Медуза — животное с «огоньком. Почему море светится? Свечение медуз

В. ЛУНКЕВИЧ.

Валерьян Викторович Лункевич (1866-1941) - биолог, педагог, выдающийся популяризатор.

Рис. 1. Ночесветка "Морская свечка".

Рис. 3. Рыба-удильщик.

Рис. 4. Светящиеся рыбы.

Рис. 6. Ветка коралла со светящимися полипами.

Рис. 5. Светящийся головоногий моллюск.

Рис. 7. Самка светляка.

Рис. 8. Орган свечения у головоногого моллюска: а - светлая часть, напоминающая хрусталик; б - внутренний слой светящихся клеток; в - слой серебристых клеток; г - слой темных пигментных клеток.

Кому из нас не приходилось любоваться в теплый летний вечер зеленоватыми огоньками жучков-светляков, стрелою рассекающих воздух в различных направлениях? Но многие ли знают, что способностью светиться наделены не только некоторые жучки, но и другие животные, особенно обитатели морей и океанов?

Каждый, кто проводил лето на берегу Черного моря, не раз был свидетелем одного из прекраснейших зрелищ природы.

Надвигается ночь. Море спокойно. Мелкая рябь скользит по его поверхности. Вдруг на гребне одной из ближайших волн сверкнула светлая полоска. За ней блеснула другая, третья... Их много. Заискрятся на мгновение и померкнут вместе со сломавшейся волной, чтобы загореться вновь. Стоишь, смотришь, как зачарованный, на миллионы огоньков, заливающих своим светом море, и спрашиваешь - в чем тут дело?

Загадка эта давно уже решена наукой. Оказывается, свет излучают миллиарды микроскопических существ, известных под названием ночесветок (рис. 1). Теплая летняя вода благоприятствует их размножению, и они носятся тогда по морю несметными полчищами. В теле каждой такой ночесветки рассеяны желтоватые шарики, которые и излучают свет.

"Перенесемся" теперь к одному из тропических морей и погрузимся в его воды. Здесь картина еще великолепнее. Вот плывут то чинною толпою, то в одиночку какие-то странные животные: с виду точно зонты или колокола из плотного студня. Это медузы: большие и малые, темные и светящиеся то голубым, то зеленым, то желтым, то красноватым цветом. Среди этих подвижных разноцветных "фонариков" плывет спокойно, не спеша медуза-великан, зонт которой имеет в поперечнике шестьдесят-семьдесят сантиметров (рис. 2). Вдали видны излучающие свет рыбы. Стремглав проносится рыба-месяц, словно луна среди других светящихся рыб-звездочек. У одной из рыб ярко горят глаза, у другой на голове сидит отросток, верхушка которого напоминает зажженную электрическую лампу, у третьей на верхней челюсти болтается длинный шнур с "фонариком" на конце (рис. 3), а некоторые светящиеся рыбы сплошь залиты сиянием благодаря особым органам, расположенным вдоль их тела подобно нанизанным на проволоку электрическим лампочкам (рис. 4).

Спускаемся ниже - туда, куда свет солнца уже не проникает, где, казалось бы, должна быть вечная, непроглядная тьма. И здесь кое-где "горят огни"; и тут мрак ночи прорезается лучами, исходящими из тела различных светящихся животных.

На морском дне, среди камней и водорослей, копошатся светящиеся черви и моллюски. Их голые тела усеяны блестящими полосками, пятнами или крапинками, точно алмазной пылью; на уступах подводных скал красуются залитые светом морские звезды; тут же шныряет во все концы своей охотничьей территории рак, освещая лежащий перед ним путь огромными, похожими на подзорную трубу, глазами.

Но великолепней всех один из головоногих моллюсков: он весь купается в лучах ярко-синего цвета (рис. 5). Одно мгновение - и свет погас: точно выключили электрическую люстру. Затем свет появляется вновь - сначала слабый, потом все более и более яркий, сейчас он отливает уже пурпуром - красками закатной зари. А там вновь гаснет, чтоб вспыхнуть опять на несколько минут цветом нежной зеленой листвы.

В подводном мире можно увидеть и иные красочные картины.

