Медузы светящиеся в темноте. Глубоководные светящиеся рыбы. Современная «золотая рыбка» должна иметь наноразмеры и флуоресцировать зеленоватым светом

Биолюминесценция (в переводе с греч. “биос” – жизнь, и лат. “люмен” – свет) – это способность живых организмов излучать свет. Это одно из самых удивительный явлений. В природе встречается не так часто. Как это выглядит? Давайте смотреть:

10. Светящийся планктон

Фото 10. Светящийся планктон, Мальдивы

Светящийся планктон в озере Гиппсленд, Австралия. Свечение это есть ни что иное, как биолюминесценция – химические процессы в организме животных, при которых освобождающаяся энергия выделяется в форме света. Удивительное по своей природе явление биолюминесценции, посчастливилось не только увидеть, но и заснять фотографу Филу Харту (Phil Hart).

9. Светящиеся грибы

На фото изображён Panellus stipticus. Один из немногих грибов, обладающий биолюминесценцией. Этот вид грибов достаточно распространён в Азии, Австралии, Европе и Северной Америке. Растет группами на бревнах, пнях и стволах лиственных деревьев, особенно, на дубах, буках и березах.

8. Скорпион

На фото изображён скорпион, светящийся под ультрафиолетом. Скорпионы не излучают свой собственный свет, но они светятся под невидимым излучением неонового света. Всё дело в том, что в наружном скелете скорпиона имеется вещество, которое как раз и излучает свой свет под ультрафиолетом.

7. Светящиеся червячки Пещеры Вайтомо, Новая Зеландия

В Новой Зеландии, в пещере Вайтомо обитают светящиеся личинки москитов. Они покрывают потолок пещеры. Эти личинки оставляют нити светящейся слизи, до 70 на одного червячка. Это им помогает ловить мух и мошек, которыми они питаются. У некоторых видов такие нити ядовитые!

6. Светящиеся медузы, Япония

Фото 6. Светящиеся медузы, Япония

Удивительное зрелище можно было увидеть в заливе Тояма Бэй в Японии – тысячи выброшенных на берег залива медуз. Причём обитают эти медузы на больших глубинах, а в период размножения поднимаются на поверхность. В этот момент их и принесло в огромном количестве на сушу. Внешне эта картина очень напоминает светящийся планктон! Но это абсолютно два разных явления.

5. Светящиеся грибы (Mycena lux-coeli)

То что Вы видите здесь – светящиеся грибы Mycena lux-coeli. Растут они в Японии, во время сезона дождей на поваленных деревьях Chinquapin. Эти грибы выделяют свет благодаря веществу под названием люциферин, который окисляясь и выделяет вот такое интенсивное зеленовато-белое свечение. Очень забавно, что, по-латыни, Люциферу означает “свет дарителя.” Кто бы знал! Живут эти грибы всего лишь несколько дней, и умирают когда дожди заканчиваются.

4. Свечение остракод Cypridina hilgendorfii, Япония

Cypridina hilgendorfii – так называются ракушниковые острокоды, крошечные (по большой части не более 1-2 мм), прозрачные организмы, живущие в в прибрежных водах и песках Японии. Светятся они благодаря веществу люциферину.

Интересен тот факт, что во время Второй Мировой войны, японцы собирали этих рачков с целью получения света ночью. Намочив эти организмы в воде, они снова начинают светиться.

3. Светящиеся светлячки

Фото 3. Фотография светлячков, сделанная на длинной выдержке

Вот так выглядят места обитания светлячков, сделанные на длинной выдержке. Светлячки мигают, чтобы привлечь к себе внимание противоположного пола.

2. Светящиеся бактерии

Светящиеся бактерии – удивительное природное явление. Свет у бактерий создается в цитоплазме. Обитают они в основном в морской воде, и реже на суше. Одна бактерия излучает сама по себе очень слабый, практически невидимый свет, но когда они в большом количестве, то светятся уже более интенсивным, очень приятным глазу голубым светом.

