Светящиеся растения в природе

5 биолюминесцентных живых организмов, которые освещают мир

Тот, кто когда-либо ловил светлячков и садил их в стеклянную банку, наверняка до сих пор помнит очаровательное свечение этих живых организмов. Светлячки наиболее известные

Природа освещает себя сама

Тот, кто когда-либо ловил светлячков и садил их в стеклянную банку, наверняка до сих пор помнит очаровательное свечение этих живых организмов. Светлячки наиболее известные биолюминесцентные существа, но, оказывается, это явление удивительно распространено в природе. Не удивительно, что дизайнеры все чаще задумываются о создании бесплатного источника энергии для освещения.

Природа освещает себя сама

В последние годы, ряд ученых добился успеха с внесением генетического материала, отвечающего за биолюминесценцию, в растения, которые обычно не светятся в темноте. Цель состоит в том, чтобы в конечном итоге вывести светящиеся деревья, которыми можно будет заменить уличные фонари, а также комнатные растения, которые заменят бытовые лампы. Это позволит сэкономить огромное количество электрической энергии. Рассмотрим некоторые виды этих увлекательных существ, которые послужили вдохновением для ученых.

Светляки в природной обстановке

В семействе жуков Lampyridae есть около 2000 видов, большинство из которых производят свечение в своем животе. Чаще всего светлячки используют биолюминесценцию в процессе ухаживания за партнером, хотя некоторые экземпляры также используют этот эффект для привлечения добычи. Биология биолюминесцентного свечения светлячков изучалась в течение многих столетий, и ученые теперь имеют детальное понимание этого эффекта – биолюминесценция является результатом химического взаимодействия между люциферином (светящимся веществом), и люциферазой (ферментом, который является катализатором для люциферина.

Диковинный свет червей в пещерах

Arachnocampa является одним из видов, который живет в пещерах и гротах Австралии и Новой Зеландии. Это своеобразное существо вырабатывает шелковые нити подобно паукам, которые затем прикрепляют к потолкам в пещерах. Нити покрыты ядовитой слизью и предназначены для ловли добычи.

У ряда бактерий вида Vibrio есть биолюминесцентные способности, которые могут принимать различные формы. Зачастую на тропических курортах люди видят это свечение, когда волны ночью разбиваются о берег. В этом случае свечение срабатывает при движении волн. Также можно наблюдать свечение при плескании воды в темноте. Иногда эффект возникает в открытом океане, когда светятся сотни миль океанской поверхности. Люди назвали этот эффект “молочное море”.

Морской охотник ловит рыбу на удочку

Одной из самых интригующих и необычных рыб, которая использует биолюминесценцию, является морской черт. Эти причудливые существа имеют органы, называемые Illicium, которые торчат из их голов, и функционируют как удочки. Кончики этих органов заселены биолюминесцентными бактериями, которые служат в качестве приманки. Свечение привлекает других рыб в темной воде и рыба по сути сама заплывает в огромные, клыкастые челюсти морского черта.

Свет грибов в лесу

В некоторых темных лесах по всему миру земля светится, когда человек просто идет по тропе. Это является результатом деятельности грибов, которые живут в гниющей древесине на лесной почве. В отличие от большинства других биолюминесцентных организмов, принцип свечения в грибах менее понятен. Некоторые предполагают, что это используется для привлечения насекомых, которые питаются грибами и тем самым помогают распространять споры. Другие считают, что это служит для отпугивания хищников, поскольку свечение считается признаком токсичности многими существами.

Понравилась статья? Напишите свое мнение в комментариях.
Подпишитесь на наш ФБ:

Биолюминесценция: можно ли использовать светящиеся растения

Прежде всего это красиво. Есть тут нечто, задевающее самые глубокие струны души — недаром светящиеся деревья «Аватара» оставляют такое сильное и долгое впечатление. Наконец, это удобно: растения самостоятельно производят энергию, прекрасно адаптированы к уличным условиям и сами восстанавливаются при повреждениях. Недаром стартап Glowing Plant, который несколько лет назад искал 65 тыс. долларов на создание биолюминесцентных растений, стремительно набрал почти полмиллиона. «Такое сочетание простоты, фантастичности и реализуемости встречается редко, — объяснил успех основатель Glowing Plant Энтони Эванс. — 99% людей считают, что такого не бывает. На самом деле это уже в определенной степени факт».