Вспомним хорошо всем известную веточку красного коралла. Эта веточка является жилищем очень простых по организации животных - полипов. Живут полипы обширными колониями, которые похожи на кусты. Полипы строят свое жилище из извести или рогового вещества. Такие жилища называются полипняками, и ветка красного коралла есть частица полипняка. Подводные скалы местами сплошь одеты целой рощей различных по форме и окраске коралловых кустов (рис. 6) с множеством крошечных каморок, в которых сидят сотни тысяч полипов - животных, похожих на беленькие цветочки. На многих полипняках полипы точно объяты пламенем, образованным многочисленными огоньками. Огоньки горят порой неровно и прерывисто, меняя цвет: заблещут вдруг фиолетовым светом, переходящим затем в красный, а то заискрятся бледной синевой и, пробежав целую гамму переходов от голубого к зеленому, замрут на цвете изумруда или погаснут, образуя вокруг себя черные тени, а там опять вспыхнут переливчатыми искрами.

Есть светящиеся животные и среди обитателей суши: это почти сплошь жуки. В Европе шесть видов таких жуков. В тропических странах их значительно больше. Все они составляют одно семейство лампирид, то есть светляков. "Иллюминация", устраиваемая иногда этими жучками, представляет очень эффектное зрелище.

Как-то ночью я ехал в поезде из Флоренции в Рим. Вдруг мое внимание привлекли летавшие подле вагона искры. Первое мгновение их можно было принять за искры, выбрасываемые трубой локомотива. Взглянув в окно, я увидел, что поезд наш несется вперед сквозь легкое, прозрачное облако, сотканное из крошечных золотисто-голубых огоньков. Они искрились повсюду. Кружились, лучистыми дугами пронизывали воздух, рассекали его в разных направлениях, скрещивались, тонули и снова вспыхивали в ночной мгле, сыпались на землю огненным дождем. А поезд мчался все дальше и дальше, окутанный волшебной пеленой огоньков. Минут пять, а то и больше, длилось это незабываемое зрелище. Затем мы вырвались из облака горящих пылинок, оставив их далеко за собой.

То были мириады жуков-светляков, наш поезд врезался в гущу этих невзрачных с виду насекомых, собравшихся в тихую, теплую ночь, очевидно, в брачный период своей жизни. (Подобное явление можно наблюдать не только в средиземноморских странах, но и у нас в России. Если вы будете в теплый и не дождливый вечер во второй половине лета подъезжать поездом к черноморскому побережью, пронаблюдайте в окрестностях г. Туапсе описанную автором феерию. Из-за множества тоннелей, обилия поворотов и одноколейного пути поезд идет не очень быстро, и полет светляков просматривается как завораживающее зрелище. - Ю.М .)

Отдельные виды светляков излучают свет относительно большой силы. Есть светляки, которые светятся настолько ярко, что на темном горизонте издали не сразу определишь, что перед тобой - звезда или светляк. Есть виды, у которых и самцы и самки светятся одинаково хорошо (например, итальянские светляки). Есть, наконец, и такие виды жучков, у которых самец и самка светятся по-разному, хотя выглядят одинаково: у самца орган свечения и развит лучше, и действует энергичней, чем у самки. Когда же самка недоразвита, имеет лишь зачаточные крылья или вовсе бескрыла, а самец развит нормально, тогда наблюдается нечто иное: у самки органы свечения функционируют значительно сильнее, чем у самца; чем недоразвитее самка, чем она неподвижнее и беспомощнее, тем ярче ее светящийся орган. Лучшим примером может тут служить так называемый "Иванов червячок", который вовсе не червяк, а личиноподобная самка особого вида жуков-светляков (рис. 7). Многие из нас любовались ее холодным, ровным светом, пробивающимся сквозь листву кустарника или траву. Но есть еще более интересное зрелище - свечение самки другого вида светляков. Невзрачная днем, похожая на кольчатого червяка, ночью она буквально купается в лучах собственного великолепного синевато-белого света благодаря обилию светящихся органов.

Однако мало восторгаться свечением живых существ. Необходимо знать, чем вызывается свечение обитателей подводного и наземного мира и какую роль оно играет в жизни животных.

Внутри каждой ночесветки при помощи микроскопа можно увидеть множество желтоватых крупинок - это светящиеся бактерии, живущие в теле ночесветок. Излучая свет, они делают светящимися и этих микроскопических животных. То же надо сказать и о рыбе, у которой глаза словно горящие фонари: свечение их вызывают светящиеся бактерии, поселившиеся в клеточках светящегося органа этой рыбы. Но не всегда свечение животных связано с деятельностью светящихся бактерий. Иногда свет производится особыми светящимися клеточками самого животного.

