Чего биологи до сих пор не знают о биолюминесценции

Важные новости

Что еще биологи не знаю о биолюминесценции

Бамбуковый коралл Isidella демонстрирует биолюминесценцию в Карибском море в 2009 году. Фото: Сёнке Джонсен, CC BY-ND

Людей издавна интересовали организмы, способные производить свет. Аристотель, который был не только учёным, но и философом, написал первые подробные описания того, что он называл «холодным светом», более 2000 лет назад. Совсем недавно исследователи-новаторы, такие как ветеран армии Второй мировой войны Эммет Шаппель и пилот глубоководного аппарата Эдит Виддер, продвинули изучение этого явления с помощью новых технологий.

По меньшей мере 94 живых организма производят собственный свет посредством химической реакции. внутри их тел — способность, называемая биолюминесценцией. Примеры включают светящихся светлячков, водоросли, которые создают «светящиеся в темноте» заливы, мелких ракообразных с замысловатыми проявлениями ухаживания, а также глубоководных рыб и кораллов. Однако, несмотря на его широкое распространение, ученые до сих пор не знают, когда и где он впервые появился, а также его первоначальную функцию.

Как морские биологи, специализирующиеся на глубоководных средах обитания, мы знаем, что биолюминесценция особенно распространена в океане. Это указывает на то, что производство света может дать организмам со всех концов древа жизни преимущество в приспособленности, которое повышает их шансы на выживание.

Наши исследования сосредоточены на октокораллах — кораллах с мягким телом, таких как морские веера, которые имеют древовидную форму и встречаются в различных местах мирового океана. Это разнообразная и древняя группа животных, включающая около 3500 видов, многие из которых являются биолюминесцентными.

Октокораллы могут создавать коралловые сады и леса животных в океанах, особенно в глубоководных. Эти сообщества служат домом и питомником для многих других животных, включая рыб и акул.

Все октокораллы используют одну и ту же химическую реакцию биолюминесценции. Исследование 2022 года определило эволюционные взаимоотношения между этими кораллами. Эти генетические связи, а также тот факт, что существуют окаменелости октокораллов, делают этих животных идеальным объектом для изучения того, когда появилась биолюминесценция и как она распространилась в геологическом времени.

Чего биологи еще не знают о биолюминесценции

Колониальный ложный золотой коралл Савалия демонстрирует биолюминесценцию в Карибском море в 2009 году. Фото: Сёнке Джонсен, CC BY-ND

Испытание биолюминесценции в море

Более десяти лет назад мы начали тестировать способность различных видов октокораллов к биолюминесценции. Чтобы произвести светящийся свет, кораллы должны быть стимулированы либо физически, либо химически.

Биолюминесценция впервые пробудила наше любопытство во время исследовательского круиза 2014 года на исследовательском судне Celtic Explorer над каньоном Уиттард у юго-западного побережья Ирландии. Мы брали образец ткани бамбукового коралла, собранный с глубоководного морского дна с помощью дистанционно управляемого аппарата.

Транспортное средство имело манипуляторы, которые позволяли пилоту собирать образцы кораллов и помещать их в контейнеры для отбора проб, чтобы поддерживать жизнь и защиту организмов при всплытии транспортного средства. После того, как этот образец попал на борт корабля, мы с помощью щипцов взяли из него одиночный коралловый полип в комнате с плохим освещением и увидели вспышку синего света.

С тех пор мы работали с сотрудниками из Научно-исследовательского института аквариумов Монтерей-Бей и Университета Тохоку, чтобы зафиксировать, какие виды способны светиться либо на корабле после сбора, либо когда мы наблюдаем за ними на морском дне с помощью камер при слабом освещении. Учитывая предыдущие опубликованные данные, мы теперь знаем, что биолюминесценция встречается примерно у 60 видов кораллов. Вполне вероятно, что многие еще ждут своего открытия.

