Bioliuminescenciniai organizmai evoliucionavo dešimtis kartų per gyvenimo istoriją. Kokia biochemija reikalinga tamsiai šviesai? Šiam klausimui skirti įvairūs tyrimai. Pasinerkite pakankamai giliai į vandenyno gelmes ir pamatysite ne tamsą, bet šviesą. 90% žuvų ir jūrų gyvybių, kurios klesti 100 ar net 1000 metrų gylyje, yra pajėgios sukurti savo šviesą. Žibintuvėliu medžiokite ir bendraukite naudodami Morzės kodą, kurį siunčia žaibiškos kišenės po akimis. Platytroctidae šeimos žuvys šauna į žaižaruojančius rašalus prie savo užpuolikų. Kepurės žuvys tampa nematomos, skleidžiant šviesą jų pilve, kad būtų galima modeliuoti besileidžiančius saulės spindulius; plėšrūnai žiūri į juos ir mato tik nuolatinį švytėjimą.
Mokslininkai indeksavo tūkstančius bioliuminescencinių organizmų visame gyvenimo medyje ir tikisi jų pridėti dar daugiau. Tačiau jie ilgai svarstė, kaip atsirado bioliuminescencija. Kaip rodo neseniai paskelbti tyrimai, mokslininkai padarė didelę pažangą suvokdami bioliuminescencijos kilmę - tiek evoliuciškai, tiek chemiškai. Naujos įžvalgos vieną dieną gali leisti bioliuminescenciją naudoti biologiniuose ir medicinos tyrimuose.
- „Salik.biz“
Vienas iš senų iššūkių yra nustatyti, kiek kartų įvyko viena bioliuminescencija. Kiek rūšių atėjo į ją nepriklausomai viena nuo kitos?
Nors kai kurie geriausiai žinomi gyvų organizmų šviesos pavyzdžiai yra antžeminiai - pagalvokite, pavyzdžiui, apie ugniagesius, - dauguma evoliucijos įvykių, susijusių su bioliuminescencija, vyko vandenyne. Bioliuminescencijos praktiškai ir akivaizdžiai nėra visuose sausumos stuburiniuose ir žydinčiuose augaluose.
Vandenyno gelmėse šviesa suteikia organizmams unikalų būdą pritraukti grobį, bendrauti ir apsiginti. Pasak Matthew Daviso, Minesotos Saint Cloud valstijos universiteto biologas. Birželio mėnesį paskelbtame tyrime jis ir jo kolegos nustatė, kad žuvys, kurios naudoja šviesą bendravimui ir signalizuoja apie mandagumą, yra ypač paplitusios. Per maždaug 150 milijonų metų - neilgai pagal evoliucijos standartus - tokios žuvys paplito daugiau rūšių nei kitos žuvys. Bioliuminescencinės rūšys, kurios savo šviesą naudojo tik kamufliažui, kita vertus, nebuvo tokios įvairios.
Santuokos signalus galima palyginti lengvai pakeisti. Šie pokyčiai savo ruožtu gali sudaryti populiacijos pogrupius, kurie ilgainiui suskaidomi į unikalias rūšis. Birželio mėnesį Kalifornijos universiteto Santa Barbaroje evoliucijos biologas Toddas Oakley ir viena iš jo studentų Emily Ellis paskelbė tyrimą, kuris parodė, kad organizmai, naudojantys bioliuminescenciją kaip poravimosi signalus, turėjo daug daugiau rūšių ir greitesnį rūšių kaupimąsi nei jų artimieji, nenaudojantys šviesos. Oakley ir Ellisas ištyrė dešimt organizmų grupių, įskaitant ugniagesius, aštuonkojus, ryklius ir mažuosius nariuotakojus, ostracodus.
Daviso ir jo kolegų moksliniai tyrimai apsiribojo žuvimis, pagamintomis spinduliais, kurios sudaro maždaug 95% žuvų rūšių. Davisas apskaičiavo, kad net šioje vienoje grupėje bioliuminescencija vystėsi mažiausiai 27 kartus. Steponas Haddockas, Monterey Bay akvariumo tyrimų instituto jūrų biologas ir bioliuminescencijos ekspertas, apskaičiavo, kad tarp visų gyvybės formų bioliuminescencija nepriklausomai atsirado bent 50 kartų.
