Биолюминесце́нция (от греч. bios — жизнь и и лат. lumen — «свет») — способность живых организмов излучать свет, достигаемая самостоятельно или с помощью симбионтов. Является частным случаем хемилюминесценции — процесса, при котором энергия химической связи выделяется в виде фотонов света.
Свечение живых организмов (некоторых бактерий, грибов, беспозвоночных, рыб) обусловленно ферментативным окислением особых веществ (у значительного числа видов — люциферинов).
Океаны остаются самыми «биолюминесцентными» экосистемами: более 75% глубоководных обитателей способны излучать свет. Среди стрекающих (медузы, кораллы, актинии) этот показатель превышает 97% видов. Первые светящиеся организмы появились около 540 миллионов лет назад — ими были предки восьмилучевых кораллов.
В отличие от большинства источников света, создаваемых человеком (ламп накаливания, люминесцентных ламп), биолюминесценция относится к «холодному свечению», так как КПД реакции крайне высок, и более 95% энергии переходит в световое излучение, а не в тепло.
Первые письменные упоминания о светящихся живых объектах встречаются у античных авторов, таких как Аристотель (IV век до н. э.), который описывал «холодный огонь» гниющих деревьев и рыб. В I веке н. э. Плиний Старший в «Естественной истории» обратил внимание на свечение медуз.
Систематическое изучение явления началось в эпоху Великих географических открытий, когда мореплаватели часто наблюдали свечение морей. В 1668 году Роберт Бойль экспериментально доказал, что для свечения гниющего дерева и светляков необходим воздух (кислород).
Научная революция в изучении биолюминесценции произошла в конце XIX — начале XX века. Французский физиолог Рафаэль Дюбуа в 1887 году доказал, что свечение вызывается двумя веществами, которые он назвал люциферин и люцифераза, тем самым заложив основы современной биохимии свечения. В XX веке изучением явления занимались многие ученые, а открытие и синтез зеленого флуоресцентного белка (GFP) Осаму Симомура и его коллегами в 1962 году (Нобелевская премия по химии 2008 года) произвело революцию в биотехнологии.
В основе биолюминесценции лежит химическая реакция окисления органического соединения — люциферина — под действием фермента — люциферазы. Процесс протекает в присутствии молекулярного кислорода и часто требует участия дополнительных кофакторов (ионы кальция, магния, АТФ).
В общем виде реакция выглядит так:
Люцифераза — это общее название ферментов (обычно класса оксидоредуктаз), которые катализируют реакцию окисления люциферина, приводящую к высвечиванию фотона. Люцифераза — это фермент свечения. Именно он ускоряет химическую реакцию, в результате которой энергия переходит в свет. У разных организмов (светляков, бактерий, медуз) люциферазы имеют разное строение, хотя и выполняют одну функцию.
Ключевая особенность заключается в том, что у разных групп организмов люциферины и люциферазы имеют разное химическое строение и эволюционное происхождение. Это свидетельствует о том, что способность к свечению возникала в ходе эволюции независимо много раз (по разным оценкам, от 30 до 50 раз).
Наиболее изученные типы люциферинов:
- Жуков (светляков) — бензотиазоловые производные.
- Бактерий — восстановленный флавинмононуклеотид (ФМН·Н₂).
- Динофлагеллят — тетрапиррол (структурно близок к хлорофиллу).
- Книдарий (медуз, сифонофор) — целентеразин.
Свечение может различаться по цвету — от синего и зеленого (наиболее распространены в воде, так как эти волны лучше всего проходят через толщу воды) до желтого и красного (характерно для наземных видов, например, светляков).
Биолюминесценция широко распространена среди различных таксонов, особенно в морской среде.
Морские организмы:
- Бактерии (Photobacterium, Vibrio) — часто живут как симбионты в специальных органах рыб (светящиеся органы рыб-удильщиков) или на детрите.
- Простейшие — ночесветки (Noctiluca scintillans), вызывающие свечение прибрежных вод при механическом воздействии (волнении).
- Кишечнополостные — многие медузы (например, Aequorea victoria, у которой был открыт GFP), сифонофоры, морские перья.
- Ракообразные — некоторые веслоногие рачки, остракоды, эвфаузиевые (криль). Остракоды используют свечение для брачных сигналов.
- Головоногие моллюски — глубоководные кальмары и некоторые каракатицы (например, гавайский кальмар Euprymna scolopes использует свечение симбиотических бактерий для маскировки от хищников — контртеневое освещение).
- Рыбы — многие глубоководные виды (удильщики, топорики, гоностомовые, светящиеся анчоусы) обладают сложными фотофорами — органами свечения, снабженными линзами, диафрагмами и светофильтрами.
Наземные организмы:
- Насекомые — наиболее известны жуки семейства светляков (Lampyridae), а также щелкуны (Pyrophorus) и некоторые двукрылые (грибные комарики Arachnocampa, чьи личинки плетут светящиеся ловчие нити).
- Грибы — около 100 видов грибов (например, Armillaria mellea — опенок, Mycena chlorophos) обладают способностью к свечению («холодный свет» гнилушек), которое происходит постоянно и, предположительно, привлекает насекомых для распространения спор.
Функции биолюминесценции разнообразны и зависят от экологической ниши вида:
1. Привлечение полового партнера. Классический пример — брачные сигналы светляков, где каждый вид имеет свой уникальный код мигания.
2. Приманка для добычи. Удильщики используют видоизмененный луч спинного плавника (иллиций) со светящейся бактериальной культурой на конце для привлечения мелких рыб.
3. Защита от хищников:
- Отпугивание. Вспышка света может испугать хищника (кальмары выбрасывают светящееся облако, подобно чернильной завесе).
- Контртеневое освещение. Рыбы и кальмары светятся снизу, чтобы их силуэт сливался с фоном освещенной поверхности воды, делая их незаметными для хищников, плывущих снизу.
- Сигнал тревоги («эффект гранаты»). Некоторые креветки при опасности выбрасывают светящееся вещество, создавая яркую вспышку, которая должна дезориентировать хищника.
- Отвлечение внимания («сакральная атака»). Некоторые кальмары отбрасывают светящиеся кончики щупалец, которые остаются дергаться и светиться, пока хозяин уплывает.
4. Внутривидовая коммуникация. Стайные светящиеся рыбы могут использовать свет для координации движения в темноте.
Биолюминесценция нашла широкое применение в науке и технике:
- Биотехнология и генная инженерия: Гены люциферазы и GFP используются в качестве репортерных. Их встраивают в геном других организмов, чтобы визуализировать экспрессию генов, работу промоторов или распространение клеток (например, раковых опухолей).
- Мониторинг окружающей среды: Биолюминесцентные бактерии используются для создания биосенсоров. Их свечение меняется в присутствии токсических веществ, что позволяет быстро оценивать загрязнение воды и воздуха.
- Пищевая промышленность: Тест-системы на основе люциферин-люциферазной реакции используются для быстрого определения количества бактерий (по АТФ) в продуктах питания и на поверхностях (гигиенический контроль).
- Декоративное освещение и дизайн: Ведутся эксперименты по созданию светящихся растений и деревьев, которые могли бы заменять уличные фонари.
- Сравнительная физиология животных. Т. 3. М., 1978.
- Губина Д. Планета света: почему некоторые растения, животные и грибы светятся в темноте //Энергия+