Органы свечения различных животных построены по одному типу, но одни проще, а другие сложнее. В то время, как у светящихся полипов, медуз и морских звезд светится все тело, некоторые породы раков имеют лишь один источник света - большие глаза, похожие на телескоп. Однако среди светящихся животных одно из первых мест по праву принадлежит головоногим моллюскам. К их числу относится осьминог, обладающий способностью менять цвет своих наружных покровов.

Какие же органы вызывают свечение? Как они построены и как действуют?

В коже головоногого моллюска находятся небольшие твердые тельца овальной формы. Передняя часть этого тельца, смотрящая наружу, совершенно прозрачна и представляет собой нечто, похожее на хрусталик глаза, а задняя, большая его часть как бы завернута в черную оболочку из пигментных клеток (рис. 8). Непосредственно под этой оболочкой лежат в несколько рядов серебристые клетки: они составляют средний слой светящегося органа моллюска. Под ним находятся сложные по форме клетки, напоминающие собой нервные элементы сетчатки глаза. Они выстилают внутреннюю поверхность этого тельца ("аппарата"). Они же и излучают свет.

Итак, "лампочка" головоногого моллюска состоит из трех различных слоев. Свет выделяется клетками внутреннего слоя. Отражаясь от серебристых клеток среднего слоя, он проходит через прозрачный конец "лампочки" и выходит наружу.

Еще одна любопытная подробность в этом светящемся "аппарате". В коже головоногого моллюска подле каждого такого тельца высится нечто подобное вогнутому зеркалу или рефлектору. Каждый такой рефлектор при "лампочке" моллюска состоит, в свою очередь, из двоякого рода клеток, из темных, не пропускающих свет пигментных клеток, впереди которых расположены рядами серебристые клетки, отражающие свет.

Пока организм живет, в его клетках совершаются различные химические процессы. В связи с этими процессами в организме возникают различные формы энергии: тепловая, благодаря которой он согревается; механическая, от которой зависят его движения; электрическая, которая связана с работой его нервов. Свет - тоже особый вид энергии, возникающий под влиянием той внутренней работы, которая протекает в организме. Вещество светящихся бактерий и тех клеток, из которых сложены светящиеся аппараты животных, окисляясь, излучает световую энергию.

Какую роль играет свечение в жизни животных? Ответить на этот вопрос в каждом отдельном случае пока не удалось. Но в пользе свечения для многих животных вряд ли можно сомневаться. Светящиеся рыбы и раки живут на такой глубине, куда солнечный свет не проникает. В темноте трудно различать, что делается вокруг, выслеживать добычу и вовремя ускользнуть от врага. А между тем светящиеся рыбы и раки - зрячи, имеют глаза. Способность свечения облегчает им жизнь.

Кроме того, мы знаем, как влечет некоторых животных к свету. Рыба, у которой на голове торчит нечто вроде электрической лампочки, или рыба-удильщик, наделенная длинным, как шнур, щупальцем "с фонариком" на конце, используют светящиеся органы для привлечения добычи. Еще счастливее в этом отношении головоногий моллюск: его изменчивый, переливчатый свет привлекает одних, устрашает других. Некоторые разновидности маленьких светящихся рачков в минуту опасности выбрасывают струи светящегося вещества, возникающее при этом светящееся облачко скрывает их от врага. Наконец, свечение у некоторых животных служит средством нахождения и привлечения одного пола животного к другому: самцы таким образом находят самок или, наоборот, привлекают их к себе. Следовательно, свечение животных - одно из приспособлений, которыми так богата живая природа, одно из орудий в борьбе за существование.

«...Все море горит огнями. На гребнях волн играют голубые драгоценные камни. В тех местах, где весла трогают воду, загораются волшебным блеском глубокие блестящие полосы. Прикасаюсь к воде рукой, и когда вынимаю ее обратно, то горсть светящихся бриллиантов падает вниз, и на моих пальцах долго горят нежные, синеватые, фосфорические огоньки. Сегодня одна из тех волшебных ночей, про которые рыбаки говорят: "Море горит!"»
(А.И.Куприн.)

