Светлинното шоу на животните

Като деца прекарвали ли сте летните вечери навън, опитвайки се да хванете светулки? Често ги слагахме в буркани, за да можем да ги гледаме как светят, преди да ги пуснем на свобода. А помните ли светещите гъби в „Алиса в Страната на чудесата“ и онази гигантска синя гъсеница със светещ корем, която седи на голяма гъба и пуши от наргиле, не особено общителна, но пък мъдра. А онази приказна светеща гора в „Аватар“ на Джеймс Камерън? Природата тук, на Земята, пък ни предлага още светещи риби, сепии, медузи и океани, искрящи в неоново синьо.

Този природен феномен е известен под името биолуминесценция. Представлява процес, при който се излъчва светлина от живи организми като резултат от взаимодействието на две различни химични вещества – луциферин, това което произвежда светлината, и луцифераза – ензим, който катализира реакцията. Обикновено процесът изисква и наличието на кислород и аденозинтрифосфат (химично съединение, което съдържа богати на енергия връзки).

Биолуминесценцията се среща широко при морските гръбначни и безгръбначни животни, както и при някои гъби, микроорганизми, включително някои биолуминесцентни бактерии и сухоземни членестоноги като любимите ни светулки. Над 76% от животните в океана са биолуминесцентни, което означава, че те произвеждат собствена светлина чрез поредица от химически реакции или гостоприемни бактерии.

Хората от хилядолетия са измисляли гениални приложения на биолуминесценцията, много от които днес са малко известни. Римският естественик и философ Плиний пише, че разтривайки слузта на светеща медуза, вероятно Pelagia noctiluca, върху пръчка, човек може да получи светеща „факла“. В края на XVII век пък германският лекар Георг Еберхард Румфиус описва как коренните народи на Индонезия използват биолуминесцентни гъби за осветяване на пътя в гората. Преди XIX век миньорите са пълнели буркани със светулки и суха рибешка кожа, по която има биолуминесцентни бактерии – две находчиви решения, които перфектно са изпълнявали ролята на фенери. Лампата тип челник все още не е била изобретена, а внасянето на открит пламък в мината или пещерата заплашва да запали взривоопасен газ, затова хората често са прибягвали до природни заместители, за да осветят пътя си.

Ранните изследователи и мореплаватели описват петънца светлина около лодките и греблата, както и сияещи вълни и области от блестяща вода, известни като „млечни морета“. Първоначалните опити да се обяснят подобни явления често са по-близки до поезията, отколкото до науката. За мнозина произходът на тази светлина e бил близък до огъня, въпреки че тя идва от водата. Китайски текст от IV или V век пр.Хр., подробно описващ морски приключения, гласи, че „човек може да види огнени искри, когато водата се раздвижи“. По същия начин през XVII век френският философ Рене Декарт оприличава светлината, която е видял в морска вода, с искри от кремък. По време на круиз до Сиам през 1688 г. йезуитският мисионер и математик Ги Ташар пък пише, че слънцето привидно е „оплодило водите и е изпълнило морето през деня със светещи духове“. През 1753 г. Бенджамин Франклин вече предполага, че някаква „изключително малка животинка във водата излъчва видима светлина“. По същото време естественици като Годо де Ревил, оборудвани с ранни микроскопи, потвърждават, че хипотезата на Франклин е правилна: океанските блясъци и сияния са всъщност дело на мъничките „морски насекоми“, които сега наричаме планктон.

Чарлз Дарвин също описва биолуминесценцията в своя дневник:

„Докато плавах по тези географски ширини в една много тъмна нощ, морето представи чуден и най-красив спектакъл. Имаше лек бриз и всяка част от повърхността на вълните, която през деня се вижда като пяна, сега светеше с бледа светлина. Корабът пореше вълни като от течен фосфор и оставяше следи в морето като мляко. Докъдето стига окото, гребенът на всяка вълна бе бляскав, а от отразените отблясъци на тези живи пламъци небето над хоризонта беше тъй ярко като в рая“.

Когато кораби и други плавателни съдове преминават през големи групи от биолуминесцентен планктон, често отстрани и след тях се образуват вълнички и „облаци“ от зелена и синя светлина. Тези нежелани проблясъци се оказват проблематични за флота, който понякога иска корабите му да останат незабележими. През 1918 г., по време на Първата световна война, британски кораб потопява германска подводница край бреговете на Испания, вследствие именно на този светлинен ефект, който подводницата създава при движението си под вода. До Втората световна война военноморските сили на различни страни проучват възможни начини да проследяват подводници и торпеда с помощта на биолуминесценцията. Флотът на САЩ продължава подобни изследвания и днес, опитвайки се да разработи подводен робот, който може да измери и използва биолуминесценцията като метод за откриване на вражески плавателни съдове.