1. Медуза (Aequorea Victoria)

В 1960-х японо-американским учёным Осаму Симомура в университете Нагоя был выявлен люминесцентный белок экворин из медузы эквореи (Aequorea victoria). Симомура показал, что экворин инициируется с ионами кальция без кислорода (окисления). Иными словами светоизлучающий фрагмент является не сам по себе отдельным субстратом, а субстратом, прочно связанным с белком. Это в свою очередь дало огромный вклад не только в науку, но и в медицину. В 2008 году Симомура был удостоен Нобелевской премии за свои труды.

Одними из самых загадочных обитателей морских глубин, вызывающих интерес и определенное опасение, по праву могут быть названы медузы. Кто они, откуда появились, какие разновидности есть в мире, что собой представляет их жизненный цикл, так ли они опасны, как рассказывает народная молва – обо всем этом хочется узнать наверняка.

Медузы появились более 650 миллионов лет назад, их можно назвать одними из самых старейших организмов на Земле.

Около 95% тела медузы составляет вода, она же является средой их обитания. Большинство медуз живут в соленой воде, хотя встречаются виды, предпочитающие пресные водоемы. Медузы – фаза жизненного цикла представителей рода Medusozoa, «морское желе» чередуется с неподвижной бесполой фазой неподвижных полипов, от которых они образуются почкованием после созревания.

Название было введено в 18 веке Карлом Линнеем, он видел в этих странных организмах определенное сходство с мифической Медузой Горгоной, благодаря наличию щупалец, развевающихся, словно волосы. С их помощью медуза улавливает мелкие организмы, служащие ей пищей. Щупальца могут иметь вид длинных или коротких, остроконечных нитей, но все они снабжены стрекательными клетками, оглушающими добычу и облегчающими охоту.

Жизненный цикл сцифоидных: 1-11 - бесполое поколение (полип); 11-14 - половое поколение (медуза).

Светящиеся медузы

Тот, кто видел, как светится темной ночью морская вода, забыть это зрелище вряд ли сможет: мириады огоньков подсвечивают морскую глубину, переливаются, словно бриллианты. Причиной этого удивительного явления служат мельчайшие планктонные организмы, в том числе – медузы. Одной из самых красивых считают фосфорическую медузу. Встречается она не очень часто, обитая в придонной зоне недалеко от берегов Японии, Бразилии, Аргентины.

Диаметр зонтика светящейся медузы может достигать 15 сантиметров. Обитая в темных глубинах, медузы вынуждены приспосабливаться к условиям, обеспечивать себе пропитание, чтобы не исчезнуть вовсе, как вид. Интересен факт, что тела медуз не имеют мышечных волокон и не могут сопротивляться потокам воды.

Поскольку медлительным, плывущим по воле течения медузам не угнаться за подвижными рачками, мелкими рыбешками или другими планктонными обитателями, приходится идти на хитрость и вынуждать их подплывать самих, прямо к хищно распахнутому ротовому отверстию. А лучшей приманкой в темноте придонного пространства становится свет.

Тело светящейся медузы содержит пигмент – люцеферин, который окисляется под воздействием специального фермента – люциферазы. Яркий свет привлекает жертв, словно мотыльков – пламя свечи.

Некоторые виды светящихся медуз, такие как Раткея, Экворея, Пелагия обитают у поверхности воды, и, собираясь в больших количествах, они в буквальном смысле слова заставляют море гореть. Удивительная способность испускать свет заинтересовала ученых. Люминофоры были успешно выделены из генома медуз и внедрены в геномы других животных. Результаты оказались достаточно необычными: например, мыши, генотип которых был изменен таким образом, стали обрастать зелеными шерстинками.