Доводилось ли вам наблюдать такую картину, когда вы отдыхали на море? Правда, удивительное явление? Сегодня я расскажу вам, почему светится море.

Способность живых существ светиться называется биолюминесценцией. Умеют светиться грибы, светлячки, некоторые виды медуз и рыб. Механизм свечения схож у всех организмов. Все они имеют люминесцирующие клетки, в которых содержится вещество – люциферин. Под действием кислорода оно окисляется, и наружу вырываются кванты света.

Биолюминесценция у медуз.

Свечение гребневика.

Cвечение прибрежных вод, так великолепно описанное Александром Куприным , вызывает фито- и зоопланктон. Это могут быть гребневики, крохотные рачки. Но чаще всего ровное и сильное свечение обусловлено массовым развитием микроскопических водорослей – динофлягеллят , а именно – планктонной водорослью Ночесветкой (Noctiluca scintillans) . Разглядеть её можно только в микроскоп. Тельце ночесветки – прозрачная клеточка с хвостом-жгутиком. Во время в литре морской воды можно обнаружить несколько миллионов клеток ночесветки! Именно благодаря этому море и горит огнями.

Водоросль Ночесветка (Noctiluca scintillans)

Массовое скопление ночесветки.

В нашей стране увидеть это волшебство природы можно в Черном, Азовском и Охотском морях. Наблюдать его лучше в тихие, теплые, темные ночи, когда после шторма наступает полный штиль. Пик свечения приходится на конец июля – сентябрь – период массового летне-осеннего развития планктона. Может быть именно поэтому Всемирный День Моря празднуют 24 сентября, когда море такое нарядное?! :) Зрелище светящего моря – одно из самых завораживающих природных явлений. Желаю, чтобы вам посчастливилось его увидеть!

Свечение считается обычным явлением в природе. Поэтому способность испускать свет с помощью простой химической реакции, или биолюминесценция, встречается, по крайней мере, у 50 различных видов грибов, светлячков и даже у ужасающих морских обитателей. С помощью этой реакции светящиеся существа извлекают для себя немало пользы: отгоняют хищников, привлекают добычу, избавляют свои клетки от кислорода или попросту справляются с существованием в вечном мраке глубин океана.

Так или иначе, люминесценция - один из самых гениальных инструментов жизни, а мы представим вам список самых необычных и странных существ, способных светиться в темноте. Многие из этих видов в настоящее время выставлены в качестве экспонатов на экспозиции в Американском музее естественной истории в Нью-Йорке.

Самка и самцы морского черта

Адский кальмар

Светящиеся медузы

Каких только необычных и удивительных существ не встретишь в море или в глубинах океана. Следующие фиолетовые в зеленой оправе существа обитают в Тихом океане у берегов Северной Америки. Эти медузы способны генерировать сразу два вида свечения. Биолюминесцентное обладает пурпурно-голубым свечением и производится в результате химической реакции между кальцием и белком. И уже эта реакция, в свою очередь, вызывает свечение вокруг ободка медузы, образуя зеленый флуоресцентный белок, а затем и зеленое свечение. Ученые широко используют эту особенность существа для изучения визуализации процессов в организме.

Огненная вода

Наверняка мало кто знает, что в природе встречается явление, которое можно сравнить со светящимся океаном. Однако никто не отказался бы воочию понаблюдать за ярко синим неоновым прибоем океана. Все дело в том, что вода наполняется динофлагеллятом, одноклеточными планктонными существами с хвостами, которые распределяются на внушительных площадях у побережья. Ученые полагают, что эти существа населяют нашу планету уже миллиард лет, а последние несколько тысячелетий озадаченные люди были склонны приписывать это явление к таинственной магии морских богов.

Большерот

Для того чтобы добыть себе пропитание, эта рыба сначала использует биолюминесценцию, чтобы вызвать флуоресценцию в виде красных огоньков в области возле носа, а затем испускает импульсы красного цвета, чтобы обнаружить креветок. Когда добыча будет найдена, поступает разблокировка сигнала, а челюсть приводится в действие. Гениальный хищник пользуется тем обстоятельством, что креветки, как и многие другие обитатели моря не могут распознавать красный свет.

Креветки систелласпис

Однако не все креветки столь податливы и легко досягаемы для хищников. Например, креветки систелласпис обладают отличной защитой, в том числе и от большерота. Эти креветки обезоруживают хищников, выплевывая неприятную светящуюся жидкость из своего хвоста прямо перед пастью.