Японският учен Осаму Шимомура, който посвещава голяма част от живота си на изучаването на този феномен, твърди, че по време на Втората световна война японската армия събира огромни количества малки ракообразни от океана, известни като остракоди, както и морски светулки и други светещи морски същества.

„Студената синя светлина на умихотару (морските светулки) беше достатъчно ярка, за да могат войниците да четат карти и кореспонденция на нея, но твърде слаба, за да ги издаде на близките врагове. Остракодите също бяха лесен, прост източник на светлина – казва Шимомура. – Просто добавяте вода. Много удобно. Нямате нужда от батерии.”

През 1955 г. Шимомура задълбочава работата си в изучаването на биолуминесценцията и впоследствие прави революция в областта на биологията. Шимомура се присъединява към лабораторията на Йошимаса Хирата към Университета в Нагоя, където му е възложена задача да извлече органичното съединение луциферин от остракоди и да определи точната му молекулна структура. Днес учените знаят, че в много биолуминесцентни организми ензимът луцифераза катализира химична реакция между луциферина и кислорода, които произвеждат светлина. След 10 месеца труд в лабораторията Шимомура става първият човек, който кристализира луциферин и така прави съществена стъпка в изучаването на структурата му.

През 60-те години той продължава изследванията си в Принстънския университет, където започва да изучава светещите медузи Aequorea victoria. Шимомура и неговите колеги събират множество екземпляри от медузата, за да получат малко количество от светещия ѝ материал. В блестящата течност те откриват протеин, наречен аекорин, който отделя синя светлина, когато реагира с калций, дори и при липса на кислород. Друг протеин в медузата – зелен флуоресцентен протеин (GFP), понякога абсорбира тази синя светлина и в отговор освобождава зелена.

До 1978 г., след като събира близо милион медузи, Шимомура старателно изяснява структурата на аекорина и естеството на уникалните реакции на генериране на светлина от A. victoria. И аекоринът, и GFP, както и генното кодиране на последния, стават основни инструменти в биологията и медицината. Учените вече биха могли да маркират и наблюдават сложните танци на невидими по-рано гени и протеини в живите клетки. През 2008 г. Шимомура получава Нобеловата награда за химия заедно с Мартин Чалфи от Колумбийския университет и Роджър Циен от Калифорнийския университет в Сан Диего за работата си по GFP.

Освен медузите, известно е, че още най-малко 1500 вида риби са биолуминесцентни, включително акули и водни кончета, а учените редовно откриват нови светещи същества. Сред най-емблематичните e страховитият дълбоководен морски дявол (разред Lophiiformes). Женските примамват плячката си (а и мъжките) чрез израстък, чийто светещ край виси като лампа пред главата им. Хавайските калмари бобтейл пък светят чрез биолуминесцентни бактерии, живеещи в един от техните органи. Лунната светлина по повърхността на водата действа като камуфлаж и елиминира светлинната им следа, като по този начин ги предпазва от хищници. Може би един от най-удивителните видове е 15-сантиметровата акула фенер (Etmopterus perryi), която привлича вниманието към себе си чрез т.нар. фотофори – светещи репродуктивни органи.

Морските същества разчитат на биолуминесценцията за комуникация, намиране на плячка, камуфлаж. Някои калмари например изстрелват биолуминесцентна течност вместо мастило, за да объркат хищниците. Червеите и мъничките ракообразни също използват биолуминесценцията, за да привличат партньори. Мъжкият представител на малкото ракообразно, наречено карибски остракод, използва биолуминесцентни сигнали на горните си устни, за да „се хареса“ на женските. Огнените червеи пък живеят на морското дъно, но с настъпването на пълнолунието се преместват в по-повърхностните слоеве на водата, където женските от някои видове като Odontosyllis enopla използват биолуминесценция, за да привличат мъжки, докато се движат в кръг. Тези светещи червеи може би дори са посрещнали Христофор Колумб в Новия свят.

Често животните използват силен блясък от биолуминесценция, за да изплашат хищник. Яркият сигнал може да стресне и разсее хищника и да го обърка относно местонахождението на неговата цел. При калмарите тази тактика може да бъде много полезна в дълбоките води. Червеят зелен бомбардировач (Swima bombiviridis) и четири други подобни видове червеи от семейство полихети пускат биолуминесцентна „бомба“ от тялото си, когато усетят заплаха. Тези дълбоководни червеи живеят близо до морското дъно и са открити едва през 2009 г.

