Мерцающий свет лантерна

На фото изображена томографическая реконструкция трахейной системы, находящейся внутри лантерна светляков рода Luciola. Лантерн — это орган, состоящий из слоистой ткани, который обуславливает свечение некоторых насекомых: например, жуков семейств Lampyridae (собственно, светляков), Elateridae (щелкунов) и Phengodidae (фенгодид). Количество и расположение их лантернов различается: светляки, как правило, имеют один крупный орган в нижней части брюшка, щелкуны — два маленьких лантерна на спине и один большой — в верхней части брюшка, а фенгодиды — несколько маленьких лантернов, расположенных по периметру брюшка.

Расположение световых органов у некоторых светящихся жуков, на основе статьи A. Prasad et al., 2023. Bioluminescence in Insects

Чтобы воспроизвести строение трахейной системы лантерна светляков рода Luciola вплоть до мельчайших деталей (диаметр самых маленьких ответвлений — трахеол — составляет около 200 нм), использовалась комбинация методов синхротронной микротомографии (см. Phase-contrast X-ray imaging) и трансмиссионной рентгеновской микроскопии (см. X-ray microscope). Густая сеть трахей и трахеол, пронизывающая лантерн, служит для доставки кислорода к фотоцитам (см. Photocyte) — клеткам, в которых возникает свечение, характерное для всех жуков семейства Lampyridae (см. статью Светлячки). Как происходит этот процесс и какую роль в нем выполняет кислород?

В фотоцитах светляков содержится вещество люциферин, представляющее собой производное бензотиазола. Люциферин взаимодействует с аденозинтрифосфатом (АТФ), присоединяя к себе его фрагмент (аденозинмонофосфат, АМФ), — в результате образуется молекула, которую и окисляет поставляемый трахеями кислород. Окисление, происходящее под действием фермента люциферазы, приводит к отрыву фрагмента АМФ и образованию органического пероксида, который распадается на углекислый газ и оксилюциферин, находящийся в возбужденном состоянии (см. Возбужденные атомы). Это означает, что после разрушения пероксидной системы в молекуле оксилюциферина присутствует так много энергии, что один из ее электронов переходит на более высокий энергетический уровень. Такое состояние неустойчиво, и этот электрон вскоре возвращается на свое исходное место, при этом выделяя энергию в виде света. Итак, люциферин светляков в присутствии кислорода, АТФ и люциферазы окисляется, образуя возбужденный оксилюциферин, который испускает свечение — и этот процесс носит название биолюминесценции.

Схема окисления люциферина светляков, сопровождаемого биолюминесценцией. Рисунок автора, на основе статьи E. J. H. Bechara et al., 2018. Brazilian Bioluminescent Beetles: Reflections on Catching Glimpses of Light in the Atlantic Forest and Cerrado

Биолюминесценция свойственна светлякам на всех стадиях развития: лантерны есть и у личинок, и у куколок, и у взрослых особей. Однако в то время как личинки и куколки испускают равномерное свечение, взрослые особи способны контролировать длительность и частоту вспышек, что может служить инструментом для привлечения противоположного пола.

Изображение светляков рода Luciola на разных этапах развития. Фото из статей S. M. Lewis et al., 2008. Flash Signal Evolution, Mate Choice, and Predation in Fireflies и Y. Oba et al., 2013. Bioluminescence of a firefly pupa: Involvement of a luciferase isotype in the dim glow of pupae and eggs in the Japanese firefly, Luciola lateralis

Например, для светляков рода Photinus характерны особые паттерны свечения: вспышки самцов привлекают самок, которые определенным образом отвечают самцам — причем эти паттерны индивидуальны для каждого вида фотинусов.