Стена из кораллов

На Каймановых островах обнаружена кровавая стена, высотой 1000 футов, состоящая из светящихся кораллов. Это интересное явление стало возможным благодаря тому, что здесь нашли себе пристанище многие биолюминесцентные существа. Многие аквалангисты увлеченно делают снимки того, как кораллы преобразуют свой красный цвет в удивительное зеленое свечение.

Если темной ночью поднять на палубу судна планктонную сеть - специальный прибор для ловли планктонных организмов, она начинает светиться фосфоресцирующим зеленовато-белым светом.
За идущим в океане судном часто остается светящийся след. Даже опущенная в море рука человека начинает светиться.
Достаточно посмотреть в лупу или микроскоп на пробу, взятую из планктонной сети, чтобы стало ясно, что причина фосфоресцирующего свечения - планктонные организмы, в первую очередь медузы. Их форма довольно разнообразна: есть медузы в форме тарелочки, конические, полушаровидные; у одних медуз многочисленные щупальца, у других щупалец мало или совсем не видно. Здесь есть представители как гидроидных (преимущественно из отряда трахилид), так и сцифоидных, относящихся к отряду корономедуз.

У трахилидных медуз кроссота (Crossota ) и пантахогон (Pantachogon ) на краю зонтика много тонких длинных щупалец. Зонтик этих медуз тонкостенный, но мускулистый. они плавают короткими, быстрыми толчками. Все остальные глубоководные медузы плавают очень медленно. Их зонтик имеет толстую, хрящевидную мезоглею, которая затрудняет пульсирующие движения, характерные для других медуз.

Маленькая глубоководная медуза меатор (Meator ) вовсе утратила типичную медузоидную форму. Она имеет вид прозрачного шарика с темной сердцевиной. Эти медузы живут на глубине от 1 до 6 км во мраке и холоде. Здесь совершенно нет растений, поэтому все глубоководные обитатели либо ведут хищнический образ жизни, либо довольствуются мертвыми организмами, которые опускаются на дно из верхних слоев воды, богатых жизнью.

Одной из самых красивых медуз считается фосфорический олиндиас (Olindias phosphorica ), или по-другому - фосфорическая или светящаяся медуза. Она относится к классу ·Гидроидные (Hydrozoa ), подкласс Лимномедузы (Limnomedusae ).
Это необычайно красивое морское животное, испускающее привлекательное свечение. Медуза фосфорический олиндиас является чрезвычайно редким животным и множество фотографов, увлекающихся подводными съемками, тратят месяцы и годы, чтобы запечатлеть это природное чудо. Действительно, то, как Фосфорический олиндиас несет свой сияющий зонтик, является незабываемым зрелищем.
Обитает фосфорический олиндиас у берегов Японии, Аргентины и Бразилии, причем, как правило, держится в прибрежных водах возле самого дна. В диаметре зонтика медузы этого вида достигают 15 сантиметров. Питается светящаяся медуза мелкой рыбой и планктоном. Фосфорический олиндиас может сворачивать и разворачивать щупальца, хватая добычу. Жертва поражается ядом из щупалец, после чего отправляется в рот и далее в гастральную полость.
Для человека эта светящаяся медуза представляет некоторую опасность своими стрекалами, однако ее укус не смертелен и обычно вызывает несильное раздражение, подобно черноморскому корнероту.

На глубинах океана всегда ощущается острый недостаток пищи, и потому все обитатели глубоководья постоянно заняты ее поисками. Очевидно, что глубоководные обитатели, имеющие специальные приспособления, помогающие им раздобыть пищу, получают преимущество перед другими жителями глубин.

Глубоководные медузы присутствуют почти в каждой пробе воды, поднятой из глубин океана. Что же позволило им так размножиться и занять одно из первых мест по численности среди глубоководных обитателей? На первый взгляд это мало поддается объяснению, особенно если учесть их медлительность и примитивность организации. Глубоководные медузы не преследуют добычу, а приманивают ее.

Питаются они, главным образом, рачками, но при случае поедают любых других глубоководных животных, привлекая их ярким светом.

Свет во тьме - одна их наиболее эффективных приманок для любых живых существ, поэтому медузы-фонарики приняли его на вооружение для привлечения потенциальной добычи. Ведь медузы не способны гоняться за добычей в поисках пропитания, поскольку быстро плавать они не приспособлены.

