Свет на эволюцию многоножек
Энтомолог Пол Марек из Виргинского политехнического института, финансируемый Национальным научным фондом (NSF), охотится за редкими и научно значимыми видами. Его цель — биолюминесцентные многоножки, которые производят свет в результате химической реакции.
В поисках многоножки
Эти многоножки не только светятся в темноте, но и флуоресцируют — под ультрафиолетовым (УФ) светом они излучают яркий зеленый оттенок. Поиск ведется ночью с УФ-фонарем в лесах Калифорнии. При угрозе многоножки выделяют цианид в качестве защитного механизма.
Исследовательская группа изучает эволюцию биолюминесценции в роде Motyxia — единственных биолюминесцентных многоножках Северной Америки. Их свечение служит предупреждением для хищников о токсичности (они выделяют цианистый водород).
Новое открытие и переклассификация
Недавно был вновь обнаружен вид Xystocheir bistipita, не встречавшийся около 50 лет. Оказалось, что он также испускает слабое свечение. Анализ ДНК показал, что этот вид принадлежит к роду Motyxia, и ему было присвоено новое название — Motyxia bistipita.
Эволюция свечения и токсичности
Анализ показал, что:
- Слабая биолюминесценция низкогорных видов (как M. bistipita) — более древний признак, чем яркое свечение их высокогорных родственников.
- Виды, живущие на больших высотах, светятся ярче.
- Более яркие виды имеют и более крупные цианидные железы, что указывает на связь между интенсивностью свечения и токсичностью.
Возможное эволюционное объяснение:
- Изначальная функция: Слабое свечение M. bistipita, возможно, возникло не для защиты, а как адаптация к сухому жару. Химическая реакция, производящая свет, нейтрализует вредные побочные продукты (например, пероксиды), образующиеся при метаболизме в жаркую погоду.
- Смена функции: По мере расселения многоножек рода Motyxia в высокогорные районы с большим числом хищников, свечение было «перепрофилировано» и усилено, чтобы ярче сигнализировать об их повышенной токсичности («чем ярче свет, тем emphaticнее "Нет!"»).
Это показывает, что сложные признаки могут эволюционировать через малые шаги из первоначальной функции, не связанной с их современной ролью.
Разные функции у разных организмов
Биолюминесценция служит более чем 10 различным функциям:
- Защита: создание «дымовых завес», отвлекающих огней, освещение отрывающихся частей тела.
- Нападение: приманка для добычи, ее дезориентация, подсветка.
- Пример: Железнодорожные черви рода Phrixothrix имеют красную «фару» на голове (невидимую для большинства насекомых-жертв), что, возможно, служит им источником личного освещения.
Неразгаданные тайны и практическая польза
Загадки: Свет производят сотни различных, неродственных ферментов. Полностью изучен процесс свечения лишь у горстки видов (лучше всего — у светлячка Photinus pyralis). Новые биолюминесцентные виды открывают до сих пор.
Польза для общества:
- Исследование рака: Мечение раковых клеток биолюминесцентными метками позволяет отслеживать их рост и метастазирование в реальном времени in vivo.
- Зеленый флуоресцентный белок (GFP): Открыт в медузе Aequorea victoria (Нобелевская премия по химии 2008 года). Используется как флуоресцентная метка для отслеживания белков, антител, изучения выработки инсулина, движения ВИЧ-белков.
- Детекция АТФ: Ферменты светлячков используются для обнаружения АТФ (универсального источника энергии в клетках), что является индикатором биологической активности (чистота воды, ферментация, микробная активность почв).
- Отслеживание ионов кальция: Фотопротеин эквиорин (также из Aequorea victoria) светится в присутствии ионов кальция, что позволяет отслеживать их концентрацию в клетках.