Журнал «Вокруг Света» №6 за 2004 год (2765)

Феномен: Подводная феерия

Морякам и жителям прибрежных районов теплых морей хорошо известно явление свечения ночного моря. Обычно оно слабое, едва уловимое взглядом, поэтому голубые искры, вспыхивающие в волнах, кажутся обманом зрения. Но иногда в водах морей разыгрывается настоящее огненное представление, и море от горизонта до горизонта зажигается идущим из глубины призрачным сине-зеленым пламенем – то затухающим, то разгорающимся с новой силой. Гребни волн переливаются фосфорисцирующим блеском, напоминающим жидкий голубой огонь. И зрелище это завораживающе разнообразно, таинственно и непредсказуемо…

Свечение моря на протяжении веков оставалось одной из величайших загадок океана. Ученые пытались объяснить этот феномен и свечением содержащегося в воде фосфора, и электрическими разрядами, возникающими при трении молекул воды и соли, и тем, что ночной океан отдает поглощенную днем энергию Солнца. Ответ на загадку был найден в 1753 году, когда естествоиспытатель Беккер разглядел под увеличительным стеклом крохотные, величиной около 2 мм в диаметре, одноклеточные организмы, снующие в капле морской воды при помощи биения жгутика и отвечающие вспышками света на любое механическое или химическое раздражение. Светящиеся одноклеточные жгутиконосцы были названы ночесветками, но еще долгое время мало кто из ученых верил, что деятельность этих ничтожных созданий действительно способна вызвать явление столь грандиозного масштаба. Сейчас уже не подлежит сомнению тот факт, что свечение моря вызвано биологическими причинами, главной из которых является массовое размножение некоторых видов одноклеточных жгутиковых, составляющих значительную часть планктона Мирового океана.

Как выяснилось впоследствии, компоненты люциферин-люциферазового комплекса имеют чрезвычайно сложное химическое строение – свое у каждого вида светящихся организмов, – но в целом такая схема биолюминесценции широко распространена в живой природе, хотя и не является единственно возможной. Так, свечение глубоководных медуз происходит только за счет одного компонента – белка экварина, взаимодействующего с ионами кальция, и не требует присутствия кислорода воздуха.

Открытие ночесветок не явилось открытием явления биолюминесценции (живого свечения), как такового, а лишь расширило круг известных человеку существ, обладающих таинственной способностью светиться холодным призрачным светом. Однако первыми серьезными исследованиями, лежащими в основе этого явления, наука обязана любознательности и небрезгливости английского физика Роберта Бойля. Предание гласит, что однажды слуга, сервировавший ужин, пригласил его посмотреть на кусок протухшего мяса, испускавшего вместе с соответствующим запахом неяркий, но явственный свет. Забыв о предстоящей трапезе, Бойль приступил к изучению этого странного явления. Поставив серию экспериментов над светящимися испорченными продуктами и гнилушками, Бойль выяснил, что свечение данных объектов в безвоздушной среде прекращается, а следовательно, имеет вполне материальную природу, общую с химическим процессом окисления, хотя и не сопровождается выделением тепла. Но лишь два с лишним века спустя, в 1884 году, французскому ученому Рафаэлю Дюбуа удалось разделить жидкость, содержащуюся в светящихся органах жуков-светляков, на две фракции: жироподобное вещество и белок. Жироподобная фракция окислялась кислородом воздуха, но только в смеси с белком эта реакция сопровождалась выделением холодного видимого света. Дюбуа весьма удачно назвал жироподобное вещество люциферином, а белок-катализатор – люциферазой. И хотя от этих названий веет чертовщиной, они вместе с тем являются производными латинских слов lux – «свет» и ferre – «приносить». Люцифераза не только в десятки раз ускоряет скорость окисления люциферина, но и направляет протекание реакции таким образом, что энергия выделяется не в виде тепла, а в виде светового излучения.