Действительно, в природе существует множество различных биолюминесцентных систем, которые независимо развились у бактерий и грибов, кишечнополостных и членистоногих. Нужно заставить работать такую систему (обычно она включает фермент люциферазу и необходимые для ее работы молекулы люциферина) в растении и при этом не вредить ему. Задача понемногу решается: ген люциферазы светлячков был внесен в растения табака еще в 1980-х. А в 2010 году биологам из Кембриджа удалось использовать весь «светоносный комплекс» светлячка, получив стабильно светящиеся ГМ-бактерии. Повторить работу для растений — для невзрачной на вид, но прекрасно изученной генетиками резуховидки Таля — и собирался Энтони Эванс.

Путь генов

Уверенности стартапу придавала и другая работа 2010 года. В ней Александр Кричевский описал получение ГМ-растений табака, хлоропласты которых содержат шесть генов «светящегося» lux-оперона фотобактерий. Кричевский основал собственную компанию, которая торгует побегами биолюминесцентной линии с названием, отсылающим к деревьям из того же «Аватара» — Starlight Avatar Celestine. Это единственное светящееся растение, которое можно купить сегодня, хотя оно не отличается ни яркостью, ни даже жизнестойкостью. Обещается, что растения проживут 2−3 месяца и «будут различимо светиться в темноте в течение всего этого срока». Энтони Эванс решил, что у него получится решить эти проблемы.

Специалистам его обещания показались чересчур самонадеянными, однако публике идея понравилась. Начав кампанию по сбору средств на платформе Kickstarter, Эванс пообещал всем вложившимся семена светящейся резуховидки, как только те будут получены. Удачный ход позволил привлечь больше 480 тыс. долларов: денег оказалось достаточно, и стартап проработал несколько лет, прежде чем Эванс признал, что технические проблемы его команда решить не в состоянии. Перенесение целой группы генов в нужные участки хромосом в ядре такого сложного организма остается пока невыполнимой задачей.

Путь наночастиц

Другой подход удалось нащупать в том же 2010 году — когда-нибудь эта дата будет особо отмечена в истории создания светящихся растений. Тогда Су Яньсюнь и его коллеги из исследовательского центра RCAS на Тайване искали подходы к усовершенствованию светодиодов и изучали поведение золотых наночастиц в форме сфер с длинными иглами — что-то вроде морских ежей диаметром от 11 до 80 нм. Возникающий на их сложной поверхности плазмонный резонанс позволяет на порядки усилить флуоресцентный сигнал, в том числе и слабое естественное свечение хлорофилла, вызванное взаимодействием с фотонами определенной длины волны.

Доставить наночастицы в растение проще, чем гены: тайваньские физики просто поместили водоросль в раствор на несколько дней. Оказавшись в клетке, золотые «ежи» улавливали ультрафиолетовые фотоны и переизлучали их, заставляя хлорофилл испускать слабое красное свечение. Идею подхватили по другую сторону океана, в лаборатории Майкла Страно, найдя новый и, возможно, самый многообещающий путь к получению биолюминесцентных растений.

Путь синтеза

Профессор Массачусетского технологического института Майкл Страно уверен в успехе не меньше предшественников. «Наша цель — разовая обработка саженца или взрослого растения, которая будет иметь эффект в течение всей его жизни», — сказал он, комментируя разошедшиеся по интернету снимки светящихся листьев жерухи, родственника кресс-салата. Ведь если путь генов требует новых ГМ-растений, то наночастицы способны проникнуть в уже растущие по бульварам деревья. И если у нас не получается перенести сами гены, то можно вооружиться уже готовым биолюминесцентным комплексом молекул.

