Биолюминесценция

БИОЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯ (от био...и люминесценция), видимое в темноте свечение живых организмов. В большинстве случаев это свечение обусловлено специфическими ферментативными реакциями. Субстраты реакций, сопровождающихся биолюминесценцией, называются независимо от их химической природы люциферинами, а участвующие в этих реакциях ферменты - люциферазами. Биолюминесценция обнаружена более чем у 1000 видов организмов разных уровней организации, в том числе у отдельных видов бактерий, грибов, простейших, кишечнополостных, моллюсков, ракообразных, насекомых и рыб. Подавляющее большинство способных к биолюминесценции организмов - морские. Среди обитателей суши - некоторые грибы, черви, улитки, многоножки и насекомые; очень мало пресноводных видов (пока известна одна новозеландская улитка Latia neritoides, несколько видов паразитических бактерий). Свечение может испускать вся поверхность тела или специальные свечения органы, чаще всего оно синего или зелёного цвета, реже жёлтого, иногда красного.

Механизмы биолюминесценции. Биолюминесценция представляет собой частный случай хемилюминесценции: энергия химической реакции (чаще всего это окисление люциферина молекулярным кислородом или его активными формами - пероксидом водорода или супероксид анион-радикалом О^•₂) превращается в энергию электронного возбуждения одного из продуктов реакции, которая выделяется в виде фотонов с высоким квантовым выходом (30-90%). У большинства эукариот светится не всё тело, а особые клетки - фотоциты и в них - отдельные органеллы (люмисомы, фотосомы). Такие клетки образуют фотогенную ткань, а у многих высших беспозвоночных и рыб - особые органы свечения - фотофоры, иногда очень сложно устроенные (внутренняя полость, отражатель, линза). У некоторых рыб и кальмаров свечение фотофоров обусловлено наличием симбиотических светящихся бактерий, причём каждому виду организмов соответствует определённый вид бактерий.

Биологическая роль. Большинство способных к биолюминесценции организмов генерируют световые вспышки длительностью 0,1-1 с в ответ на внешние, преимущественно механические, стимулы. Чаще всего такие вспышки отпугивают, дезориентируют или ослепляют потенциальных врагов. У некоторых организмов (колониальные оболочники рода Pyrosoma, эувфазиевые раки рода Meganyctiphanes и др.) вспышки биолюминесценции являются сигналом коллективной опасности для особей своего вида, у светляков - для привлечения особей другого пола. Длительность вспышек и интервалы между ними у самок некоторых светляков видоспецифичны, что позволяет им в местах, где обитает много других видов светляков, находить самцов своего вида. У многоклеточных животных световые вспышки контролируются нервной системой и обычно скоординированы с двигательными защитными реакциями. Сравнительно немногие организмы - бактерии, грибы, отдельные виды олигохет, многоножек, насекомых и др. - светятся непрерывно (статическая биолюминесценция). Такое свечение используется главным образом для привлечения других организмов. Так, паразитические фотобактерии светом своих колоний (в хозяине, его трупе, помёте) привлекают новых хозяев - рыб или ракообразных. Некоторые агариковые грибы (например, Panelus stipticus) завлекают светом своих плодовых тел насекомых - распространителей их спор. Хищные рыбы удильщики приманивают свою жертву к светящемуся кончику «удилища» - выступающего над нижней челюстью отростка. Личинки новозеландских комаров заманивают других, более мелких насекомых в подсвеченную телом ловчую сеть, а полихеты Odontosyllis привлекают светом особей другого пола. Глубоководные рыбы Malacosteus niger освещают ближнее пространство красным светом, который не видят другие глубоководные животные; рыбы Leognathus подсвечивают брюшко для маскировки на светлом фоне водной поверхности и так далее.