Само название «биолюминесценция» буквально означает «слабое живое свечение». Однако человечеству пока остается лишь завидовать эффективности этого процесса, ведь коэффициент полезного действия живого свечения фантастически велик: он достигает 80—90%, в то время как самые экономичные лампы «дневного света» преобразуют в свет всего лишь 10—15% энергии, остальная же уходит в бесполезное тепло. Как выяснилось, в природе не существует светящихся растений, но есть светящиеся бактерии и грибы. Именно бактерии вызывают свечение испорченных рыбных и мясных продуктов, а также свечение загноившихся ран, на что обращал внимание еще Парацельс. Благодаря нитям грибницы сияют в темноте ничем не примечательные на дневном свету гнилушки.

В царстве животных биолюминесценция встречается в самых разных группах не связанных родством организмов. Причем если среди наземных животных способность к свечению является скорее исключением из правил, то среди морских животных она распространена чрезвычайно широко.

Абсолютными рекордсменами по числу светящихся видов среди беспозвоночных являются кишечнополостные (мягкие кораллы, морские перья, глубоководные медузы) и головоногие моллюски (кальмары и каракатицы), а среди хордовых – оболочники (сальпы и огнетелки), а также рыбы.

Зачем же нужна люминесценция живым существам? В большинстве случаев ответ на этот вопрос вполне очевиден. В глубинах Мирового океана, куда не проникают солнечные лучи и царит вечный мрак, нет фотосинтезирующих растений, а значит, мало пищи. Способность к люминесценции оказывается здесь как нельзя более кстати, ведь огонек, сияющий в морской бездне, привлекает и дезориентирует мелкую живность точно так же, как свет лампы – ночных бабочек. Поэтому и светятся медлительные медузы, оболочники, мелкие ракообразные и вовсе неподвижные мягкие кораллы, морские перья. А активные хищники стараются превзойти друг друга в оригинальности конструкции светящихся приманок.

У рыб, представителей семейства глубоководных удильщиков, видоизмененный первый луч спинного плавника смещен к переднему концу тела, превратившись в «удилище» (илиций), оканчивающееся кожистым мешочком (эской), заполненным светящейся слизью. У одних удильщиков илиции короткие, у других – похожи на гибкий бич, многократно превышающий длину тела. У удильщика лазиогната илиций напоминает телескопическую удочку, и рыба может изменять его длину, подманивая жертву все ближе к усеянной загнутыми зубами огромной пасти, а у удильщика галатеатаумы светящаяся приманка расположена прямо во рту. Удильщики могут искусно манипулировать интенсивностью свечения эски, сужая или расширяя кровеносные сосуды, снабжающие этот орган кислородом. У рыб-топориков светящиеся органы, фотофоры, разбросаны по всему телу, а два самых крупных из них, подковообразных, располагаются под глазами, освещая пространство на полметра вперед, что позволяет не только приманивать добычу, но и эффективно преследовать ее. При необходимости рыбы способны гасить свет этих мощных фар, надвигая на них специальную заслонку.

Но, пожалуй, наибольшего совершенства светящиеся органы достигли у глубоководных кальмаров, превратившись в осветительные приборы весьма сложной конструкции. Светящиеся клетки фотофора заполняют бокалообразное углубление, выстланное серебристой светоотражающей тканью и прикрытое сверху прозрачной линзой, фокусирующей световые лучи. Бокал окружен слоем заполненных черным пигментом клеток-хроматофоров, предохраняющих внутренние ткани животного от светового раздражения и играющих роль диафрагмы: если надо притушить или выключить свечение, хроматофоры мгновенно расширяются и закрывают линзу светонепроницаемой пленкой. У глубоководных кальмаров таксеум и батотаум фотофорами снабжены сидящие на подвижных стебельках глаза, а у кальмара каллитевтиса их устройство дополнено особым «зеркальцем», расположенным под углом к пучку исходящего света. Поворачивая «зеркальце», животное может менять направление светового луча. Кроме того, светящиеся органы кальмаров нередко снабжены фотофильтрами из клеток, содержащих желтые и красные пигменты. Фотофоры, искрящиеся всеми цветами радуги, усеивают тела головоногих моллюсков наподобие изысканных украшений из драгоценных камней, превращая этих странных созданий в одно из самых чудесных творений природы.