Демонстрируя новый подход, Страно и его коллеги вымачивали растения в растворе наночастиц, содержащих люциферазу и необходимые ей вещества — люциферин и кофермент А. По мере высвобождения реагентов в листьях шло окисление: варьируя структуру наночастиц, ученые контролировали темп этого процесса и добились четырех часов непрерывного излучения. Конечно, о деревьях-фонарях речи пока не идет: 10-сантиметровое растение производит менее 0,5 мкВт — на порядки меньше, чем нужно для чтения. Однако ученые полны уверенности, что новый путь приведет их к растениям, ярко светящимся всеми цветами.

В самом деле, в природе существует много биолюминесцентных систем, а не так давно биохимики ИБХ РАН синтезировали и пару искусственных аналогов, реакции которых сопровождаются испусканием излучения разных цветов. И если задача перенесения биолюминесцентного комплекса будет решена, то мы сможем получать живые светильники практически любого нужного оттенка. Сияющий огнями ночной лес затмит картины «Аватара», хотя и настольная лампа из светящихся листьев обязательно заденет самые глубокие струны души.

Максим Дубинный, научный сотрудник лаборатории биомолекулярной ЯМР-спектроскопии ИБХ РАН

«Создание автономно биолюминесцентного растения или животного — задача намного более сложная, чем разработка ГМ-организмов, по поводу которых сейчас идет увлеченная дискуссия. В нашей команде под руководством Ильи Ямпольского эта тема была возвращена несколько лет назад практически из забытья. Зато теперь у нас почти готовы новые яркие результаты, о которых не стоит говорить подробнее до выхода научных публикаций. Могу сказать только одно: они уже светятся».

Светящиеся растения: экономия на освещении улиц и стильный ландшафтный дизайн

Собака Баскервилей, своим светящимся в темноте оскалом доведшая до смерти сэра Чарльза Баскервиля и чуть было не уморившая Генри Баскервиля в романе Артура Конан Дойла, была обыкновенной собакой. Светилась она только благодаря злому умыслу и фосфору на морде. Однако живые организмы, самостоятельно светящиеся в темноте, действительно существуют.

Учёные пытаются создать светящиеся растения

Бактерии, медузы, моллюски, планктон, светлячки, скорпионы, грибы (в том числе и привычные опята). Сегодня учёным известно более восьми сот светящихся живых организмов. Большинство из них обитает в морях и океанах. Но вот представителей царства Флоры, обладающих способностью к биолюминесценции, учёные пока не обнаружили. Однако человек не привык ждать милостей от Природы: если она по какой-то причине «не додумалась» сделать светящиеся растения, «венец творения» готов сам взяться за это дело.

«Bioglow» – компания, создавшая концепт светящегося растения

В природе нет светящихся растений, потому что растения не нуждаются в биолюминесценции. В микромире свечение – это побочное явление при пищеварении: нейтрализация активного кислорода ферментами бактерий при расщеплении глюкозы. Светлячки и маленькие кальмары-ватазении используют свет для привлечения партнёров, медузы – в качестве шоковой защиты от тех, кто пытается их съесть.

Светящийся от планктона океан

Также есть охотники, привлекающие своих жертв свечением собственного тела. А некоторые виды глубоководных кораллов, по мнению учёных, способны слабый коротковолновый свет, проникающий в глубину, трансформировать в более яркие вспышки. Это явление используется как фитоподсветка для возможности фотосинтеза симбиотических колоний водорослей, живущих в коралловых зарослях.

Растениям светиться ни к чему. Поэтому потребовалось вмешательство генной инженерии, десятилетия работы и солидные капиталовложения. Хлоропласты растений – полуавтономные пластиды, существующие в симбиозе с растениями. Согласно гипотезе, когда-то они были самостоятельными, как и родственные хлоропластам цианобактерии, способные к свечению. Александр Кричевский (Сент-Луис, США) – специалист в двух областях: изучении явления биолюминесценции морских бактерий и микробиологии растений. У учёного возникла мысль об объединении двух хорошо знакомых ему дисциплин, что он и сделал, создав биотехнологическую компанию «Bioglow, Inc».

Starlight Avatar: воплощение звездного света

Компанией Александра Кричевского был создан концепт светящегося растения – «Starlight Avatar®».