Според морския биолог Еди Уайдър, основател на Асоциацията за изследвания и опазване на океана, много малко биолуминесцентни риби могат да понасят ниска соленост. Това е и причината биолуминесценцията да се среща предимно в морета и океани и да липсва в сладководни басейни. Единственият случай на биолуминесценция при сладководно животно е Latia neritoides, вид охлюв, живеещ в потоците в Нова Зеландия, който произвежда светеща слуз, когато е притеснен.

Повечето дълбоководни животни излъчват някаква биолуминесцентна светлина, но феноменът не е свързан с дълбочината. Едно от най-често срещаните биолуминесцентни явления се случва на повърхността на океана. Много малки планктонови повърхностни обитатели – едноклетъчните динофлагелати, създават биолуминесцентна феерия. Подобно на растенията динофлагелатите са способни на фотосинтеза, но таксономически са класифицирани в различно царство. Те са микроскопични организми, които плуват близо до повърхността и могат да произведат красиви биолуминесцентни шоута, когато се намират в голяма популация. Този вид струпване е рядко, но може да се види обикновено в тропически лагуни, защитени от открития океан. Когато условията са подходящи, динофлагелатите цъфтят в плътни слоеве на повърхността на водата, което кара океана да придобие червеникаво-кафяв цвят на дневна светлина и искрящ блясък, докато микроорганизмите се движат във вълните през нощта. Милиони от тези едноклетъчни създават красив блестящ ефект, особено когато има малко лунна светлина. В Пуерто Рико например туристите могат да карат каяк през искрящата в електрическосиньо вода в три залива. Движението стимулира динофлагелатите, така че „ако се случи риба да плува през тях, можете да видите нейните луминeсцентни очертания“, казва Сенджи Лин, морски биолог от Университета на Кънектикът, който специализира в този вид планктон.

Хората виждат биолуминесценцията главно когато е предизвикана от физическо смущение като вълни или движещ се корпус на лодка, което кара животните да светят, но често те го правят в отговор на атака или с цел да привлекат половинка. Биолуминесцентните организми живеят навсякъде в океана, от повърхността до морското дъно, от крайбрежието до открити води. В морските дълбини биолуминесценцията е изключително често срещана и тъй като моретата и океаните са толкова обширни, този феномен може би е най-често срещаната форма на комуникация на планетата.

Светлината пътува във вълни с различни форми, известни като дължини на вълната, което определя цвета на светлината. Когато вълните достигнат очите ни, мозъкът ни ги „превежда“ в цветове в зависимост от дължината им. Дължините на вълните, които очите ни могат да видят, са известни като „спектър на видимата светлина“ и ние виждаме всички негови цветове, докато пътуват през въздуха над сушата. Светлината обаче се движи различно под водата и по-дългите вълни не могат да пътуват толкова надалеч. Повечето от произведената в океана биолуминесценция е под формата на синьо-зелена светлина. Това е така, защото тези цветове са с по-къси дължини на вълната, които могат да преминават (и по този начин да се виждат) както в плитка, така и в дълбока вода.

Морското царство не е единственият дом на биолуминесценцията. Може би най-известното сухоземно същество, което използва този феномен, е светулката. Тези крехки насекоми притежават органи, които са разположени под корема и излъчват светлина. За разлика от електрическата крушка, която освен светлина отделя много топлина, светлината на светулката е „студена“, без много енергия да се губи под формата на топлина. Това е така, защото иначе светулката няма да оцелее, ако органът, произвеждащ светлина, се нагрява като електрическа крушка. Светулките контролират началото и края на химическата реакция и излъчването на светлина, като добавят кислород към останалите химикали, необходими за производството ѝ. Това се случва в светлинния орган на насекомото. Когато има кислород, светлинният орган светва, а когато не е налице, светлината угасва. Насекомите нямат бели дробове, но вместо това транспортират кислород от външната част на тялото си до вътрешните клетки чрез поредица малки тръби, известни като трахеоли.

Светулките светят по различни причини. Светлината, която те излъчват, обикновено е прекъсваща и мига по начини, които са уникални за всеки вид. Всяко намигване е оптичен сигнал, който помага на светулките да намерят потенциални партньори. Същите сигнали могат да бъдат използвани и като отбранителна реакция. Ларвите произвеждат къси сияния и са активни предимно през нощта. Светулките произвеждат защитни стероиди в телата си, което ги прави непригодни за ядене от хищниците. Като възрастни, много светулки използват биолуминесцентните модели, уникални за техния вид, за да идентифицират други членове на вида, както и за разграничаване между половете. Няколко проучвания показват, че женските светулки избират партньори в зависимост от специфичните характеристики на светлината, която произвежда мъжкият. Доказано е, че поне при два различни вида светулки по-високата скорост на мигането, както и повишената интензивност на светлината са по-привлекателни за женските.

