Что биологи до сих пор не знают о биолюминесценции

Биолюминесценция — способность живых организмов производить собственный свет в ходе химической реакции — наблюдается как минимум у 94 групп организмов. Несмотря на широкое распространение, учёные до сих пор не знают, когда и где она впервые возникла и какова была её первоначальная функция.

Особенно часто биолюминесценция встречается в океане. Исследователи сосредоточились на изучении октокораллов — мягких кораллов, насчитывающих около 3500 видов, многие из которых способны светиться. Все они используют одну и ту же химическую реакцию для свечения.

Исследования в море

Тестирование способности различных видов октокораллов к биолюминесценции началось более десяти лет назад. Для стимуляции свечения требуется физическое или химическое воздействие. Совместно с коллегами из Monterey Bay Aquarium Research Institute и Tohoku University учёные фиксировали способность видов светиться либо на корабле после сбора, либо с помощью камер низкой освещённости на морском дне. В сочетании с ранее опубликованными данными теперь известно, что биолюминесценция встречается примерно у 60 видов кораллов, и, вероятно, многие ещё ждут открытия.

Когда и почему возникла биолюминесценция

В исследовании, опубликованном в апреле 2024 года, представлен древнейший из известных на сегодняшний день геологических рекордов биолюминесценции на Земле. Учёные показали, что эта химическая реакция эволюционировала на несколько тысячелетий раньше предыдущей оценки — около 540 миллионов лет назад, в период кембрийского взрыва, когда жизнь на Земле быстро диверсифицировалась.

Это было определено путём нанесения наличия биолюминесценции на «дерево жизни» октокораллов. Первоначально биолюминесценция могла эволюционировать для снижения количества свободных радикалов — химически нестабильных атомов, повреждающих клетки. Однако в какой-то момент она превратилась в форму коммуникации.

Результаты указывают, что световая сигнализация была самой ранней формой коммуникации в океанах. Взаимодействия с участием света происходили в период, когда животные быстро диверсифицировались и занимали новые местообитания.

Приобретение и потеря света

Учёные продолжают тестировать кораллы на способность к биолюминесценции. Один из основных компонентов, участвующих в производстве света у кораллов и других животных, — фермент люцифераза. Используя данные последовательности ДНК, разрабатывается тест на генетический потенциал к биолюминесценции, который упростит изучение этого признака.

Есть предварительные доказательства, что у небиолюминесцентных октокораллов всё ещё есть гомологичные гены люциферазы — генетические инструкции, унаследованные от общего предка всех октокораллов. Почему кораллы, которые не могут производить свет, сохранили эти гены, остаётся загадкой.

Недавние результаты показывают, что многие кораллы, обитающие на мелководье, но произошедшие от глубоководных предков, сохранили способность к биолюминесценции. Возможно, некоторые кораллы со временем утратили эту способность, поскольку она стала менее полезной в условиях мелководья с большим количеством света.

Исследователи также изучают, как биолюминесценция эволюционировала у других существ, включая креветок, которые мигрируют из глубоких вод для кормления днём и возвращаются ночью. Эти животные подвергаются воздействию меняющихся световых условий и производят свет несколькими уникальными способами. Например, некоторые креветки изрыгают светящиеся химические вещества, создавая люминесцентную массу для отпугивания хищников.

Изучение таких существ улучшает понимание того, как разное количество света в окружающей среде, включая свет, производимый организмами, влияет на эволюцию биолюминесценции и зрение организмов. Это может дать представление о том, как биолюминесценция повлияла на эволюцию глаз и зрения около 540 миллионов лет назад.

Тот факт, что кораллы могли производить свет в течение сотен миллионов лет, предполагает, что эта способность внесла значительный вклад в их выживание. Полученные данные подтверждают идею о том, что биолюминесценция была критически важной формой коммуникации на протяжении геологического времени для многих типов животных, особенно в глубоком море.

Световая сигнализация дала животным новый способ общения в период быстрых изменений, когда появлялись новые хищники и формировался более сложный ландшафт. Возможно, биолюминесценция — недостающий элемент головоломки, которому до сих пор не уделялось должного внимания в исследованиях происхождения и эволюции животных в глубоком времени.