Bioluminiscējošie organismi dzīves vēstures gaitā ir attīstījušies desmitiem reižu. Kāda bioķīmija ir nepieciešama, lai apgaismotu tumsu? Šim jautājumam ir veltīti dažādi pētījumi. Ienirt pietiekami dziļi okeāna dzīlēs, un jūs redzēsit nevis tumsu, bet gaismu. 90% zivju un jūras dzīves, kas plaukst 100 vai pat 1000 metru dziļumā, spēj radīt savu gaismu. Zibspuldzes zivju medības un saziņa notiek, izmantojot sava veida Morzes kodu, ko sūta gaismas kabatas zem acīm. Platytroctidae dzimtas zivis saviem uzbrucējiem izšauj kvēlojošu tinti. Lūkas zivis padara neredzamas, izstarojot vēderu gaismu, lai modelētu dilstošu saules gaismu; plēsēji skatās uz viņiem un redz tikai nepārtrauktu mirdzumu.
Zinātnieki visā dzīves kokā ir indeksējuši tūkstošiem bioluminiscējošu organismu un sagaida, ka tos pievienos vēl vairāk. Tomēr viņi jau sen ir domājuši, kā radās bioluminiscence. Tagad, kā liecina nesen publicētie pētījumi, zinātnieki ir guvuši ievērojamus panākumus izpratnē par bioluminiscences izcelsmi - gan evolucionāri, gan ķīmiski. Jaunas atziņas kādu dienu var ļaut izmantot bioluminiscenci bioloģiskos un medicīniskos pētījumos.
Viens no ilgstošajiem izaicinājumiem ir noteikt, cik reizes ir notikusi viena bioluminiscence. Cik sugas atnāca pie viņas neatkarīgi viens no otra?
Kaut arī daži no slavenākajiem dzīvo organismu gaismas paraugiem ir sauszemes - domājiet, piemēram, ugunsdzēsības, - lielākā daļa evolūcijas notikumu, kas saistīti ar bioluminescenci, notika okeānā. Bioluminiscences praktiski un acīmredzami nav visiem sauszemes mugurkaulniekiem un ziedošiem augiem.
Okeāna dzīlēs gaisma dod organismiem unikālu veidu, kā piesaistīt laupījumus, sazināties un aizstāvēt sevi, saka Metjū Deiviss, Minesotas Sentmālas štata universitātes biologs. Jūnijā publicētajā pētījumā viņš un viņa kolēģi atklāja, ka zivis, kuras saziņai izmanto gaismu un signalizē par laipnību, ir īpaši izplatītas. Apmēram 150 miljonu gadu laikā - neilgi pēc evolūcijas standartiem - šādas zivis ir izplatījušās daudz vairāk sugās nekā citas zivis. No otras puses, bioluminiscējošās sugas, kuras savu gaismu izmantoja vienīgi maskēšanai, nebija tik daudzveidīgas.
Laulības signālus var relatīvi viegli mainīt. Šīs izmaiņas, savukārt, var radīt apakšgrupas populācijā, kas galu galā sadalās unikālās sugās. Jūnijā Kalifornijas Santa Barbaras universitātes evolūcijas biologs Tods Oaklijs un viena no viņa studentēm Emīlija Ellisa publicēja pētījumu, kas parādīja, ka organismiem, kas izmanto bioluminiscenci kā pārošanās signālus, bija daudz vairāk sugu un lielāks sugu uzkrāšanās ātrums nekā viņu tuviem radiniekiem, kuri nelieto gaismu. Oaklijs un Eliss izpētīja desmit organismu grupas, ieskaitot tauriņus, astoņkājus, haizivis un sīkos posmkājus, ostracodus.
Deivisa un viņa kolēģu pētījumi aprobežojās ar zivīm, kurām ir spuras spuras un kuras sastāda apmēram 95% no zivju sugām. Deiviss aprēķināja, ka pat šajā vienā grupā bioluminiscence attīstījās vismaz 27 reizes. Stefans Haddoks, Monterejas līča akvārija pētniecības institūta jūras biologs un bioluminiscences eksperts, lēsa, ka starp visām dzīvības formām bioluminiscence neatkarīgi parādījās vismaz 50 reizes.
