Чудеса биолюминесцентных многоножек
Вид сотен светящихся многоножек, рассыпанных по земле в роще секвой в национальном парке Секвойя безлунной ночью, кажется магическим и сюрреалистичным.
Каждый вечер эти существа, скрывающиеся днём под землёй, выходят на поверхность и запускают химическую реакцию, производящую сине-зелёное свечение — процесс, называемый биолюминесценцией. Эти призрачные огоньки подчёркивают эксцентричность природы. Я изучаю вид многоножек Motyxia.
Видеть свет
Motyxia — единственные известные биолюминесцентные многоножки, обитающие лишь в небольшом регионе горного хребта Сьерра-Невада в Калифорнии. Но различные биолюминесцентные существа встречаются по всей территории США:
- Железнодорожные черви — жуки, похожие на многоножек, со строкой огней по бокам, напоминающей освещённые окна пассажирского поезда ночью.
- Светлячки-червячки с биолюминесцентными «лампами» на голове.
- Личинки мух с самой синей биолюминесценцией в мире насекомых.
- Личинки светлячков с двумя «фонарями» на брюшке.
- Даже светящиеся земляные черви.
Чтобы увидеть таких существ, отправляйтесь в глубокий тёмный лес в сырое место (овраг, берег ручья) поздней ночью, желательно ранним летом после дождя. Выключите фонарь и дайте глазам адаптироваться к темноте за 15–30 минут. Сосредоточьтесь на крошечных точках света — это могут быть личинки светлячков. Они могут гасить свет при приближении, но затем снова включать.
Зачем им светиться?
Моё исследование Motyxia показывает, что их свечение — это предупреждающий сигнал хищникам: «Свет означает "Нет!"». Свечение говорит ночным хищникам, что эти 60-ногие существа вооружены и опасны. Напавший хищник рискует быть обрызганным токсинами, включая цианистый водород (HCN) — крайне ядовитый газ, который многоножка выпускает при угрозе.
Это подтверждается тем, что Motyxia слепы, поэтому их визуальный сигнал могут видеть только представители других видов, например хищники.
Эксперимент нашей команды: в естественной среде обитания Motyxia мы разместили 150 светящихся и 150 несветящихся глиняных моделей многоножек. Результат: хищники атаковали значительно меньший процент светящихся моделей (18% против 49%). Это подтверждает гипотезу «Свет означает "Нет!"».
Другие ядовитые или несъедобные животные также используют предупреждающую окраску (апосематизм): гремучая змея — погремушку, шершень — жёлто-чёрные полосы. Яркая окраска помогает хищникам научиться распознавать опасность и запомнить неприятные последствия (например, лихорадку от цианида).
Как эволюционировала биолюминесценция?
Один из возможных ключей — вид Motyxia sequoiae, обитающий в местах, обычно недоступных для родственных многоножек: на открытых участках лесной подстилки, горных лугах, стволах дубов. Возможно, биолюминесценция эволюционировала для защиты в этих уязвимых зонах, позволив расширить ареал.
Почему именно свечение, а не камуфляж или шипы? Эволюция часто работает как «мастер-на-все-руки» (tinkerer), используя уже имеющиеся «подручные средства». Исследования показывают, что многие виды могли приобрести биолюминесценцию, перепрофилировав уже имеющийся биологический аппарат. Например, у светлячков фермент люцифераза, необходимый для свечения, изначально помогал синтезировать жирные кислоты для создания клеток мозга.
Суть биолюминесценции
Многое о Motyxia остаётся загадкой: как слепые существа находят партнёров? Что запускает их ночной выход? При поддержке National Science Foundation (NSF) наша команда ищет ответы.
Это часть большего усилия по описанию биоразнообразия и реконструкции эволюционной истории членистоногих (насекомые, пауки, ракообразные), которые составляют 80% всех живых видов. Мы вносим данные в проект «Древо жизни» (Tree of Life).
Практические идеи от биолюминесценции
Изучение биолюминесценции имеет прикладное значение:
- Энергоэффективность: КПД электрического освещения — всего 10%. Биолюминесцентный свет имеет КПД 90%. Создание систем, имитирующих его, может улучшить эффективность.
- Камуфляж: Нижняя часть некоторых морских светящихся животных сливается с фоном света от поверхности воды. ВМС США изучают это явление для создания аналогично маскируемых кораблей.
- Медицина: Здоровые клетки человека производят сверхслабое количество света, а раковые — немного больше. В будущем это может помочь в локализации раковых клеток.
- Биомаркеры: Зелёный флуоресцентный белок (GFP), выделенный из медузы, широко используется в биомедицинских исследованиях как флуоресцентная метка для отслеживания распространения рака, производства инсулина, движения белков ВИЧ.
- Геномика: Ключевой фермент для биолюминесценции жуков — важный компонент быстрого и недорогого метода секвенирования геномов, который в 2008 году использовали для полной расшифровки генома неандертальца.