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-зелений світло. Таким чином комахи не тільки сигналізують про своє місцезнаходження, але і відрізняють «своїх» і «чужих» за особливою частотою 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 відображати світло. Верхній шар являє собою світлопрозору кутикулу. Але найцікавіше відбувається в середньому шарі, де знаходяться фотогенные клітини, або фотоциты. 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. Включення і вимикання цих процесів регулюється нервовою системою комах.

Люмінесценція або флюоресценція?

У популярній пресі світяться називають організми, що володіють і флуоресценцією, і люмінесценцією. Обидва процесу зустрічаються в природі (деколи в одних і тих же організмів) і в даний момент активно досліджуються біологами, генетиками, фармацевтами та інженерами. Але якщо флюоресценція передбачає пасивне перевипромінювання світла з невеликим зменшенням енергії та відповідним зсувом у довжині хвилі, то люмінесценція — це активний процес, у ході якого хімічна енергія перетворюється в світло.

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

Найбільш вивченою є система світіння жуків-світляків – биолюминисценция. Люцифераза 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 у 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 люциферазой, може мати майже будь-який відтінок – від синьо-зеленого до червоного. У світлячків, зокрема, світіння відноситься до видимої жовто-зеленій частині спектра, що відповідає довжинам хвиль від 500 до 600 нм. При цьому світло, випромінюване світлячками, не дає тепла – у ньому немає інфрачервоних і ультрафіолетових променів. На відміну від звичайної електричної лампи, де основна частина енергії переходить в даремне тепло, а ККД становить 5-10%, світлячки переводять в світлове випромінювання до 98% витраченої енергії.

Проте в природі є безліч інших живих організмів, випромінюючих світло – коралы, медузи, глибоководні риби… В їх клітинах зустрічаються одночасно і люцифераза, і флюоресцирующие білки (наприклад, відомий GFP). Вони не просто знаходяться в одній клітці, але і настільки тісно пов’язані один з одним, що виникає квантовий ефект переносу збудження: фотон, вироблений люциферазой, не излучаясь, переноситься на GFP, який його викидає вже зі зміненою довжиною хвилі.

Тому мешканці морських глибин, а також створені на основі отриманого з них білка GFP світяться миші, поросята, рибки і інша живність, світяться зеленим – хоча їх люцефераза спочатку налаштована на синій колір. Використання GFP дозволяє збільшити ефективність випромінювання за рахунок того, що флюоресцентний білок порівняно 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 биолюминисценция 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 у свій час. Потім пара комах починає робити це синхронно. Проходить трохи часу, і поступово всі комахи починають дружно і в один і той же час випускати короткі спалахи світла. Через півгодини ціле дерево веде себе як єдиний живий організм, і може здатися, що воно просто прикрашене електричної гірлянди лампочок.

Самки відповідають їм такий же світломузикою, спалахуючи і затухаючи всій зграйкою. Правда, за нашими мірками «прекрасною статтю» їх не назвеш: своїм зовнішнім виглядом безкрилі самки світляків нагадують личинок. Світлячок, не заморочуючись на такі дрібниці, летить до своєї подруги… але буває з’їдений. Наприклад, самки світляків 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 тільки їжу, але і захист від птахів і павуків, оскільки їх видобуток містить особливу хімічну речовину.

Втім, здатність світиться допомагає залучати протилежну стать навіть іншим видам, зокрема, нам, людям. Відомий ентомолог Евелін Чисман в 1932 році у своїх статтях писала, що деякі екстравагантні дами перед вечірніми святами прикрашали світлячками свої сукні і навіть зачіску, і в темряві здавалися посипаними діамантами. Втім, основний «романтичної» версії світіння цих комах є й незрозумілі моменти. Вона не пояснює, чому світяться (тільки трохи слабше) личинки, лялечки і навіть яйця світлячків, які зазвичай закопані в грунт.