, в системе пещер Вайтомо, что на языке Майори переводится как "вода" (wai) и "отверстие" (tomo).
В этих пещерах то, что на первый взгляд кажется миллиардами маленьких звездочек, на самом деле не что иное как подсвеченные ловчие сети личинок грибных комаров ⁠Arachnocampa luminosa.
Для поимки добычи личинки ⁠Arachnocampa luminosa плетут ловушки в виде шелковых нитей длиной до 30-40 сантиметров. На конце или по всей длине нити располагаются капельки липкой жидкости. Личинки этих комаров подсвечивают собственным телом эту ловушку, привлекая таким способом добычу.

Обыкновенный светляк



Lampyris noctiluca – это живые организмы более известны как обыкновенный светляк.
Они имеют червеобразную форму несмотря на то, что их предки были жуками.
Женские особи обыкновенного светляка бескрылы и способны вырабатывать сильный желто-зеленый свет, чтобы привлечь крылатых мужских особей.
Вместо того, чтобы производить свет в вспышках, так как это делают светлячки, обыкновенный светляк дает постоянный свт, который отключает только когда спаривается.


Биолюминесцентные грибы



Биолюминесцентные грибы встречаются во всем мире, хотя они чаще всего встречаются в тропиках.
Считается, что существует как минимум 80 видов светящихся грибов.
Свет, создаваемый грибами, неоновый зеленый и постоянно светится, а не мерцает.
Биолюминесцентные грибы используют свой свет, чтобы привлечь насекомых для распространения своих спор.
Насекомые разносят споры этих грибов по всему лесу. Причина биолюминесценция этих видов грибов остается загадкой, так как светятся плодовые тела, а не место расположение спор.

Заключение
Биолюминесценция – это широко распространённое явление в живой природе. К биолюминесценции способны как одноклеточные, так и многоклеточные животные, грибы. Гены биолюминесценции имеют важное прикладное значение в генной инженерии бактерий и млекопитающих, как маркер для выведения промышленно-полезных штаммов бактерий.

Felix, qui potuti rerum cogoscere causas!