Все глубоководные медузы имеют красноватую или коричневатую окраску. Наличие красно-коричневого пигмента связано со способностью излучать свет. В тот же цвет окрашены и многие другие глубоководные организмы или части их тела, способные излучать свет.
Жироподобное вещество люцеферин под воздействием фермента люциферазы медленно окисляется, излучая яркий свет. Подобно тому, как на свет фонаря слетаются ночные мотыльки, на свет медуз собираются рачки, а вслед за ними другие глубоководные животные, питающиеся рачками. Они становятся добычей медузы, когда оказываются в непосредственной близости от ее щупалец.

Следует отметить очень высокий коэффициент полезного действия, достигаемый в результате реакции окисления люциферина - он равен приблизительно 50%. Это очень много, если учесть, что при любых других реакциях, дающих свет, на его долю приходятся лишь доли процента, остальная энергия уходит на теплообразование.

Способностью светиться обладают и некоторые медузы, живущие у поверхности моря. Среди них маленькая гидромедузы раткеа (Rathkea ), медуза экворея (Aequorea ) и сцифоидная медуза пелагия ночесветка (Pelagia nochiluca ). Часто эти медузы появляются в очень больших количествах, и тогда волны кажутся пламенеющими, а на лопастях весел появляются огненные шары - так ярко светятся прилипшие к ним медузы.

Недавно обнаружена способность некоторых кораллов светиться под воздействием ультрафиолетовых лучей. Причина такого явления пока не установлена, есть предположения, что такое свечение (флюоресценция) облегчает процессы фотосинтеза симбиотовых водорослей, либо защищает кораллы от избытка жесткого ультрафиолета. Способностью к такому свечению обладают некоторые виды мадрепоровых и других кораллов.

Из донных кишечнополостных светятся некоторые гидроиды и многие морские перья. Однако способность к свечению этих организмов, по-видимому, не связана с питанием, так как они вспыхивают ярким светом только при механическом раздражении. По-видимому, способность этих организмов неожиданно излучать яркий свет в виде вспышки - защитная реакция и служит для отпугивания животных, случайно наткнувшихся на них в темноте.

Современная «золотая рыбка» должна иметь наноразмеры и флуоресцировать зеленоватым светом

Долгие годы зелёный флуоресцентный белок (green fluorescent protein , GFP) казался бесполезной биохимической диковинкой, но в 1990-е годы он стал ценнейшим инструментом в биологии. Эта уникальная натуральная молекула флуоресцирует не хуже синтетических красителей, но в отличие от них безвредна. С помощью GFP можно увидеть, как клетка делится, как по нервному волокну пробегает импульс или как метастазы «расселяются» по телу лабораторного животного. Сегодня Нобелевскую премию по химии вручают трём учёным, работающим в США , за открытие и разработку этого белка .

Чтобы получить первую порцию нового белка, исследователи ловили медуз ручными сетями — закидывали невод, как старик из сказки Пушкина . Самое удивительное, что выделенный из этих медуз диковинный белок из медузы через несколько десятилетий стал настоящей «золотой рыбкой», которая выполняет самые заветные желания клеточных биологов.

Что такое GFP?

GFP принадлежит к самой большой и разнообразной группе молекул живых организмов, которые ответственны за многие биологические функции, — к белкам. Он действительно зелёного цвета, при том что большинство белков не окрашены (отсюда их название — белок).

Немногочисленные окрашенные белки обладают цветом благодаря наличию небелковых молекул — «довесков». Например, гемоглобин нашей крови состоит из небелковой красно-бурой молекулы гема и бесцветной белковой части — глобина. GFP — это чистый белок без «добавок»: молекула-цепочка, которая состоит из бесцветных «звеньев» — аминокислот. Но после синтеза происходит если не чудо, то, по крайней мере, фокус: цепочка сворачивается в «клубок», приобретая зелёную окраску и способность излучать свет.

В клетках медузы GFP работает в «тандеме» с другим белком, который излучает синий свет. GFP поглощает этот свет и излучает зелёный. Зачем глубоководной медузе Aequorea victoria светиться зелёным светом, учёные до сих пор не поняли. Со светлячками всё просто: в брачный сезон самка зажигает «маяк» для самцов — эдакое брачное объявление: зелёная, рост 5 мм, ищу спутника жизни.