Ядовитая медуза — Морская Оса

В наши дни известны более трех тысяч медуз, и многие из них – далеко не безобидны для человека. Стрекательные клетки, «заряженные» ядом, имеют все виды медуз. Они помогают парализовать жертву и без проблем расправиться с ней. Без преувеличения, для дайверов, пловцов, рыбаков представляет медуза, которую называют Морская оса. Основным местом обитания таких медуз являются теплые тропические воды, особенно много их возле берегов Австралии и Океании.

Прозрачные тела нежно-голубого цвета незаметны в теплой воде тихих песчаных бухт. Небольшой размер, а именно, до сорока сантиметров в диаметре, также не привлекает особого внимания. Между тем, яда одной особи хватит, чтобы отправить на небеса около полусотни человек. В отличие от своих фосфоресцирующих собратьев, морские осы могут менять направление движения, легко находя беспечных купальщиков. Яд, попавший в организм жертвы, вызывает паралич гладкой мускулатуры, в том числе, дыхательных путей. Находясь на мелководье, человек имеет небольшой шанс спастись, но, даже если медицинская помощь была оказана своевременно и человек не погиб от удушья, в местах «укусов» образуются глубокие язвы, причиняющие сильную боль и незаживающие в течение многих дней.

Опасные малютки — медузы Ируканджи

Сходным действием на человеческий организм, с той лишь разницей, что степень поражения не так глубока, обладают крохотные медузы Ируканджи, описанные австралийцем Джеком Барнсом в 1964 году. Он, как истинный ученый, ратующий за науку, испытал действие яда не только на самом себе, но и на собственном сыне. Симптомы отравления – сильная головная и мышечная боль, судороги, тошнота, сонливость, потеря сознания – сами по себе не являются смертельными, но основной риск состоит в резком повышении артериального давления у человека, который лично познакомился с Ируканджи. Если у жертвы есть проблемы с сердечно-сосудистой системой, то вероятность летального исхода довольно велика. Размер этой малютки – около 4 сантиметров в диаметре, но зато тонкие веретенообразные щупальца достигают 30-35 сантиметров в длину.

Яркая красавица — медуза Физалия

Еще одним очень опасным для человека обитателем тропических вод является Физалия – Морской кораблик. Ее зонтик раскрашен в яркие цвета: голубой, фиолетовый, пурпурный и плавает на поверхности воды, поэтому заметен издалека. Целые колонии привлекательных морских «цветов» привлекают доверчивых туристов, маня взять поскорее в руки. Вот тут-то и таится главная опасность: под водой скрываются длинные, до нескольких метров, щупальца, снабженные огромным количеством стрекательных клеток. Яд действует очень быстро, вызывая сильнейшие ожоги, паралич и нарушения в работе сердечно-сосудистой, дыхательной и центральной нервной систем. Если встреча произошла на большой глубине или просто далеко от берега, то исход ее может быть самым печальным.

Гигантская медуза Номура — Львиная грива

Настоящий гигант – Колокол Номура, которого также называют Львиной гривой за некоторое внешнее сходство с царем зверей. Диаметр купола может достигать двух метров, а вес такой «малышки» доходит до двухсот кило. Обитает на Дальнем Востоке, в прибрежных водах Японии, у берегов Кореи и Китая.

Огромный волосатый шар, попадая в рыболовные сети, повреждает их, нанося урон рыбакам и стрекая их самих при попытке освобождения. Пусть их яд не смертелен для человека, встречи с «Львиной гривой» редко проходят в дружеской обстановке.

Волосистая Цианея — самая большая медуза в океане

Одной из самых крупных медуз считают Цианею. Обитая в холодных водах, она достигает наибольших размеров. Самый гигантский образец был обнаружен и описан учеными в конце 19 века в Северной Америке: купол ее в диаметре составлял 230 сантиметров, а длина щупалец оказалась равной 36,5 метрам. Щупалец очень много, они собраны в восемь групп, в каждой из которых от 60 до 150 штук. Характерно, что и купол медузы разделен на восемь сегментов, представляя собой своеобразную восьмиугольную звезду. К счастью в Азовском и Черном море не обитает, так что можете их не опасаться, выезжая на море отдохнуть.

