Як світиться світлячок

Про світляків чув кожен, багато людей навіть їх не раз бачили. Поширені вони практично по всьому світу, і кожен з двох тисяч видів має здатність випромінювати загадковий, золотисто-зелене світло. Таким чином комахи не тільки сигналізують про своє місцезнаходження, але і відрізняють «своїх» і «чужих» за особливою частоті мерехтіння. Але чи замислювалися ви, як саме відбувається ця магія? Адже крихітний жучок працює не від розетки ...

Пристрій «ліхтаря»

Найчастіше орган світіння цих жуків - фотофор - розташовується на кінці черевця і за своїм принципом дійсно нагадує звичайний кишеньковий ліхтарик. Фотофор складається з трьох шарів. Нижній шар, дзеркальний, здатний відбивати світло. Верхній шар являє собою світлопрозору кутикулу. Але найцікавіше відбувається в середньому шарі, де знаходяться фотогенія клітини, або фотоціти. Вони виробляють світло завдяки інтенсивному використанню кисню.

У комах немає легких, а кисень передається за допомогою розгалуженої мережі трубочок (трахеол) і запасається в мітохондріях клітин. Для швидкого виділення необхідної кількості кисню, організм світлячка виробляє окис азоту, яка, вступаючи в мітохондрії, витісняє з них кисень. Вмикання та вимикання цих процесів регулюється нервовою системою комах.

Люмінесценція або флюоресценція?

У популярній пресі світяться називають організми, що володіють і флюоресценцией, і люмінесценцією. Обидва процеси зустрічаються в природі (часом у одних і тих же організмів) і зараз активно досліджуються біологами, генетиками, фармацевтами та інженерами. Але якщо флюоресценція передбачає пасивне переизлучение світла з невеликим зменшенням енергії і відповідним зрушенням в довжині хвилі, то люмінесценція - це активний процес, в ході якого хімічна енергія перетворюється в світло.

Ферменти, які проводять перетворення хімічної енергії в світіння, називаються люціферази, а їх субстрати (органічні пігменти) - люциферином. Обидва слова походять від латинського «lucifer», який, в свою чергу, складається з латинських коренів lux «світло» і fero «несу». Незважаючи на однакову назву, між люціферази і люциферином, крім власне функції, дуже мало спільного: вони мають різну будову, різне походження і по-різному працюють.

Найбільш вивченою є система світіння жуків-світляків - біолюмінісценція. Люціферази каталізує реакцію, в ході якої молекула АТФ (універсальна одиниця клітинної енергії) активує пігмент люциферин, після чого до нього приєднується кисень. «Магія» відбувається в той момент, коли від окисленого люциферина відділяється CO2: молекула барвника виявляється в збудженому стані, залишаючи яке вона випускає квант світла. Цікаво, що у всіх організмів, незважаючи на незалежне виникнення системи світіння, воно так чи інакше пов'язане саме з окисленням.

Від чого залежить колір світіння?

В принципі світло, вироблений люціферази, може мати майже будь-який відтінок - від синьо-зеленого до червоного. У світлячків, зокрема, світіння відноситься до видимої жовто-зеленої частини спектру, що відповідає довжинах хвиль від 500 до 600 нм. При цьому світло, що випромінюється світлячками, не дає тепла - в ньому немає інфрачервоних і ультрафіолетових променів. На відміну від звичайної електричної лампи, де основна частина енергії переходить у беззмістовне тепло, а ККД становить 5-10%, світлячки переводять в світлове випромінювання до 98% витраченої енергії.

Однак в природі є безліч інших живих організмів, що випромінюють світло - Корали, медузи, глибоководні риби ... У їхніх клітинах зустрічаються одночасно і люціферази, і флюоресцирующие білки (наприклад, відомий GFP). Вони не просто знаходяться в одній клітці, а й настільки тісно пов'язані один з одним, що виникає квантовий ефект переносу збудження: фотон, вироблений люціферази, не випромінюючи, переноситься на GFP, який його викидає вже зі зміненою довжиною хвилі.

Тому мешканці морських глибин, а також створені на основі витягнутого з них білка GFP світяться миші, поросята, рибки та інша живність, світяться зеленим - хоча їх люцефераза спочатку налаштована на синій колір. Використання GFP дозволяє збільшити ефективність випромінювання за рахунок того, що флуоресцентний білок у порівнянні з люциферином таких організмів менш схильний втрачати збуджений стан без випромінювання кванта світла. У жуків-світляків (як і у люмінесцентних бактерій) немає білків, подібних GFP, і в цьому відношенні їх система світіння влаштована простіше.

Трохи романтики ...

Вчені вважають, що біолюмінісценція для світлячків є засобом межполового спілкування. Тропічні та північноамериканські види світлячків іноді виконують цілі хорові серенади для своїх партнерок. Зібравшись на одному дереві, вони спочатку блимають кожен в свій час. Потім пара комах починає робити це синхронно. Проходить трохи часу, і поступово все комахи починають дружно і в один і той же час випускати короткі спалахи світла. Через півгодини ціле дерево поводиться як єдиний живий організм, і може здатися, що воно просто прикрашено електричної гірляндою лампочок.

Самки відповідають їм такий же світломузикою, спалахуючи і згасаючи всій зграйкою. Правда, за нашими мірками «прекрасною статтю» їх не назвеш: своїм зовнішнім виглядом безкрилі самки світлячків нагадують личинок. Світлячок, що не заморочуючись на такі дрібниці, летить до своєї подруги ... але буває з'їдений. Наприклад, самки світлячків виду Photuris наслідують світінням виду Photinus і привертають до себе чужих чоловічих особин. З'їдаючи ошуканих (і гірко розчарованих в любові) самців, хижачки отримують не лише їжу, а й захист від птахів і павуків, оскільки їх видобуток містить особливу хімічну речовину.