Starlight Avatar — светящееся растение табака. Фото с сайта bioglowtech.com

Свечение Starlight Avatar (растения табака) основано на внедрении в геном растения части гена светлячка – молекулы люциферазы. Чтобы Starlight Avatar светился, необходим катализатор – реакция свечения происходит при окислении люциферазы под действием кислорода в присутствии фермента люциферина. Люциферин содержался в питательной среде, в которой выращивалось растение.

Свечение нового поколения генно-модифицированных растений (слева) в сравнении с Starlight Avatar (справа). Фото с сайта bioglowtech.com

В 2014 году на аукционе компанией Bioglow было продано двадцать экземпляров светящихся Starlight Avatar, растущих в специальных контейнерах. Пока этот свет очень слабый, но лаборатория Александра Кричевского работает над увеличением яркости.

Пока – из области фантастики

В планах Bioglow – создание растений, которые не только смогут украсить ландшафт ночью, но и помогут сэкономить на уличном освещении. Но пока светящиеся растения – это из области фантастики. Starlight Avatar испускает свет, только если его поливать соответствующим раствором.

Российские учёные, работающие над исследованием биолюминесценции и созданием самостоятельно светящихся растений в лаборатории биомолекулярной спектроскопии Института биоорганической химии Российской Академии наук под руководством Ильи Ямпольского, считают, что пока ещё рано планировать клумбы на своих участках с учётом светящихся в темноте роз или пионов и выкорчёвывать живую изгородь, чтобы поменять её на светящуюся.

Они называют биолюминесценцию растений одним из самых амбициозных проектов: «Идеальный вариант, который пока не удался никому, включает в себя расшифровку всего пути биосинтеза люциферина, который может быть многоэтапным процессом с участием большого числа белков. Потом – встраивание в геном другого организма генов, кодирующих все эти белки и люциферазу. На данный момент расшифрован биосинтез только бактериального люциферина, однако эта система тяжело адаптируется к растениям и животным. И реализация такого подхода представляется маловероятной».

Дорожка со светящимся гравием. Фото с сайта passages-ivm.com

Семян светящихся цветов пока ещё купить нельзя (если вы, конечно, не заплатили 40 $ за гипотетическую возможность получить семена генно-модифицированной резуховидки Таля в краудфандинговом проекте GLOWING PLANTS). Но не расстраивайтесь: зато можно приобрести искусственные светящиеся камни – для декора дорожек на своём участке, создания альпийских горок, видимых и в темноте, и даже для отделки фасада дома. Ну, или на крайний случай – хотя бы для декорирования аквариума.

Биолюминесценция в каждый дом. Почему так сложно сделать светящиеся растения

Светящееся растение? Нет, не видели

— Я когда-нибудь получу свое растение? Уже годы прошли. Мне просто любопытно.

— Как мне получить свои 40 долларов обратно?

— Я уже махнул рукой на это дело и считаю, что просто потерял деньги.

Такие комментарии в избытке можно найти на странице проекта Glowing plant в Facebook. В 2013 году группа ученых начала кампанию по сбору денег на создание светящихся растений. Идея авторов проекта звучит довольно просто по нынешним временам: взять гены, которые позволяют бактериям светиться, собрать из них единый фрагмент, вставить нужную последовательность в геном резуховидки и получить светящееся растение. Поначалу все шло отлично — проект собрал почти полмиллиона долларов. Но никаких светящихся растений его подписчики так и не увидели, а авторы переключились на создание мха, пахнущего пачулями.

Растения, рыбы и бактерии

Ученые за последние годы создавали кошек, кроликов и даже овец, которые могут светиться благодаря встроенным в их ДНК генам флуоресцентных белков. Есть даже декоративные рыбки GloFish, которые продаются для домашних аквариумов.

«GloFish — это рыбы, которые светятся благодаря флуоресцентным белкам. В природе такие белки встречаются у многих медуз, некоторых рачков и даже наших с вами далеких родственников, самых примитивных хордовых — ланцетников. Эти белки искусственно внедрены с помощью методов генной инженерии во многие другие организмы: в столь успешно продающихся GloFish, в мышей, а также во многие растения», — рассказал Ямпольский.

