Эволюция и свечение организмов

С другой стороны, в умеренных количествах АФК продуцируются в любом живом аэробном организме благодаря специальным ферментам, не связанным с процессом

Эволюция и свечение организмов

Статья

Биология

Другие статьи по предмету

Биология

Сдать работу со 100% гаранией

Эволюция и свечение организмов

Ю.А. ЛАБАС, к.б.н., вед. научн. сотр., А.В. ГОРДЕЕВА, аспирант, Ин-т биохимии им. А.Н. Баха РАН

На протяжении полутора веков, прошедших после первого издания «Происхождения видов» Ч.Дарвина (1859), триада факторов эволюции «наследственность изменчивость естественный отбор» постоянно подвергалась нападкам. Открытие законов Г.Менделя, достижения популяционной и молекулярной генетики внесли, конечно, серьезные коррективы в первоначальные представления о процессе эволюции, но стержневая идея отбора уцелела.

Одна из не решенных теорией эволюции проблем появление в филогенезе новых признаков. Считается, что они возникают при замене одних биологических функций другими, например парные плавники рыб заменились конечностями четвероногих наземных позвоночных, а затем передняя пара конечностей крыльями, которые появились у птерозавров, птиц и рукокрылых млекопитающих.

В то же время известно, что новые функции часто представляют собой результат закрепления и дальнейшего усовершенствования отбором случайных макромутаций скачкообразных изменений генетической информации, приводящих к обретению организмом новых наследственных признаков, которые дают их обладателям те или иные преимущества в сравнении с исходным генотипом. В результате такие «удачные находки» закрепляются естественным отбором.

Ясно, что у организма уже должны существовать необходимые предпосылки, чтобы за счет одной макромутации или их небольшого числа возникла новая функция. Чем ближе к истокам жизни в эволюции появлялись новые биологические функции, тем труднее объяснить, как это происходило. Так, до сих пор неизвестно, когда и как в клетках «обосновались» рибосомы. Столь же загадочно происхождение клеточных мембран, самой генетической информации и т.д. и т.п.

В «Происхождении видов» Дарвина есть специальная глава «Частные трудности теории естественного отбора». В ней рассматриваются в основном два примера возникновение органов свечения у разных организмов и электрических органов у рыб. Дарвин не смог объяснить появление этих органов, исходя из своей теории, но ему было ясно: их функции связаны с поведением животных. Мишенью отбора могли быть лишь такие признаки неопределенной изменчивости, при наличии которых у отдельных особей несветящихся организмов вдруг возникало свечение, хорошо заметное в темноте, или когда у неэлектрических рыб внезапно рождались индивиды, генерирующие вполне ощутимые электрические разряды.

Как ни странно, со времен Дарвина происхождению биолюминесцентных и электрических органов было посвящено сравнительно мало работ. За полтора столетия не сформировалось общепризнанного мнения о том, как могли возникнуть эти феномены. Мы предлагаем читателю свою точку зрения, но только в отношении биолюминесценции.

Светятся многие и по-разному

Биолюминесценцией называют свечение живых организмов, хорошо видимое в темноте.

Сейчас известны многие сотни биолюминесцентных видов, даже родов насчитывается более 700. Светиться способны бактерии, одноклеточные эукариотические организмы (жгутиконосные водоросли динофлагелляты, радиолярии), грибы и подвижные многоклеточные животные разных типов от полипов, медуз и гребневиков до кальмаров, ракообразных и рыб. Большинство светящихся существ морские, среди них много глубоководных. Из наземных организмов светятся отдельные виды грибов, земляных червей, улиток, многоножек, комаров и жуков. Пресноводных биолюминесцентных видов пока обнаружено чрезвычайно мало: новозеландский брюхоногий легочный моллюск Latia neritoides и несколько видов паразитических бактерий.

У многоклеточных животных обычно излучает свет не все тело, а только специальные клетки фотоциты, часто сгруппированные в особые органы свечения фотофоры. У некоторых рыб и кальмаров они очень сложно устроены (отражатель, линза и т.д.). Иногда фотофоры светятся непрерывно благодаря обитающим в них симбиотическим фотобактериям. Но обычно свечение импульсное, контролируемое нервной системой. Оно бывает внутриклеточным или секреторного типа. В последнем случае светящееся вещество (вернее, смесь продуктов синхронной секреции двух разных желез) извергается из организма в виде покрывающей его слизи или расплывается вокруг него в воде, как большое световое облако.

Субстраты и ферменты

В 1885 г. французский ученый и врач Р.Дюбуа доказал, что светящееся вещество биолюминесцентного организма состоит из двух компонентов и только один из них устойчив к нагреванию до 60100 °С. Позже выяснилось, что термостойкое низкомолекулярное вещество, названное люциферином, представляет собой субстрат биолюминесцентной реакции, которую катализирует разрушающийся от нагревания фермент люцифераза.