Биолюминесценция является и действенным средством защиты. Неожиданной яркой световой вспышкой можно напугать врага или отвлечь его внимание. У крохотной тихоокеанской двурогой каракатицы чочин-ика особый пузырек со светящейся жидкостью служит для привлечения добычи, но, подвергшись нападению, каракатица опорожняет его содержимое в воду и спасается бегством, оставляя на растерзание врагу медленно расплывающийся в воде светящийся фантом. К подобной же уловке прибегает в случае опасности и средиземноморский кальмар гетеротевтис. А некоторые многощетинковые черви оставляют в зубах хищника ярко светящийся задний конец, который со временем могут отрастить вновь.

Не менее важна роль биолюминесценции в поддержании связей между представителями одного вида.

Несколько видов мелких рыбешек, относящихся к семейству светящихся анчоусов, образуют огромные смешанные стаи, но безошибочно распознают в них представителей своего вида благодаря различию в расположении и ритме свечения огненных точек, усеивающих поверхность их тела. В этом случае свет великолепно заменяет яркую окраску покровов, неразличимую в темноте.

Весьма примечательно, что далеко не все животные, нашедшие биолюминесценции столь разнообразное применение, обладают способностью самостоятельно продуцировать светогенные вещества. Например, свечение каракатиц, оболочников, а также многих видов рыб происходит за счет люминесцирующих бактерий-симбионтов, содержащихся в специализированных тканях органов свечения, где они находят для себя особо благоприятные условия существования. Каждое новое поколение таких животных получает по наследству от материнских особей и порцию светящихся бактерий.

Возникает законный вопрос: а зачем в предельно рационально устроенном мире живой природы, где практически каждый признак проходит через жесткий контроль естественного отбора, нужна способность к свечению самим бактериям или, к примеру, нитям грибницы? Эта кажущаяся несообразность навела ученых на мысль, что биолюминесценция изначально возникла в природе как побочный результат каких-то действительно жизненно необходимых биохимических или физиологических процессов, протекающих в клетках и тканях. Согласно одной из гипотез, биолюминесценция, то есть выброс энергии в виде фотонов света, является простейшим способом защиты клеточных структур от избытка энергии, образующейся при окислении липидов. В клетках современных организмов этот процесс протекает многоступенчато, энергия высвобождается постепенно и запасается впрок в виде энергии фосфатных связей. Возможно, что на заре эволюции в примитивно устроенных клетках первых обитателей планеты такой защитный механизм еще отсутствовал и свечение служило своего рода предохранительным клапаном, сохранившимся до наших дней в виде атавистического, но не всегда бесполезного признака.

Согласно другой оригинальной гипотезе биолюминесценция возникла у организмов, населявших Землю в те далекие геологические эпохи, когда в атмосфере отсутствовал кислород (этот газ появился в больших количествах только с возникновением зеленых растений). Для анаэробных бактерий, сохранившихся до наших дней, кислород не только бесполезен, но и чрезвычайно токсичен. Возможно, в процессе эволюции часть анаэробных организмов приобрела способность связывать поступающий в клетку кислород и мгновенно высвобождать ненужную для метаболизма энергию окисления путем выброса фотонов света.

Живое свечение, несмотря на 250-летнюю историю изучения, хранит еще немало загадок. Но даже если представить себе, что все они будут разгаданы, светящиеся волны моря, огненный танец мириад светлячков под пологом ночного леса, кальмары и рыбы, проносящиеся в глубине, подобно огненным метеорам, все равно останутся одним из самых таинственных и прекрасных явлений живой природы на Земле.

Ирина Травина