Разнообразие типов биолюминесценции. Субстраты и тем более ферменты реакций, сопровождающихся свечением, существенно различаются даже у близкородственных видов (например, среди веслоногих и ракушковых рачков). Описано более 30 типов биолюминесценции, которые возникли в ходе эволюции независимо друг от друга. Но иногда одинаковые люциферины обнаруживаются у неродственных организмов (например, целентеразин радиолярий, кишечнополостных, гребневиков, ракообразных; варгулин ракушковых ракообразных и питающихся ими рыб), что, вероятно, является следствием определённых пищевых связей или горизонтального переноса генов. У некоторых планктонных рачков, моллюсков и других животных люциферин и люцифераза выделяются во внешнюю среду, где смешиваются и в присутствии кислорода светятся либо в составе слизи, покрывающей тело животного, либо в виде расплывающегося в воде светового облака. У агариковых грибов свечение сопровождает неферментативное окисление люциферина (производное пенальдегида) супероксид анион-радикалом. Но чаще биолюминесценция появляется в результате внутриклеточных ферментативных реакций. У многощетинковых червей из семейства Polynoidae свечение выростов на спинной стороне члеников обусловлено окислением супероксидом люциферин-люциферазного комплекса - полиноидина, причём вспышки генерируются при нервном возбуждении фотоцитов. У американских дождевых червей Diplocardia longa яркое свечение сопровождает катализируемое люциферазой (пероксидазой) окисление N-изовалерил-3-аминопропеналя пероксидом водорода. У некоторых динофлагеллат люциферин исходно соединён с особым люциферин-связывающим белком; раздражение клетки вызывает подкисление цитоплазмы, при котором люциферин отделяется от этого белка и окисляется при участии люциферазы молекулярным кислородом. У радиолярий, гидроидных полипов и гребневиков Са²⁺-связывающий белок (фотопротеин) катализирует окисление присоединённого к нему люциферина (целентеразина) кислородом с образованием гидропероксида, последующий распад которого (в момент присоединения Са²⁺ к этому белку) сопровождается свечением. У фотобактерий статическая биолюминесценция вызвана ферментативным окислением флавиннуклеотида - кофактора одного из дыхательных ферментов; в реакции участвует миристиновый альдегид. У светляков люцифераза катализирует реакцию окисления производного бензотиазола молекулярным кислородом после присоединения к этой молекуле аденозинмонофосфата в результате реакции с аденозинтрифосфатом. Существует предположение, что исходно разнотипные люциферины выполняли функцию антиоксидантов и защищали организм от активных форм кислорода, образующихся в качестве побочных продуктов аэробного дыхания или специально генерируемых для уничтожения фагоцитами микробных клеток, в качестве сигналов, управляющих некоторыми внутриклеточными процессами, и так далее.

Практическое значение. Измерение интенсивности биолюминесценции широко применяется в научных исследованиях и практике. Снижение биолюминесценции фотобактерий при действии неблагоприятных факторов окружающей среды позволяет использовать их в экологическом мониторинге (например, в качестве показателя экологического «здоровья» моря) и токсикологическом анализе. При лабораторном клиническом анализе измерение интенсивности бактериальной биолюминесценции делает возможным определение концентрации альдегидов, НАД-Н (восстановленная форма никотинамиддинуклеотида), флавиновых нуклеотидов, а также активности ряда окислительно-восстановительных ферментов. Препарат, содержащий смесь люциферина и люциферазы светляка, - самый чувствительный из существующих индикаторов для определения концентрации АТФ в биологических средах. Люциферины целентеразин и варгулин используют для обнаружения супероксид анион-радикалов. Са²⁺-активируемые фотопротеины гидромедузы Aequorea victoria и гидроидов Obelia longissima (соответственно экворин и обелин) используют в качестве сверхчувствительных индикаторов Са²⁺ в живых клетках. С их помощью, например, удалось изучить роль Са²⁺ в управлении внутриклеточными процессами: мышечном сокращении, нейросинаптической передаче, оплодотворении яйцеклетки и др. Т. н. зелёный флуоресцирующий белок (GFP), преобразующий синий свет люминесценции в зелёный у некоторых кишечнополостных (в том числе гидромедузы А. victoria), применяют в генетической инженерии. Соединяя ген GFP с генами других белков, можно следить за синтезом последних во флуоресцентном микроскопе. Кроме того, белком GFP метят различные клетки (в том числе бактериальные) для наблюдения за их размножением. В качестве генетической метки широко используются разноцветные варианты белков GFP-типа, ответственные за цветную флуоресценцию и окраску небиолюминесцентных морских животных.

Лит.: Владимиров Ю. А. Сверхслабые свечения при биохимических реакциях. М., 1966; Владимиров Ю. А., Потапенко А. Я. Физико-химические основы фотобиологических процессов. М., 1989; Бровко Л. Ю., Угарова Н. Н. Тайны и загадки «живого» света // Природа. 1998. № 2; Лабас Ю. А., Гордеева А. В. Неразгаданная Дарвином биолюминесценция // Там же. 2003. № 2; Лабас Ю. А., Гордеева А. В., Фрадков А. Ф. Флуоресцирующие и цветные белки // Там же. 2003. № 3; Hastings J. W., Johnson С. Н. Bioluminescence and chemiluminescence // Biophotonics. Pt. В. Methods in Enzymology. 2003. Vol. 360.