Названия эти условные, у разных организмов такие субстраты и ферменты совершенно несхожи. В дальнейшем оказалось, что у некоторых организмов за свечение ответственны фотопротеины стойкие комплексы люциферина и особого белка, который обычно «по совместительству» выполняет функции фермента люциферазы. У грибов люциферазы вообще нет, люциферин светится без нее, реагируя с одной из активных форм кислорода супероксидом (рис. 1).

Рис 1.

Удивительно, что далеко не все светящиеся животные сами синтезируют свои люциферины. Особого внимания заслуживает в этой связи целентеразин (от Coelenterata кишечнополостные), производное имидазолпиразина. Он выполняет функцию люциферина не только у кишечнополостных, но также у радиолярий, гребневиков, щетинкочелюстных червей, некоторых рыб и кальмаров, креветок и, наконец, веслоногих и ракушковых планктонных рачков. Возможно, многие из перечисленных животных не способны сами синтезировать целентеразин, а получают его, питаясь этими рачками. Такое предположение высказал в 2001 г. американский ученый С.Хэддок, когда обнаружил, что медуза экворея утрачивает способность к биолюминесценции, если в ее рацион не входят светящиеся веслоногие рачки.

Уже ранее было известно, что так же обстоит дело с рыбами Porychthis и эвфаузиевыми раками Meganyctiphanes. Первые получают люциферин от ракушковых рачков рода Vargula (у них это варгулин гетероциклическое соединение, несколько отличающееся от целентеразина), вторые от динофлагеллят, у которых роль люциферина выполняет линейный тетрапирол, продукт разложения хлорофилла.

По мнению Л.Тиси и Дж.Мюррея, высказанному ими совсем недавно на Международном симпозиуме по био- и хемилюминесценции, светляки тоже люциферин не синтезируют, а заимствуют у бактерий.

Между тем совсем недавно в Каспийском море, где никогда не было никаких светящихся организмов, в том числе и планктонных рачков, вдруг появился новосел гребневик Mnemiopsis leidui, уроженец Атлантики. Оказалось, что мнемиопсис и в Каспии продолжает светиться «назло Хэддоку» и, стало быть, сам синтезирует целентеразин, а не заимствует его у рачков. Или, может быть, небиолюминесцентные каспийские рачки, которыми он питается, целентеразин все-таки синтезируют, но используют по какому-то иному назначению, например, в качестве антиоксиданта?

Вполне очевидно, что не могут питаться рачками и одноклеточные морские организмы радиолярии. Тем не менее и у них есть целентеразин. Как объяснить такие факты в свете данных Хэддока? Поступлением этого вещества с небиолюминесцентной пищей? Независимой эволюцией? «Кражей» генов, ответственных за синтез целентеразина? Пока эти вопросы остаются без ответа.

Приспособительный смысл свечения

Биолюминесцентный свет «холодный». Он не порождается высокой температурой источника, в отличие, например, от света обычной лампы накаливания. Тем не менее вряд ли какой-нибудь организм может позволить себе роскошь светиться без надобности. Энергетически это слишком дорогое удовольствие. Немногие из светящихся организмов (колонии бактерий, высшие грибы, многоножки, некоторые насекомые и др.) испускают свет непрерывно (статически), чем в темноте привлекают зрячих животных. Такой свет, как полагают, способствует попаданию светящихся паразитических бактерий в организм нового хозяина и распространению грибными комариками спор светящихся грибов. Мелких насекомых привлекает статическое свечение насекомоядных личинок новозеландских комаров Arachnocampa они собственным телом подсвечивают свою ловчую сеть.

Между тем огромное большинство биолюминесцентных существ, включая медузу экворею, генерирует более или менее короткие (0, 11 с) световые вспышки в ответ на внешние механические и другие раздражения. Чаще всего такой свет дезориентирует зрячих хищников или отпугивает быстро движущихся крупных животных, способных повредить желеобразный светящийся организм (медузу, древовидную колонию полипов, гребневика) при случайном столкновении с ним. Поэтому защитная импульсная биолюминесценция обычно возникает синхронно с двигательной реакцией испуга. У гребневиков Bolinopsis, колониальных оболочников Pyrosoma, эвфаузиевых раков Meganyctiphanes такая реакция механически потревоженной особи вызывает подражательное свечение других особей, находящихся поблизости.

В прочих случаях статическое или импульсное свечение организмы используют для внутривидовой коммуникации, в том числе как сигнал, привлекающий особей другого пола. Самки американского светляка Photuris versicolor вначале подманивают специфичной «световой морзянкой» самцов своего вида и спариваются с ними, а затем начинают генерировать «морзянку» для самцов чужого вида, чтобы закусить ими.

У глубоководных рыб удильщиков имеется надо ртом подвижный отросток «удилище», на кончике которого находится световая приманка для жертвы. Рыбы Malacosteus niger освещают ближнее пространство красным светом, более никому из глубоководных животных не видимым, и тем спасаются от врагов. Рыбы Leognathus equulus ис

Похожие работы

1 2 3 > >>