Свет в глубинах: откуда, сколько раз и почему появилась биолюминесценция?

Биолюминесцентные организмы развивались десятки раз на протяжении истории жизни. Какая биохимия необходима, чтобы осветить тьму? Разного рода исследования посвящены именно этому вопросу. Погрузитесь достаточно глубоко в пучину океана, и вы увидите не тьму, а свет. 90% рыб и морских обитателей, которые процветают на глубине 100 или даже 1000 метров, способны производить собственный свет. Рыбы-фонарики охотятся и общаются при помощи своеобразного кода морзе, посылаемого световыми кармашками под глазами. Рыбы семейства Platytroctidae стреляют светящимися чернилами в нападающих на них. Рыбы-топорики делают себя невидимыми, производя свет в своих брюшинах, имитируя нисходящий солнечный свет; хищники смотрят на них и видят лишь непрерывное свечение.

Ученые индексировали тысячи биолюминесцентных организмов по всему древу жизни и ожидают добавить еще больше. Однако они давно задаются вопросом, как вообще появилась биолюминесценция. Теперь, как показывают недавно опубликованные исследования, ученые добились значительного прогресса в понимании истоков биолюминесценции — как эволюционно, так и химически. Новое понимание может однажды позволить использовать биолюминесценцию в биологических и медицинских исследованиях.

Одна из застарелых задач заключается в том, чтобы определить, сколько раз возникала отдельная биолюминесценция. Сколько видов приходили к ней независимо друг от друга?

Хотя некоторые из наиболее известных примеров света у живых организмов вполне земные — вспомните светлячков, например, — основная часть эволюционных событий, связанных с биолюминесценцией, имела место в океане. Биолюминесценция фактически и очевидно отсутствует у всех наземных позвоночных и цветущих растений.

В глубинах океана свет дает организмам уникальный способ привлекать добычу, общаться и защищаться, говорит Мэтью Дэвис, биолог из Государственного университета Сен-Клу в штате Миннесота. В исследовании, опубликованном в июне, он и его коллеги обнаружили, что рыбы, которые используют свет для связи и сигнализации ухаживания, были особенно распространены. За период около 150 миллионов лет — недолго по эволюционным меркам — такие рыбы широко распространились в больше видов, чем другие рыбы. Биолюминесцентные виды, которые использовали свой свет исключительно для маскировки, с другой стороны, были не так разнообразны.

Брачные сигналы можно менять относительно легко. Эти изменения, в свою очередь, могут создавать подгруппы в популяции, которые в конечном итоге расщепляются на уникальные виды. В июне Тодд Окли, эволюционный биолог из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре, и один из его студентов Эмили Эллис опубликовали исследование, в котором показали, что организмы, использующие биолюминесценцию в качестве брачных сигналов, имели гораздо больше видов и большую скорость накопления видов, чем близкие их родственники, не использующие свет. Окли и Эллис изучили десять групп организмов, включая светлячков, осьминогов, акул и крошечных членистоногих остракод.

Исследование Дэвиса и его коллег было ограничено лучеперыми рыбами, в группу которых входит примерно 95% видов рыб. Дэвис подсчитал, что даже в одной этой группе биолюминесценция развивалась по крайней мере 27 раз. Стивен Хаддок, морской биолог из Monterey Bay Aquarium Research Institute и эксперт в области биолюминесценции, оценил, что среди всех форм жизни биолюминесценция независимо появлялась по меньшей мере 50 раз.

Много способов зажечь

Почти у всех светящихся организмов биолюминесценция требует три ингредиента: кислород, светоизлучающий пигмент люциферин (от латинского слова lucifer, означающего «несущий свет») и фермент люциферазы. Когда люциферин взаимодействует с кислородом — при помощи люциферазы — он образует возбужденные, нестабильный компонент, который излучает сет, возвращаясь в более низкоэнергетическое состояние.

Любопытно, но люциферинов намного меньше, чем люциферазы. Хотя у видов, как правило, есть уникальная люцифераза, очень многие имеют один и тот же люциферин. За производство большей части света в океане несут ответственность всего четыре люциферина. Из почти 20 групп биолюминесцентных организмов в мире в девяти из них свет излучает люциферин под названием коэлентеразин.

Однако было бы ошибкой считать, что все коэлентеразинсодержащие организмы произошло от одного светящегося предка. Если бы это было так, то зачем бы им развивать такой широкий спектр люциферазы, задает вопрос Уоррен Фрэнсис, биолог из Университета Людвига Максимилиана в Мюнхене. Предположительно, должна была выжить и размножиться первая пара люциферина-люциферазы.

Вероятно также и то, что многие из этих видов не производят коэлентеразин самостоятельно. Вместо этого они получают его из своего рациона, говорит Юичи Оба, профессор биологии в Университете Тюбу в Японии.

В 2009 году группа под руководством Обы обнаружила, что глубоководный рачок (копеподы) — крошечное, распространенное ракообразное — делает свой коэлентеразин. Эти рачки являются чрезвычайно обильным источником пищи для широкого спектра морских животных — настолько обильным, что в Японии их называют «рисом в океане». Он думает, что эти рачки являются ключом к пониманию того, почему так много морских организмов биолюминесцентны.