Reklāmas video:
Daudzi aizdegšanās veidi
Gandrīz visos gaismas organismos bioluminiscencei ir vajadzīgas trīs sastāvdaļas: skābeklis, gaismu izstarojošais pigmenta luciferīns (no latīņu vārda lucifer, kas nozīmē “gaismas nesējs”) un enzīms luciferāze. Kad luciferīns mijiedarbojas ar skābekli - caur luciferāzi -, tas veido uzbudinātu, nestabilu komponentu, kuru komplekts izstaro, atgriežas stāvoklī ar zemāku enerģijas līmeni.
Interesanti, ka luciferīnu ir daudz mazāk nekā luciferāzes. Lai arī sugām ir raksturīga unikāla luciferāze, ļoti daudzām tām ir tā pati luciferīna viela. Tikai četri luciferīni ir atbildīgi par lielākās daļas gaismas radīšanu okeānā. No gandrīz 20 pasaules bioluminiscējošo organismu grupām deviņi no tiem izstaro gaismu no luciferīna, ko sauc par kolenterazīnu.
Tomēr būtu kļūdaini uzskatīt, ka visi kolenterazīnu saturošie organismi cēlušies no viena gaišā senča. Ja tas tā būtu, kāpēc viņiem varētu attīstīties tik plašs luciferāzes spektrs, vaicā Minhenes Ludviga Maksimilija universitātes biologs Vorens Francis. Jādomā, ka pirmajam luciferīna-luciferāzes pārim vajadzētu būt izdzīvojušam un pavairotam.
Ir arī iespējams, ka daudzas no šīm sugām pašas neizraisa kolenterazīnu. Tā vietā viņi to iegūst no uztura, saka Yuichi Oba, Japānas Chubu universitātes bioloģijas profesors.
2009. gadā Oba vadītā grupa atklāja, ka dziļūdens vēžveidīgie (kapospodes) - niecīgs, plaši izplatīts vēžveidīgais - veido savu kolenterazīnu. Šie vēžveidīgie ir ārkārtīgi bagātīgs barības avots visdažādākajiem jūras dzīvniekiem - tik bagātīgi, ka Japānā tos sauc par “rīsiem okeānā”. Viņš domā, ka šie vēžveidīgie ir atslēga, lai saprastu, kāpēc tik daudz jūras organismu ir bioluminiscējoši.
Abi un viņa kolēģi ņēma aminoskābes, kas, domājams, ir kolenterazīna celtniecības bloki, marķēja tās ar molekulāro marķieri un ievietoja pārtikā kapakām. Tad viņi baroja šo ēdienu vēžveidīgajiem laboratorijā.
Pēc 24 stundām zinātnieki izņēma kolenterazīnu no vēžveidīgajiem un apskatīja pievienotos marķierus. Acīmredzot tie bija visur - kas bija galīgais pierādījums tam, ka vēžveidīgie sintezēja luciferīna molekulas no aminoskābēm.
Pat medūzas, kuras pirmo reizi atklāja kolenterazīnu (un tika nosauktas pēc nosaukuma), pats savu kolenterazīnu neražo. Viņi savu luciferīnu iegūst, ēdot vēžveidīgos un citus mazos vēžveidīgos.
Noslēpumainā izcelsme
Zinātnieki ir atraduši vēl vienu pavedienu, kas varētu palīdzēt izskaidrot kolenterazīna popularitāti dziļūdens dzīvnieku vidū: šī molekula ir atrodama arī organismos, kas neizstaro gaismu. Tas pārsteidza Beļģijas Lēvenas katoļu universitātes biologu Žanu Fransuā Riesu kā savādi. Tas ir pārsteidzoši, ka "tik daudz dzīvnieku paļaujas uz vienu un to pašu molekulu, lai iegūtu gaismu", viņš saka. Varbūt koelenterazīnam papildus luminiscencei ir arī citas funkcijas?
Eksperimentos ar žurku aknu šūnām Reese parādīja, ka kolenterazīns ir spēcīgs antioksidants. Viņa hipotēze: kolenterazīns vispirms varētu būt izplatījies starp jūras organismiem, kas dzīvo virszemes ūdeņos. Tur antioksidants varētu nodrošināt nepieciešamo aizsardzību pret kaitīgas saules gaismas oksidatīvo iedarbību.