В случае медуз такое объяснение не подходит: они не могут активно передвигаться и противостоять течениям, так что если и подают друг другу сигналы, то сами же не в состоянии плыть «на огонёк».

Осаму Симомура: без труда не вытащишь медузу

Все началось в 1950-е годы, когда в США в морской лаборатории Friday Harbor Осаму Симомура (Osamu Shimomura) стал изучать глубоководную светящуюся медузу Aequorea victoria. Трудно представить более «праздное» научное любопытство: очкарикам стало интересно, почему светится в темноте морских глубин никому не известная студенистая тварь. Изучал бы яд медузы, и то было бы проще вообразить перспективу практического применения.

Оказалось, что ловить медуз промышленным тралом нельзя: они сильно травмируются, поэтому пришлось ловить их ручными сетями. Для облегчения «творческой» научной работы под руководством настырного японца сконструировали специальную машину для разделки медуз.

Но научное любопытство, помноженное на японскую дотошность , дало результаты. В 1962-м Симомура и коллеги опубликовали статью, в которой рассказали об открытии нового белка, получившего название GFP. Самое интересное, что Симомуру интересовал не GFP, а другой белок медузы — экворин. GFP открыли как «сопутствующий продукт». К 1979 году Симомура и коллеги детально охарактеризовали структуру GFP, которая была, конечно, интересной, но лишь для немногочисленных узких специалистов.

Мартин Чалфи: медузный белок без медузы

Прорыв был сделан в конце 1980-х — начале 1990-х годов с ведущим участием Мартина Чалфи (Martin Chalfie) — второго из «троицы» нобелевских лауреатов. С помощью методов генной инженерии (которая сформировалась лет через 15-20 после открытия GFP), учёные научились вставлять ген GFP в бактерии, а затем и в сложные организмы, и заставили их синтезировать этот белок.

Раньше считалось, что для приобретения флуоресцентных свойств GFP требует уникального биохимического «окружения», которое существует в организме медузы. Чалфи доказал, что полноценный светящийся GFP может образовываться также в других организмах, достаточно единственного гена. Вот теперь этот белок был у учёных «под колпаком»: не на морских глубинах, а всегда под рукой и в неограниченных количествах. Открылись небывалые перспективы практического применения.

Генная инженерия позволяет вставлять ген GFP не просто «куда-нибудь», а присоединять к гену конкретного белка, который интересует исследователя. В результате этот белок синтезируется со светящейся меткой, что позволяет видеть под микроскопом именно его на фоне тысяч других белков клетки.

Революционность GFP в том, что он позволяет «маркировать» белок именно в живой клетке, и сама клетка его синтезирует, а в эру до GFP почти вся микроскопия делалась на «зафиксированных» препаратах. По сути, биохимики изучали «моментальные снимки» биологических процессов «по состоянию на момент смерти», предполагая, что в препарате всё осталось так, как было при жизни. Теперь появилась возможность пронаблюдать и записать на видео многие биологические процессы именно в живом организме.

Фруктовая лавка Роджера Циена

Третий нобелевский лауреат, в общем-то, ничего не «открыл». Вооружившись чужими знаниями о GFP и методами генетической инженерии, в лаборатории Роджера Циен (Цянь Юнцзянь, Roger Y. Tsien) учёные стали создавать «по образу и подобию» новые флуоресцентные белки, которые лучше соответствовали их нуждам. Были устранены существенные недостатки «натурального» GFP. В частности, белок из медузы ярко светится при облучении ультрафиолетом, а для изучения живых клеток гораздо лучше использовать видимый свет. Кроме того, «натуральный» белок — тетрамер (молекулы собираются по четыре). Представьте, что четыре шпиона (GFP) должны следить за четырьмя фигурантами («маркированные белки»), и при этом всё время держаться за руки.

Изменяя отдельные структурные элементы белка, Циен и его коллеги разработали модификации GFP, лишённые этих и ряда других недостатков. Именно их теперь используют учёные по всему миру. Кроме того, команда Циена создала целую «радугу» флуоресцентных белков: от синего до красно-фиолетового. Свои разноцветные белки Циен назвал в честь фруктов соответствующих цветов: mBanana, tdTomato, mStrawberry (клубника), mCherry (вишня), mPlum (слива) и так далее.