Reklaminis vaizdo įrašas:
Daugybė būdų uždegti
Beveik visuose šviesiuose organizmuose bioliuminescencijai reikia trijų ingredientų: deguonies, šviesą skleidžiančio pigmento luciferino (iš lotyniško žodžio lucifer, reiškiančio „nešiojantį šviesą“) ir fermento luciferazės. Kai luciferinas sąveikauja su deguonimi - per luciferazę - jis sudaro sužadintą, nestabilų komponentą, kurį skleidžia rinkinys, grįždamas į mažesnės energijos būseną.
Įdomu, kad luciferinų yra kur kas mažiau nei luciferazių. Nors rūšys linkusios turėti unikalią luciferazę, labai daug jų turi tą pačią luciferiną. Tik keturi luciferinai yra atsakingi už didžiąją dalį šviesos vandenyne. Iš beveik 20 pasaulio bioliuminescencinių organizmų grupių devyni iš jų skleidžia šviesą iš luciferino, vadinamo kolenterazinu.
Tačiau būtų klaidinga manyti, kad visi kolenterazino turintys organizmai kilo iš vieno šviečiančio protėvio. Jei taip būtų, kodėl jiems būtų sukurtas toks platus luciferazės spektras, klausia Miuncheno Liudviko Maksimiliano universiteto biologas Warrenas Francisas. Manoma, kad pirmoji luciferino-luciferazės pora turėjo išlikti ir padaugėti.
Taip pat tikėtina, kad daugelis šių rūšių pačios negamina kolenterazino. Jie gauna tai iš savo dietos, sako Japonijos Chubu universiteto biologijos profesorius Yuichi Oba.
2009 m. Obos vadovaujama komanda išsiaiškino, kad giliavandeniai vėžiagyviai (elniasparniai) - mažas, plačiai paplitęs vėžiagyvis - gamina savo kolenteraziną. Šie vėžiagyviai yra nepaprastai gausus maisto šaltinis įvairiausiems jūrų gyvūnams - tokie gausūs, kad Japonijoje jie vadinami „ryžiais vandenyne“. Jis mano, kad šie vėžiagyviai yra raktas norint suprasti, kodėl tiek daug jūros organizmų yra bioliuminescenciniai.
Abu ir jo kolegos vartojo aminorūgštis, kurios tariamai yra kolenterazino elementai, paženklino jas molekuliniu žymekliu ir įdėjo į maistą, skirtą košei. Tada jie laboratorijoje tiekė šį maistą vėžiagyviams.
Po 24 valandų mokslininkai iš vėžiagyvių išgavo kolenteraziną ir pažvelgė į pridedamus žymenis. Akivaizdu, kad jų buvo visur - o tai buvo didžiausias įrodymas, kad vėžiagyviai sintetino luciferino molekules iš aminorūgščių.
Net medūzos, kurios pirmą kartą atrado coelenteraziną (ir buvo pavadintos vardu), negamina savo coelenterazino. Savo luciferiną jie gauna valgydami vėžiagyvius ir kitus smulkius vėžiagyvius.
Paslaptingos kilmės
Mokslininkai rado dar vieną užuominą, kuri galėtų padėti paaiškinti kolenterazino populiarumą tarp giliavandenių gyvūnų: ši molekulė taip pat randama organizmuose, kurie neišskiria šviesos. Belgijos Leuveno katalikų universiteto biologui Jean-François Ries'ui tai pasirodė keista. Stebina tai, kad „tiek daug gyvūnų pasigamina tą pačią molekulę, kad gautų šviesą“, - sako jis. Galbūt koelenterazinas, be liuminescencijos, turi ir kitų funkcijų?
Atlikdamas eksperimentus su žiurkių kepenų ląstelėmis, Reese parodė, kad kolenterazinas yra stiprus antioksidantas. Jo hipotezė: kolenterazinas pirmiausia galėjo išplisti tarp jūros vandenyje gyvenančių organizmų. Ten antioksidantas galėtų suteikti reikiamą apsaugą nuo kenksmingų saulės spindulių oksidacinio poveikio.