Kad šie organismi sāka kolonizēt dziļākus okeāna ūdeņus, kur vajadzība pēc antioksidantiem ir mazāka, kolenterazīna spēja izstarot gaismu lieti noderēja, ieteica Rese. Laika gaitā organismi ir izstrādājuši dažādas stratēģijas - piemēram, luciferāzi un specializētus gaismas orgānus -, lai uzlabotu šo kvalitāti.
Tomēr zinātnieki nav izdomājuši, kā citi organismi, ne tikai Oba kapapodi, veido kolenterazīnu. Gēni, kas kodē kolenterazīnu, arī nav pilnībā zināmi.
Piemēram, ņem ķemmiņu. Šīs senās jūras radības - kuras daži uzskata par dzīvnieku koku pirmo zaru - jau ilgu laiku tiek turētas aizdomās par kolenterazīna ražošanu. Bet neviens to nav spējis apstiprināt, nemaz nerunājot par konkrētu ģenētisko norādījumu identificēšanu darbā.
Tomēr pagājušajā gadā tika ziņots, ka Fransisko un Haddoka vadītā pētnieku grupa paklupa uz gēnu, kas var būt iesaistīts luciferīna sintēzē. Lai to izdarītu, viņi pētīja ctenoforu stenogrammas, kas ir gēnu momentuzņēmumi, kurus dzīvnieks pauž noteiktā brīdī. Viņi meklēja gēnus, kas kodēti trīs aminoskābju grupai - tām pašām aminoskābēm, kuras Oba baroja ar saviem kapapodiem.
Starp 22 bioluminiscējošo ctenoforu sugām zinātnieki ir atraduši gēnu grupu, kas atbilst viņu kritērijiem. Šo pašu gēnu nebija vēl divās citās ne luminiscējošās ctenoforu sugās.
Jauna pasaule
Bioluminiscences ģenētiskajam mehānismam ir pielietojums ārpus evolūcijas bioloģijas. Ja zinātnieki var izolēt luciferīna un luciferāzes pāru gēnus, tie viena vai otra iemesla dēļ potenciāli varētu likt organismiem un šūnām mirdzēt.
1986. gadā Sandjego Kalifornijas universitātes zinātnieki modificēja un iekļāva Firefly luciferāzes gēnu tabakas augos. Pētījums tika publicēts žurnālā Science, kurā aprakstīts viens no šiem augiem, kas mirdzoši mirdz uz tumša fona.
Šis augs pats par sevi neražo gaismu - tas satur luciferāzi. Bet, lai šī tabaka spīdētu, tā jādzer ar šķīdumu, kas satur luciferīnu.
Trīsdesmit gadus vēlāk zinātnieki joprojām nav spējuši radīt pašgaisnojošus organismus, izmantojot gēnu inženieriju, jo viņi nezina vairuma luciferīnu biosintētiskos ceļus. (Vienīgais izņēmums tika konstatēts baktērijās: zinātnieki varēja identificēt kvēlojošos gēnus, kas kodē baktēriju luciferīna-luciferāzes sistēmu, taču šie gēni ir jāmaina, lai tie būtu noderīgi jebkuram organismam, kas nav baktērija.)
Viens no lielākajiem iespējamiem luciferīna un luciferāzes lietojumiem šūnu bioloģijā ir to iekļaušana šūnās un audos kā sīpoli. Šāda veida tehnoloģija būtu noderīga, lai izsekotu šūnu atrašanās vietai, gēnu ekspresijai, olbaltumvielu ražošanai, saka Dženifera Preshere, Kalifornijas Universitātes ķīmijas profesore Irvine.
Bioluminiscences molekulu izmantošana būs tikpat noderīga kā fluorescējoša proteīna lietošana, kuru jau izmanto, lai uzraudzītu HIV infekcijas attīstību, lai vizualizētu audzējus un izsekotu nervu bojājumus Alcheimera slimības gadījumā.
Pašlaik zinātniekiem, kas attēlveidošanas eksperimentos izmanto luciferīnu, ir jāizveido tā sintētiskā versija vai jāpērk tā cena par USD 50 par miligramu. Luciferīna ievadīšana šūnā no ārpuses ir arī sarežģīta - tā nebūtu problēma, ja šūna varētu izgatavot pati savu luciferīnu.
Pētījumi turpinās un pakāpeniski tiek definēti evolūcijas un ķīmiskie procesi par to, kā organismi ražo gaismu. Bet lielākā daļa bioluminiscējošās pasaules joprojām atrodas tumsā.
Iļja Khel