Някои видове светулки имат уникален начин да изпълняват своите сигнали за чифтосване, като се събират в колонии и мигат в унисон. Други видове синхронизират своите проблясъци за няколко секунди и в резултат от това в гората се разнасят истински вълни от светлина. Тези ефектни изпълнения могат да бъдат видени в Югоизточна Азия и на източното крайбрежие на САЩ от Джорджия до Северна Пенсилвания.

Възрастните светулки от някои видове обаче изобщо не са светещи и вместо това използват феромони, за да намерят половинки. Излъчването на феромони, изглежда, е било основният метод за изпращане на сексуални сигнали при предците на светулките, а използването на светлината за тази цел вероятно е развито доста по-късно като умение при насекомите от този разред.

Като цяло дневната светлина не позволява на светулките да виждат светлинките на другите, затова и те са активни през нощта. Друг потенциален проблем за тях е загубата на местообитанията им вследствие на употребата на пестициди и изменението на климата. Ако попаднете на светулки през нощта, изключете светлините на колата и телефона си, за да сте сигурни, че не нарушавате техния ритуал и не им пречите да намерят пътя си.

Светулките не са единствените светещи насекоми. Ако случайно сте в Австралия или Нова Зеландия например, можете да посетите пещерите със светещи червеи – всъщност ларвите на малката муха Arachnocampa flava, които пускат лепкави биолуминесцентни нишки, за да примамват и улавят нещастни жертви.

Биолуминесценцията е рядкост при растенията. Учените обаче са намерили начин да създадат изкуствено светещи растения, като ги кръстосват с биолуминесцентни бактерии. Това е направено с растения от рода Arabidopsis, член на семейството на горчицата. Всъщност ако растенията изглеждат биолуминесцентни, това най-вероятно е, защото върху тях живеят такива бактерии.

В същото време обаче има около 70 вида гъби, за които е известно, че използват биолуминесценция. Повечето се срещат в тропическите джунгли, но някои от тях са в умерените гори като видовете, излъчващи светлина, известна като foxfire (в буквален превод – „лисичи огън“). Учените все още се опитват да разберат защо някои видове гъби използват биолуминесценция. Теориите за това са няколко.

Първата гласи, че излъчвайки светлина през нощта, гъбите могат да привлекат насекоми, които събират спори, и по този начин разпространяват гъбите на нови места. Това е подобно на опрашването от пчелите – пчелите кацат на цвете, събират прашец и го транспортират до следващото цвете. Тази теория се подкрепя от факта, че повечето видове гъби излъчват светлина през нощта, когато е достатъчно тъмно, за да могат да я видят насекомите.

Според втората теория гъбите използват биолуминесценция, за да привлекат хищници, които ядат насекомите, които пък ядат гъбите. Хитро, нали?!

А третата теория, която все още не намира много подкрепа в научния свят, е свързана с това, че вероятно биолуминесценцията е метаболитна реакция за освобождаване на излишната енергия от организма.

Защо биолуминесценцията е толкова хипнотизираща за хората? В крайна сметка светлината е в изобилие. Всяка сутрин един огромен източник на светлина се издига над дърветата и покривите и разлива златното си съдържание върху всичко живо. И все пак въпреки че получаваме достатъчно светлина, изглежда, не се чувстваме достатъчно близо до нея. В историята много култури разказват за хора и същества с ореоли или блясък около тях: богове, ангели, феи, светци и духове. Да се обливаме в светлина, означава да бъдем божествени или свръхестествени, точно защото това е невъзможно за нас. Биолуминесценцията е един от най-старите и разпространени езици на Земята, който обаче до голяма степен е чужд за хората. Въпреки нашите фантазии и митологии истината е, че няма нищо свръхестествено в живата светлина. Тя е била част от заобикалящата ни природа от незапомнено време. И може би с твърде малко благодарност се възползваме от несравнимия талант на светещите създания за нашите собствени цели. Вземаме назаем тяхната светлина и тя разкрива неща за нашата собствена биология, които може би никога не бихме открили по друг начин. Но това е всичко, което можем да направим – да вземем назаем. И до ден днешен улавяме светулки в шепи, събираме ги в буркани и ги поставяме на нощното си шкафче, и по този начин може би се опитваме да задоволим нашия вечен прометеевски глад.-