В зависимости от размера, меняется и окраска: крупные экземпляры окрашены в ярко-пурпурный или фиолетовый цвет, меньшие – в оранжевый, розовый или бежевый. Обитают Цианеи в поверхностных водах, редко спускаясь в глубины. Яд не опасен для человека, вызывая лишь неприятное жжение и волдыри на коже.

Употребление медуз в кулинарии

Количество медуз, обитающих в морях и океанах Земного шара поистине огромно, и ни одному из видов не грозит исчезновение. Их использование ограничивается возможностями добычи, но люди уже давно используют полезные свойства медуз в медицинских целях и наслаждаются их вкусовыми качествами в кулинарии. В Японии, Корее, Китае, Индонезии, Малайзии и других странах медуз издавна употребляют в пищу, называя их «хрустальным мясом». Польза его обусловлена большим содержанием белка, альбуминов, витаминов и аминокислот, микроэлементов. А при должном приготовлении и вкус у него очень изысканный.

Медузье «мясо» добавляют в салаты и десерты, в суши и роллы, супы и вторые блюда. В мире, где рост населения неуклонно грозит наступлением голода, особенно, в слаборазвитых странах, белок из медуз может стать хорошим подспорьем в решении данного вопроса.

Медузы в медицине

Применение медуз для изготовления лекарств характерно, в большей степени, в тех странах, где их употребление в пищу давно перестало быть предметом, вызывающим удивление. По большей части, это страны, расположенные в приморье, где медуз непосредственно добывают.

В медицине препараты, содержащие переработанные тела медуз, применяются для лечения бесплодия, ожирения, облысения и седины. Яд, добытый из стрекательных клеток, помогает справляться с заболеваниями ЛОР-органов и нормализовать кровяное давление.

Современные ученые бьются над поиском лекарственного средства, способного победить раковые опухоли, не исключая вероятность того, что в этой сложной борьбе так же помогут медузы.

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.

 Статьи

Биолюминесценция – это способность живых организмов светиться. Она основана на химических процессах, при которых высвобождающаяся энергия выделяется в форме света. Биолюминесценция служит для привлечения добычи, брачных партнеров, коммуникации, предупреждения, маскировки или отпугивания.

Ученые полагают, что биолюминесценция появилась на стадии перехода от анаэробных форм жизни к аэробным как защитная реакция древних бактерий по отношению к «яду» – кислороду, который выделяли зеленые растения в процессе фотосинтеза. Биолюминесценция встречается у бактерий, грибов и довольно большого спектра представителей животного класса – от простейших до хордовых. Но особенно распространена она среди ракообразных, насекомых и рыб.

«Создать» свет организмам помогают бактерии, либо же они справляются с этой задачей собственными силами. При этом свет может испускать как вся поверхность тела, так и специальные органы – железы по преимуществу кожного происхождения. Последние есть у многих морских животных, а из наземных – у насекомых, некоторых дождевых червей, многоножек и т.д.

Светляк обыкновенный

Пожалуй, самый известный из биолюминесцентов. Семейство светляков (Lampyridae ) насчитывает около 2000 видов. Наибольшим разнообразием этих жуков могут похвастаться тропики и субтропики, а вот на территории бывшего СССР насчитывалось всего семь родов и около 20 видов этих насекомых. Ну а свет нужен им вовсе не для того, «чтоб светло было нам самой темной ночью», а для общения между собой, будь то призывные сигналы самцов в поисках самок, мимикрия (под окружающее освещение, например, свет лампочки или Луны, освещающей траву), защита территории и проч.

