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

Эволюция и свечение организмов

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 60–100 °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.

Длиннозубая хищная рыба

Между тем огромное большинство биолюминесцентных существ, включая медузу экворею, генерирует более или менее короткие (0,1–1 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.

Креветка-чистильщик

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 используют свечение своего брюха для маскировки на светлом фоне водной поверхности и т.д.

Всего насчитывается больше 30 биохимических вариантов биолюминесценции, возникших в эволюции независимо и в ряде случаев, видимо, недавно. О недавнем происхождении отдельных вариантов свидетельствует видовая «чересполосица», т.е. близкое родство светящихся и небиолюминесцентных видов. Так, те и другие присутствуют в одном и том же роде у планктонных веслоногих рачков Oithona и Pseudocalanus или у колониальных гидроидных полипов Obelia. У агариковых грибов Pannelus stipticus, встречающихся в Европе и Северной Америке, плодовые тела ярко светятся преимущественно у американских штаммов. У этих грибов, биолюминесцентных фотобактерий и водорослей динофлагеллят часто возникают небиолюминесцентные мутанты. Сама же биохимическая природа свечения нередко существенно различается даже у близких родичей, например у разных видов веслоногих, а также ракушковых рачков.

Как возникли биолюминесцентные системы?

Итак, Дарвин отметил, что появление биолюминесценции трудно объяснить с позиции теории естественного отбора. Полезный эффект свечения всецело связан со зрительным восприятием и ответным поведением животных. Следовательно, повышать шансы выживания может только биолюминесценция, хорошо заметная в темноте. Кроме того, световые вспышки должны быть приурочены ко вполне определенным ситуациям, скажем, сопровождать защитную двигательную реакцию, вызванную приближением хищника, и отпугивать или дезориентировать его. Иначе свечение не даст никакой пользы, скорее нанесет вред.

Плавный, постепенный переход к свечению, хорошо заметному адаптированным к темноте глазом, невозможен – ведь ниже порога видимости не будет влияния на отбор. Следовательно, у небиолюминесцентных видов должны время от времени возникать мутанты, ярко светящиеся, например, при испуге, что повышает шансы спастись от хищника. Только так может начинаться процесс естественного отбора, приводящий к дальнейшему усовершенствованию биолюминесцентной системы.

Заметим, пока таких мутантов – «белых ворон» среди заведомо небиолюминесцентных видов – никто не видел, не искал, не пытался получить действием мутагенов. Описаны только упомянутые уже штаммы гриба P. stipticus, несветящиеся мутанты фотобактерий и водорослей динофлагеллят.

Кислород и его активные формы

Что же служит непосредственной причиной свечения? Показано, что для свечения всегда необходим молекулярный кислород или его активные формы. Атом кислорода, помимо основного, устойчивого триплетного состояния, может находиться в нескольких нестабильных, или возбужденных, состояниях. Одно из них – синглетное. Возврат электронов из синглетного состояния в триплетное сопровождается испусканием фотонов, правда, «маленьких», инфракрасных. Свечение же организмов обычно синее или зеленое.

Причина, как полагают, в том, что из возбужденного состояния в основное переходят сразу два или более атомов кислорода и энергии этих переходов суммируются. Одновременно рвутся О–О-связи в циклической и очень нестойкой диоксетановой перекиси, в которую превращается субстрат люциферин при окислении молекулярным кислородом или его активными формами. Их несколько, но главных три: супероксид, перекись водорода (H₂O₂) и чрезвычайно агрессивный окислитель гидроксил-радикал (OH–).

Активные формы кислорода (АФК) играют огромную роль в жизни организмов. С одной стороны, эти формы – «полуфабрикат» и «брак» дыхания митохондрий – способны окислять что попало в живом организме: ДНК, РНК, белки, липиды. Для защиты от этой опасности организмы вынуждены постоянно синтезировать или потреблять с пищей разнообразные антиоксиданты (в их числе витамины А, С, Е,
b-каротин и др.), а также использовать такие ферменты, как супероксиддисмутаза, преобразующая О^2– в перекись водорода H₂O₂, и каталаза, ускоряющая образование воды из перекиси.

С другой стороны, в умеренных количествах АФК продуцируются в любом живом аэробном организме благодаря специальным ферментам, не связанным с процессом дыхания в митохондриях. АФК в низкой концентрации необходимы во многих жизненно важных процессах. Так, эти формы секретируются в импульсном режиме фагоцитами и некоторыми другими клетками для уничтожения паразитических микроорганизмов. АФК участвуют в регуляции клеточного деления, оплодотворения яйцеклетки, а также в запуске «запрограммированной смерти» клеток (апоптоза), в управлении тонусом кровеносных сосудов и т.д. Недавно мы обнаружили, что клетки поверхности ряда водных многоклеточных животных, подобно фагоцитам, тоже выделяют АФК, вероятно, для защиты от гнилостной микрофлоры. Природными (абиогенными) источниками АФК служат ионизирующая радиация, фото- и электрохимические реакции в воде. В частности, АФК образуются при фотолизе воды под действием УФ-излучения.

Мы затронули эти сложные вопросы потому, что работы последних лет доказывают: практически любой люциферин – высокоэффективный антиоксидант, а некоторые люциферазы – пероксидазы. Ферменты такого типа могут дезактивировать H₂O₂, окисляя с ее помощью определенные субстраты.

Таким образом, вполне возможно, что субстраты и ферменты биолюминесцентных реакций выполняют функции антиоксидантов у ближайших несветящихся родичей биолюминесцентных организмов. Поэтому достаточно одной малой наследственной «поломки» исходной (антиоксидантной) реакции, чтобы в ходе ее появилось хорошо заметное свечение и возник новый признак – биолюминесценция. Его может закрепить естественный отбор.

Как уже говорилось, природой таких предполагаемых нами «излучающих» мутаций пока, к сожалению, никто специально не занимался. Само их обнаружение – дело будущего.

Продолжение следует