Флуоресцентные рыбки GloFish

Флуоресцентные белки также получили широкое распространение в молекулярной биологии, поскольку их можно использовать в качестве метки, которая будет вырабатываться вместе с определенным белком и позволит посмотреть, когда этот белок начинает образовываться в организме и где именно.

«Почему же при этом рыбы продаются, а растений в продаже мы не видим? Ответ кроется в природе флуоресценции: флуоресцентные белки светятся только в ответ на облучение их светом. Как во многих процессах, часть энергии теряется, и на выходе получается свет с другой длиной волны, то есть другого цвета. GloFish светятся не всегда, а только если на них светить ультрафиолетом, вот тогда они и становятся похожи на модниц на дискотеке», — объяснил ученый.

Флуоресцентные мышата

Сложнее, чем кажется

Идея проекта Glowing Plant в том, что растение должно светиться само по себе, а для этого нужен другой механизм — биолюминесценция.

Биолюминесценция — это свечение живых организмов, и встречается она среди тысяч очень различающихся видов, в основном морских. «Для того чтобы применять биолюминесценцию, необходимо знать, как она работает, но для многих организмов на этот вопрос до сих пор нет ответа. В основе природы свечения всегда лежит химическая реакция, а вот химическое строение ее участников — индивидуальная особенность каждого организма. Этим мы и занимаемся. Наша основная задача — узнать, как устроены светящиеся молекулы люциферин и люцифераза и как происходит сама химическая реакция», — рассказал Ямпольский.

Заставить растение или другой организм светиться благодаря механизму биолюминесценции — куда более сложная задача, чем просто встроить в ДНК ген флуоресцентного белка. В относительно простом варианте, который был реализован уже в 1986 году, в ДНК табака встроили ген люциферазы светлячка и поливали растение раствором с люциферином. Получившийся в результате табак действительно светился, что можно увидеть на его фотографии, сделанной с выдержкой в 24 часа.

«Идеальный вариант, который пока не удался никому, включает в себя расшифровку всего пути биосинтеза люциферина, который может быть многоэтапным процессом с участием большого числа белков. Потом — встраивание в геном другого организма генов, кодирующих все эти белки и люциферазу. На данный момент расшифрован биосинтез только бактериального люциферина, однако эта система тяжело адаптируется к растениям и животным. И реализация такого подхода мне представляется маловероятной», — отметил исследователь.

«Лампа» из генетически модифицированных светящихся бактерий кишечных палочек

«По разным оценкам, существует около 40 различных люциферинов и механизмов биолюминесценции. До недавнего времени было известно лишь семь структур люциферинов. Однако благодаря работе нашего научного коллектива за последние три года были установлены еще три новые структуры — люциферина сибирского почвенного червя вида Fridericia heliota, а также люциферина и люциферазы высших грибов. Мы не только знаем, как устроены эти молекулы, — мы умеем их синтезировать, понимаем, как именно происходят химические реакции свечения, умеем запускать их в пробирке и даже управлять цветом, правда, пока ограниченно. На подходе — структура люциферина многощетинкового червя, в более ранней стадии исследования — еще несколько объектов: моллюски, полихеты, акулы и другие», — рассказал исследователь.

Возможности применения биолюминесценции многообразны. В промышленности — для быстрого определения бактериального загрязнения, в науке — для изучения различных процессов, например при создании лекарственных препаратов. На сегодняшний день оборот биолюминесцентных технологий оценивается в миллиарды долларов в год.

«Задача создания биолюминесцирующего растения — одна из самых амбициозных и интересных с научной точки зрения. Однако мы еще не вышли на завершающий этап и хвастаться пока не будем. Тем не менее мы трудимся в этом направлении и, возможно, однажды сможем подарить миру самостоятельно светящееся растение», — сказал ученый.

Материал помогали готовить коллеги Ильи Ямпольского — Надежда Маркина и Зинаида Осипова.

Екатерина Боровикова