Паттерны свечения светляков рода Photinus: вспышки самцов (выделены синим) и ответы самок (выделены красным). Для самцов и самок использованы разные временные шкалы: время ответа самки отсчитывается от начала последнего сигнала самца; пустые прямоугольники обозначают вариативность сигнала. Изображение из статьи S. M. Lewis et al., 2008. Flash Signal Evolution, Mate Choice, and Predation in Fireflies

«Включение» свечения происходит в лантернах взрослых особей под действием молекулы очень простого строения — оксида азота NO. Это вещество вырабатывается в окончаниях трахеол — так называемых клетках-затворах — при получении соответствующего нервного импульса. Образовавшийся NO поступает в фотоциты, где временно блокирует работу митохондрий, связываясь с ферментом цитохромоксидазой. Из-за этого весь кислород, который поглощают фотоциты, идет на работу других органоидов — пероксисом, — где и происходит процесс окисления, индуцирующий свечение. Если клетки-затворы получают сигнал остановить свечение, они не вырабатывают NO, и в этом случае кислород, поступающий в фотоциты, идет на работу митохондрий: процесс окисления в пероксисомах останавливается, и свечение «выключается».

Схема работы механизма включения и выключения свечения в лантернах взрослых особей светляков, из статьи E. J. H. Bechara et al., 2018. Brazilian Bioluminescent Beetles: Reflections on Catching Glimpses of Light in the Atlantic Forest and Cerrado, с изменениями

Система трахей и фотоцитов — это не весь лантерн, а только один из двух его слоев, называющийся фотогенным. Другой слой, рефлекторный, служит для эффективного отражения образующегося света: благодаря его наличию свет полностью выходит за пределы тела светляка и не поглощается его тканями. Рефлекторный слой заполнен гранулами мочевой кислоты и ее солей. Различия в строении обоих слоев удалось зафиксировать методом сканирующей электронной микроскопии: фотогенный слой представляет собой мелкую сетку, а рефлекторный выглядит как скопление сферических гранул.

А — формула мочевой кислоты, с сайта en.wikipedia.org. Б, В — изображение лантерна взрослой особи светляка Luciola cerata, полученное методом сканирующей электронной микроскопии: граница фотогенного (P) и рефлекторного (R) слоев (Б) и гранулы мочевой кислоты в рефлекторном слое (В), из статьи K.-S. Goh et al., 2013. Uric Acid Spherulites in the Reflector Layer of Firefly Light Organ

Несмотря на то, что устройство лантерна и механизм свечения одинаковы для всех видов светляков, длина волны испускаемого света у разных видов отличается: примерно от 525 до 570 нм (см. картинку дня Огни светлячков: желтый или зеленый?). Для светляков характерно зеленое, желто-зеленое или желтое свечение, а вот фенгодиды способны испускать красный свет с длиной волны около 620 нм. В каждом случае люминесцирует одно и то же вещество — возбужденный оксилюциферин. Но как же тогда объяснить наличие разных цветов? Дело в том, что для оксилюциферина светляков характерно наличие разных ионных форм, каждая из которых испускает свет определенной длины волны. Устойчивость той или иной ионной формы зависит от полярности и кислотности среды, в которой находится вещество, а также от способа его взаимодействия с ферментом люциферазой, то есть от того, какими аминокислотными фрагментами окружена молекула в ходе окисления.

Ионные формы осилюциферина светляков, испускающие свечение при разных длинах волн. Рисунок автора, фото из статьи E. J. H. Bechara et al., 2018. Brazilian Bioluminescent Beetles: Reflections on Catching Glimpses of Light in the Atlantic Forest and Cerrado

Интересно, что некоторые ионные формы оксилюциферина обуславливают голубое свечение, но для светляков они нехарактерны. При этом голубая биолюминесценция встречается в природе — не у насекомых, а у моллюсков (см. картинку дня Кальмар-светлячок), бактерий, водорослей, червей. Но люциферин светляков здесь ни при чем! У этих живых организмов голубое свечение возникает за счет окисления веществ абсолютно другого строения.

Структурные формулы люциферинов, характерных для разных живых существ (желтым обведены фрагменты, которые подвергаются окислению). Рисунок автора, на основе статьи M. Vacher et al., 2018. Chemi- and Bioluminescence of Cyclic Peroxides

Все эти молекулы имеют только одну общую черту — фрагмент, способный подвергаться окислению. Так что общее название «люциферины» отражает не строение, а функцию этих веществ. К этой же группе относится и люциферин грибов (см. картинку дня Светящиеся грибы), который дает не голубое, а зеленое свечение — почти такое же, которое характерно для некоторых видов светляков.

Фото с сайта actu.epfl.ch.

Вера Мусияк