Циен сделал список своих разработок похожим на фруктовую лавку не только в целях популяризации. По его словам, как не бывает одного самого лучшего фрукта на все случаи, так не бывает одного самого лучшего флуоресцентного белка: для каждого конкретного случая надо выбирать «свой» белок (а выбирать теперь есть из чего). Арсенал разноцветных белков нужен, когда учёные хотят проследить одновременно за несколькими видами объектов в одной клетке (обычно так и бывает).

Новым шагом в дизайне флуоресцентных белков стало создание «фотоактивируемых» белков. Они не флуоресцируют (а значит, не видны под микроскопом), до тех пор, пока с помощью кратковременного облучения специально подобранным лазером их не «зажжёт» исследователь. Лазерный луч аналогичен функции выделения в компьютерных приложениях. Если учёного интересуют не все молекулы белка, а только в одном конкретном месте и начиная с определенного момента, то можно «выделить» эту область с помощью лазерного луча, а затем наблюдать, что происходит именно с этими молекулами. Например, можно «активировать» одну из десятков хромосом, а потом наблюдать, как она «путешествует» по клетке во время деления, и остальные хромосомы не будут путаться под ногами.

Сейчас ученые пошли ещё дальше: недавно созданы флуоресцентные белки-хамелеоны, которые после специального облучения меняют цвет, причём эти изменения обратимые: можно много раз «переключать» молекулу с одного цвета на другой. Это ещё больше расширяет возможности изучения процессов в живой клетке.

Благодаря разработкам последнего десятилетия, флуоресцентные белки стали одним из главных инструментов исследований клетки. Об одном только GFP или исследованиях с его применением уже опубликовано около семнадцати тысяч научных статей. В 2006 году в лаборатории Friday Harbor, где был открыт GFP, установили памятник, изображающий молекулу GFP, высотой 1,4 м, то есть примерно в сто миллионов раз больше оригинала.

GFP из медузы Aequorea — лучшее доказательство того, что человеку необходимо беречь разнообразие «бесполезных» видов диких животных. Каких-то двадцать лет назад никто не предположил бы, что экзотический белок никому не известной медузы станет главным инструментом клеточной биологии XXI века. Более ста миллионов лет эволюция создавала молекулу с уникальными свойствами, которую не смог бы сконструировать «на пустом месте» никакой учёный или компьютер. Каждый из сотен тысяч видов растений и животных синтезирует тысячи своих собственных биологических молекул, которые в подавляющем большинстве пока не изучены. Может быть, в этом огромном живом архиве есть многое из того, что когда-нибудь понадобится человечеству.

Возрастающая доступность «высоких технологий» молекулярной биологии привела к тому, что светящиеся белки стали использовать не только в серьёзных исследованиях.

Зелёное флуоресцентное сало

В 2000 году по заказу современного художника Эдуарда Каца (Eduardo Kac) один французский генетик «сделал» зелёную флуоресцентную крольчиху по кличке Альба. Опыт не имел никаких научных целей: Альба была «произведением искусства» художника Каца в придуманном им направлении — трансгенном искусстве. Крольчиха (простите, художественное произведение Каца) демонстрировалась на различных выставках, пресс-конференциях и других мероприятиях, которые привлекли большое внимание.

В 2002-м Альба неожиданно умерла, а вокруг несчастного зверька в прессе поднялся скандал из-за противоречий между учёным-исполнителем и художником-заказчиком. Защищая коллегу от нападок Каца, французские генетики, например, утверждали, что Альба на самом деле не такая зелёная и светящаяся, как выглядит на фотографиях. Но если речь идёт об искусстве, почему бы не приукрасить с помощью «Фотошопа»?

Генетическая инженерия человека противоречит медицинской этике, поэтому вряд ли флуоресцентные белки будут применяться в легальных медучреждениях для диагностики и подобных целей. Однако можно предположить, что новые возможности заинтересуют салоны красоты и другие менее контролируемые заведения. Представьте себе, например, натуральные ногти или губы (никаких лаков и помад!), которые меняют цвет в зависимости от освещения и даже светятся в темноте, если кому-то нравится… Или рисунок на коже, образованный собственными флуоресцентными клетками, который становится видимым, только если посветить специальной лампой, вместо татуировок, которые разглядывает каждый кому не лень, а удалить трудно.

Новости партнёров