Наше сиятельство, наша светлость: мы все светимся, но некоторые – особенно ярко
Оказывается, наши тела излучают очень слабый видимый свет, — и все другие живые организмы тоже. А некоторые — даже довольно сильный. И их становится все больше, не без помощи генетиков.
Свет внутри
Конечно, тела всех живых существ испускают фотоны инфракрасного излучения, пока их температура выше абсолютного нуля, — но речь не о них, а о фотонах видимого света. Мы светимся, а когда умираем — призрачное свечение исчезает. Это показали ученые канадского Университета Калгари, — в недавнем исследовании они регистрировали так называемый ультраслабый поток фотонов от тел живых мышей, который прекращался, если мышь умирает.
Во внутриклеточных реакциях молекулы теряют или поглощают энергию, что выражается в эмиссии нескольких фотонов в секунду на квадратный сантиметр ткани. Главный предполагаемый источник этого «биоизлучения» — воздействие активных форм кислорода, которые вырабатываются живыми клетками при стрессе. Исследователи регистрировали утраслабый поток фотонов и от листьев растения (Heptapleurum arboricola) — и увидели, что механизм восстановления повреждений увеличивает излучение биофотонов.
Получается, мы ярче всего сияем на пике стресса и активности, — когда испытываем трудности или боль, боремся с обстоятельствами и преодолеваем себя.
Чем не аура? Например, тем, что при свете ее не увидеть, — а вот в полной тьме можно заметить и единственный фотон, если он попадет на один из рецепторов сетчатки. Но в природе есть животные, которые умеют светиться гораздо ярче — и их намного больше, чем кажется нам, обитателям суши, к тому же не способным видеть ультрафиолетовое излучение.
В темных глубинах океана светиться умеют все, кто хочет быть замеченным (например, чтобы размножиться). Но и в прибрежных водах светятся бактерии, губки, одноклеточные водоросли, кораллы, медузы, моллюски, иглокожие, рачки… Биолюминисцентный фитопланктон (например, ночесветки в Черном море) ночью светится от любого движения воды.
«Ихтиандр смотрит вверх — перед ним свод, сплошь усеянный мелкими, как пыль, звездами. Это ночесветки зажгли свои фонари и поднимаются на поверхность океана. Кое-где во тьме виднеются голубоватые и розоватые светящиеся туманности — плотные скопления мельчайших светящихся животных. Медленно проплывают шары, излучающие мягкий зеленоватый свет. Совсем недалеко от Ихтиандра светится медуза — она похожа на лампу, прикрытую затейливым абажуром с кружевами и длинной бахромой. … Медуза медленно покачивалась в воде, словно танцуя под невидимую музыку глубин. Ее свет казался живым, пульсирующим, словно дыхание океана…»
Александр Беляев «Человек-амфибия»
Зачем звери светятся?
Но еще больше существ умеют испускать фотоны под действием ультрафиолетового излучения. Способность отражать или сначала поглощать, а потом повторно излучать ультрафиолетовый свет называется фотолюминисценцией. Некоторые животные поглощают его и отражают свет видимых длин волн. Например, тасманийские дьяволы. Но зачем им это, ведь в ночные клубы они не ходят?
Другие демонстрируют ультрафиолетовую окраску, невидимую человеческому глазу без специальных камер. Недавнее исследование показало, что мех 95% процентов австралийских млекопитающих обладает фотолюминесцентными свойствами хотя бы в небольшой степени, взять хоть вомбата, хоть утконоса. Но для чего им это — загадка.
Как выясняется, фотолюминисценция и ультрафиолетовые узоры на теле — очень распространенное явление в живой природе. Они есть у большинства змей и лягушек, у очень многих птиц, рыб и других подводных обитателей. Например, акулы видят друг друга ярко святящимися зеленым светом.
Ученым понятнее, зачем морским существам способность поглощать ультрафиолет и излучать в других цветах: верхние части океана действуют как фильтр синего света, глубже проникает только ультрафиолетовый. Одни существа так предупреждают о своей ядовитости, другие привлекают добычу, третьи — партнеров. Особенно распространена третья функция — так делают даже растения, — используют ультрафиолетовую окраску, чтобы направлять опылителей к своим цветам. И птицы, — например, у тупиков, оказывается, неоновые клювы.
Но у ученых на сегодня практически нет данных о том, зачем фотолюминисценция млекопитающим и кто из них способен ее замечать. Возможно, это просто какой-то побочный эффект.
Свет цветов
Биолюминесценция много раз возникала на совершенно разных ветвях эволюционного древа, от грибов до светлячков. Они светятся благодаря люциферинам — это группа разнообразных веществ с общей способностью — светиться при окислении, которое запускает фермент люцифераза, при этом выделяется энергия — квант света.
Только растения никак не могли научиться светиться видимым светом, хотя люциферин одноклеточных существ из планктона, способных ярко светиться, — это производная хлорофилла, того самого, который дает возможность растениям питаться солнечной энергией.
Лишь несколько лет назад эволюция создала, наконец, первые святящиеся растения, использовав для этого российских ученых. Это табак и петунья, — на вид вполне обычные, только от листьев, стеблей, цветов и даже корней исходит яркое зеленое свечение.
Создать светящихся животных намного проще. Еще в 2000 году «трансгенный художник» Эдуард Кац инсталлировал в геном крольчихи по имени Альба генетический комплекс, позаимствованный у медузы, производящий люциферин и люциферазу. Фотографии светящейся крольчихи обошли мировые СМИ.
Тогда казалось, что художник, приоткрыл дверь в далекое будущее. А сейчас в аквариумах у обычных людей плавают стайки неразлучных светящихся, генетически модифицированных барбусов. Это уже никого не удивляет.
Но в растениях фокусы с генами медузы и светлячка не сработали: свечение удавалось вызвать, но едва заметное.
Решение пришло, когда исследователи из Института биоорганической химии РАН с коллегами установили структуру люциферина грибов. Они синтезировали несколько искусственных аналогов этого люциферина, которые испускают свет разных цветов. В 2018 году вместе с учеными Красноярского научного центра СО РАН они полностью описали генетический механизм, позволяющий грибам светиться в темноте. Испускание света обеспечивают всего четыре фермента, перенос которых в любые другие организмы делает их светящимися. Чтобы это проиллюстрировать, авторы для начала создали светящиеся в темноте дрожжи.
А в 2020-м все та же команда исследователей под руководством Карена Саркисяна и Ильи Ямпольского создала первые живые растения, устойчиво светящиеся в темноте. Эти цветки табака производят более миллиарда фотонов в минуту.
В Америке биотех-стартап Light Bio, основанный Кареном Саркисяном, уже продает светящиеся в темноте цветы петуньи. Может быть, скоро вместо ночников в моду войдут светящиеся цветы.