Оба и его коллеги взяли аминокислоты, которые предположительно являются строительными блоками коэлентеразина, пометили их молекулярным маркером и загрузили в пищу копепод. Затем скормили эту пищу рачкам в лаборатории.

Через 24 часа ученые экстрагировали коэлентеразин из рачков и рассмотрели маркеры, которые добавились. Очевидно, они были везде — что стало окончательным доказательством того, что ракообразные синтезировали молекулы люциферина из аминокислот.

Даже медузы, в которых впервые обнаружили коэлентеразин (и в честь которых назвали), не производят собственный коэлентеразин. Они получают свой люциферин, поедая рачков и других мелких ракообразных.

Загадочное происхождение

Ученые нашли другую подсказку, которая могла бы помочь объяснить популярность коэлентеразина среди глубоководных животных: эта молекула также есть у организмов, которые не излучают свет. Это поразило Жана-Франсуа Риза, биолога из Католического университета Левена в Бельгии, показалось ему странным. И без того удивительно, что «так много животных полагаются на одну и ту же молекулу в производстве света», говорит он. Возможно, коэлентеразин имеет и другие функции, помимо люминесценции?

В экспериментах с клетками печени крыс Риз показал, что коэлентеразин является мощным антиоксидантом. Его гипотеза: возможно, коэлентеразин сначала распространился среди морских организмов, живущих в поверхностных водах. Там антиоксидант мог обеспечивать необходимую защиту от оксидативного влияния вредоносных солнечных лучей.

Когда эти организмы начали колонизировать более глубокие океанические воды, где необходимость в антиоксидантах ниже, пригодилась и способность коэлентеразина испускать свет, предположил Риз. Со временем организмы выработали разные стратегии — вроде люциферазы и специализированных органов света — чтобы усилить это качество.

Тем не менее ученые не выяснили, как другие организмы, не только копеподы Обы, делают коэлентеразин. Гены, которые кодируют коэлентеразин, тоже совершенно неизвестны.

Взять, к примеру, гребневик. Эти древние морские существа — некоторые считают их первой ветвью животного древа — давно подозреваются в производстве коэлентеразина. Но никто не смог подтвердить это, не говоря уж о том, чтобы определить конкретные генетические инструкции за работой.

В прошлом году, впрочем, сообщали, что группа исследователей во главе с Фрэнсисом и Хаддоком наткнулась на ген, который может быть вовлечен в синтез люциферина. Для этого они изучали транскриптомы гребневиков, которые представляют собой мгновенные снимки генов, которые животное экспрессирует в конкретно взятый момент. Они искали гены, закодированные для группы из трех аминокислот — тех же аминокислот, которые Оба скармливал своим копеподам.

Среди 22 видов биолюминесцентных гребневиков ученые обнаружили группу генов, соответствующую их критериям. Эти же самые гены отсутствовали у двух других нелюминесцентных видов гребневиков.

«Это очень сильное, но все же косвенное доказательство» того, что эти гены могут быть вовлечены в производство коэлентеразина, говорит Хаддок. По мере того, как методы работы с гребневиками в лаборатории будут становиться более продвинутыми, он считает, что его команда найдет ответы при помощи генно-манипуляционных экспериментов.

Новый свет

Генетический механизм биолюминесценции имеет применения за пределами эволюционной биологии. Если ученые смогут изолировать гены для пар люциферина и люциферазы, они потенциально смогут заставлять организмы и клетки светиться, по тем или иным причинам.

В 1986 году ученые из Университета Калифорнии в Сан-Диего модифицировали и включили ген люциферазы светлячка в растения табака. Исследование было опубликовано в журнале Science с изображением одного из этих растений, устрашающе светившихся на темном фоне.

Это растение не производит свет само по себе — оно содержит люциферазу. Но чтобы этот табак светился, его нужно поливать раствором, содержащим люциферин.

Тридцать лет спустя ученые до сих пор не смогли при помощи генной инженерии создать самосветящиеся организмы, поскольку не знают пути биосинтеза для большинства люциферинов. (Единственное исключение нашли у бактерий: ученые смогли определить гены свечения, которые кодируют бактериальную систему люциферин-люциферазы, но эти гены нужно модифицировать, чтобы они были полезны для любого небактериального организма).

Одно из самых больших потенциальных применений люциферина и люциферазы в клеточной биологии — включить их как лампочки в клетки и ткани. Такого рода технология была бы полезна для отслеживания местоположения клетки, экспрессии гена, производства белка, говорит Дженнифер Прешер, профессор химии в Университете Калифорнии в Ирвине.

Использование молекул биолюминесценции будет так же полезно, как и использование флуоресцентного белка, при помощи которого уже наблюдают развитие ВИЧ-инфекций, визуализации опухолей и отслеживания повреждения нервных клеток при болезни Альцгеймера.

В настоящее время ученые, использующие люциферин для экспериментов с визуализацией, должны создавать синтетическую его версию или покупать по 50 долларов за миллиграмм. Вводить люциферин извне в клетку тоже сложновато — это не было бы проблемой, если бы клетка могла делать собственный люциферин.

Исследования продолжаются и постепенно определяют эволюционные и химические процессы на то, как организмы производят свет. Но большая часть биолюминесцентного мира по-прежнему остается в темноте.