Для животных, обитающих в темных глубоководных водах, свет является эффективным способом общения. <р> <б>Когда и почему возникла биолюминесценция

В исследовании, опубликованном в апреле 2024 года, мы представили старейшую в геологическом времени запись биолюминесценции на Земле. Мы показали, что эта химическая реакция развилась на несколько тысячелетий раньше, чем предполагалось ранее, примерно в то время, когда жизнь на Земле быстро диверсифицировалась более 540 миллионов лет назад, в период, названный Кембрийским взрывом.

Мы определили это, сопоставив наличие биолюминесценции с древом жизни октокораллов — графическим инструментом, который биологи используют для демонстрации эволюционных связей между видами.

Изначально биолюминесценция могла возникнуть для уменьшения количества свободных радикалов — химически нестабильных атомов. которые могут повредить клетки. Однако в какой-то момент это превратилось в форму общения.

Наши результаты показывают, что световая сигнализация была самой ранней формой общения в океанах, и мы знаем, что некоторые животные, которые могли обнаруживать свет, эволюционировали в кембрийский период. Наши исследования показывают, что взаимодействия с участием света происходили между видами в то время, когда животные быстро диверсифицировались и занимали новые места обитания.

Получение и потеря света

Мы продолжаем различными способами проверять кораллы на биолюминесцентные способности. Одним из основных компонентов, участвующих в производстве света кораллами и другими животными, является фермент люцифераза. Используя данные последовательности ДНК, мы разрабатываем тест на генетический потенциал биолюминесценции, который облегчит нам изучение этого признака и сделает его менее инвазивным.

У нас есть предварительные доказательства того, что у небиолюминесцентных октокораллов все еще есть гомологичные гены люциферазы — генетические инструкции, переданные от общего предка всех восьмикораллов. Почему кораллы, которые не способны излучать свет, сохранили эти гены, остается загадкой.

Биолюминесценция появилась примерно во время кембрийского взрыва, самого интенсивного всплеска эволюции, когда-либо зафиксированного.

Производят ли они очень слабый свет, который ученые не могут обнаружить современными методами? Или их гены люциферазы нефункциональны? Дальнейшие исследования могут показать, почему некоторые восьмилучевые кораллы, по-видимому, утратили способность к биолюминесценции, и как эта потеря могла повлиять на их выживание в различных местах обитания.

Наши недавние результаты показывают, что многие кораллы, обитающие на мелководье, но произошедшие от глубоководных предков, сохранили способность биолюминесценции. Вполне возможно, что некоторые кораллы со временем утратили эту способность, поскольку она стала менее полезной в более мелководных условиях океана с большим количеством света.

Мы также исследуем, как биолюминесценция развилась у других существ, включая креветок, которые мигрируют вверх с глубины. воды для кормления днем ​​и возвращения в глубокие воды ночью. Эти животные подвергаются воздействию изменяющихся условий освещенности и производят свет множеством уникальных способов.

В качестве одного из ярких примеров можно привести рвоту некоторых креветок химическими веществами, создающими светящуюся рвоту, чтобы отпугивать хищников. У них также есть внешние биолюминесцентные световые органы вдоль тела, которые производят синий свет.

Изучение подобных существ улучшает наше понимание того, как различное количество света в окружающей среде, включая свет, производимый организмами, влияет на эволюцию биолюминесценции и влияет на зрение организмов. Это может дать представление о том, как биолюминесценция повлияла на эволюцию глаз и зрение около 540 миллионов лет назад, когда жизнь на Земле диверсифицировалась.

Тот факт, что кораллы были способны производить свет на протяжении сотен миллионов лет, подразумевает, что эта способность внесла значительный вклад в их выживание. Кроме того, наши результаты подтверждают идею о том, что биолюминесценция была важнейшей формой связи в геологическом времени для многих видов животных, особенно глубоководных.

Это исследование породило для нас новые идеи о ранней эволюции животных. и общение. Световая сигнализация дала животным новый способ общения в быстро меняющееся время, когда появлялись новые хищники и более сложный ландшафт. Повышенные сенсорные способности в океане могли бы оказаться ценными в этих условиях.

Возможно, биолюминесценция — это недостающая часть головоломки, которой еще не было уделено должного внимания в исследованиях происхождения и эволюции животных в глубоком прошлом.

Предоставлено Международным университетом Флориды

Новости сегодня

Последние новости