Светляк обыкновенный / ©Flickr

Ночесветка

Noctiluca scintillans , или ночесветка, относится к виду так называемых динофлагеллят. Иногда их еще называют динофлагеллятовыми водорослями – в связи с их способностью к фотосинтезу. На самом же деле большинство из них представляют собой жгутиконосцев с развитым внутриклеточным панцирем. Именно динофлагелляты – виновники знаменитых «красных приливов», явлений столь же устрашающих, сколь и прекрасных. Но особенно великолепна, конечно, голубая «подсветка» из ночесветок, которую можно наблюдать по ночам в водах морей, океанов и озер. И красный цвет, и голубое свечение вызваны обилием в воде этих удивительных крошечных организмов.

Вода, «подсвеченная» ночесветками / ©Flickr

Морской черт

Свое название этот ни в чем не повинный вид удильщикообразных костистых рыб получил благодаря своей крайне непривлекательной внешности. Судите сами:

Глубоководный морской черт / ©Flickr

Морские черти обладают «неправильным прикусом», из-за чего рот их постоянно открыт, а из него торчат острые зубы-шипы. Тело рыб покрыто большим количеством кожных наростов, бугорков и бляшек. Неудивительно, что эти морские «квазимодо» предпочитают обитать на большой глубине – видимо, так они скрываются от недоброжелательных глаз. Ну а если серьезно, то рыбы эти весьма интересны. От других обитателей подводного мира их, помимо прочего, отличает передняя часть спинного плавника, который расположен прямо над пастью. Этот светящийся «фонарик» нужен морским чертям не для того, чтобы освещать себе путь, а для привлечения добычи.

Грибные комарики

Не менее удивительны и другие биолюминесценты – род грибных комариков из семейства грибных комаров. Раньше этот род назывался Bolitiphila , что означает «любитель грибов». Теперь он переименован в Arachnocampa – «личинка паука». Дело в том, что личинка этого комарика плетет самые настоящие сети. Только что вылупившиеся на свет божий, личинки имеют длину всего 3-5 мм, но в конечной стадии развития вырастают до 3 см. Именно в стадии личинки эти комары и проводят большую часть своей жизни, поэтому, чтобы питаться и привлекать добычу, они плетут на потолке пещер нечто вроде гнезда из шелка, свешивая вниз концы липких нитей, которые подсвечивают собственным телом. Распространены в пещерах и гротах Австралии и Новой Зеландии.

Личинки грибных комариков / ©Flickr

Неоновый гриб

К сожалению, это чудо природы – потрясающий по красоте люминесцентный гриб Chlorophos Mycena – в наших краях не встретишь. Чтобы увидеть его, следует отправиться в Японию или Бразилию. Да и там придется дождаться сезона дождей, когда из буквально «пылающих» спор появляются эти удивительные зеленые грибы .

Съедобно это чудо или нет – неизвестно. Впрочем, мало кто отважится подать к столу такую вот светящуюся тарелочку. Если же все-таки надумаете его искать, советуем смотреть у основания стволов деревьев, рядом с упавшими или срубленными ветками, кучами листвы или просто на сырой почве.

Неоновые грибы / ©Flickr

Гигантский кальмар

Это самый большой биолюминесцентный кальмар (Taningia danae ) и, наверное, самый красивый вид этих животных вообще. Науке известен экземпляр, длина которого составляла 2,3 м, а вес – около 161 кг! Впрочем, увидеть этого величественного красавца не так-то просто: он обитает на глубине порядка 1000 м и водится в тропических и субтропических водах. Несмотря на красоту, Taningia danae – агрессивный хищник. Перед тем как наброситься на жертву, кальмар излучает короткие световые вспышки при помощи специальных органов, расположенных на щупальцах. Для чего нужны эти вспышки? Ну уж явно не для того, чтобы «предупредить» жертву. Ученые полагают, что они нужны либо для ослепления глубоководных обитателей, либо для того, чтобы оценить расстояние до цели. А еще красочное шоу помогает животному соблазнить самку.

Гигантский биолюминисцентный кальмар / ©Flickr

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