Kai šie organizmai pradėjo kolonizuoti gilesnius vandenynų vandenis, kur antioksidantų poreikis yra mažesnis, koenteraterazino gebėjimas skleisti šviesą buvo labai naudingas, pasiūlė Reese. Laikui bėgant, siekiant pagerinti šią kokybę, organizmai sukūrė skirtingas strategijas - pavyzdžiui, luciferazę ir specializuotus šviesos organus.
Tačiau mokslininkai neįsivaizdavo, kaip kiti organizmai, ne tik Oba elniasparniai, gamina kolenteraziną. Genai, kurie koduoja kolenteraziną, taip pat visiškai nežinomi.
Paimkite, pavyzdžiui, šukos želė. Šios senovės jūrų būtybės - kai kurių laikomos pirmąja gyvūno medžio šaka - jau seniai įtariamos gaminančios kolenteraziną. Tačiau niekas nesugebėjo to patvirtinti, jau nekalbant apie konkrečių genetinių nurodymų darbe nustatymą.
Tačiau praėjusiais metais buvo pranešta, kad tyrėjų grupei, vadovaujamai Pranciškaus ir Haddocko, atsirado genų, kurie gali būti susiję su luciferino sinteze. Norėdami tai padaryti, jie ištyrė ctenoforų, kurie yra genų, kuriuos gyvūnas išreiškia tam tikru momentu, momentinius vaizdus. Jie ieškojo genų, užkoduotų trijų aminorūgščių grupei - tų pačių aminorūgščių, kuriomis Oba maitino savo koprotus.
Tarp 22 bioliuminescencinių ctenoforų rūšių mokslininkai rado genų grupę, atitinkančią jų kriterijus. Tų pačių genų nebuvo kitose dviejose ne luminescencinėse ctenoforų rūšyse.
Naujas pasaulis
Bioliuminescencijos genetinį mechanizmą galima pritaikyti ne tik evoliucijos biologijoje. Jei mokslininkai galėtų išskirti luciferino ir liuciferazės porų genus, jie dėl vienos ar kitos priežasties galėtų priversti organizmus ir ląsteles švytėti.
1986 m. Kalifornijos universiteto San Diege mokslininkai modifikavo ir į tabako augalus įtraukė židinio liuciferazės geną. Tyrimas buvo paskelbtas žurnale „Science“, nurodant vieną iš šių augalų, tamsiai fone švytintį baisiai.
Šis augalas pats negamina šviesos - jame yra luciferazės. Bet norint, kad šis tabakas švytėtų, jį reikia laistyti tirpalu, kuriame yra luciferino.
Po trisdešimties metų mokslininkams vis dar nepavyko sukurti savaiminių šviesų organizmų, naudojant genų inžineriją, nes jie nežino daugumos luciferinų biosintezės keliai. (Vienintelė išimtis buvo bakterijose: Mokslininkai sugebėjo nustatyti švytėjimo genus, koduojančius bakterinę luciferino-luciferazės sistemą, tačiau šiuos genus reikia modifikuoti, kad jie būtų naudingi bet kuriam nebakteriniam organizmui.)
Vienas didžiausių luciferino ir luciferazės naudojimo būdų ląstelių biologijoje yra jų kaip svogūnėlių įdėjimas į ląsteles ir audinius. Tokia technologija būtų naudinga sekti ląstelių vietą, genų ekspresiją, baltymų gamybą, sako Jennifer Prescher, Kalifornijos universiteto Irvine chemijos profesorė.
Bioliuminescencinių molekulių panaudojimas bus toks pat naudingas kaip fluorescencinio baltymo, kuris jau naudojamas stebint ŽIV infekcijos vystymąsi, vizualizuoti navikus ir sekti nervų pažeidimus Alzheimerio liga, panaudojimas.
Šiuo metu mokslininkai, naudojantys luciferiną vaizdavimo eksperimentams, turi sukurti sintetinę jo versiją arba nusipirkti už 50 USD už miligramą. Į ląstelę taip pat sunku įnešti luciferino iš išorės - nebūtų problema, jei ląstelė galėtų pasigaminti savo luciferiną.
Tyrimai tęsiami ir palaipsniui nustatomi evoliucijos ir cheminiai procesai, kaip organizmai gamina šviesą. Tačiau didžioji dalis bioliuminescencinio pasaulio tebėra tamsoje.
Ilja Khel