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

Окончание. См. № 44/2003

Эволюция и свечение организмов

Несколько эволюционных версий

Единого мнения о том, какие именно «добиолюминесцентные» функции выполняли молекулы люциферина и люциферазы, у ученых нет.

Одно время думали, что люциферазы произошли от ферментов, которые некогда, на заре жизни, защищали организмы от молекулярного кислорода, появившегося в атмосфере в больших количествах в связи с фотосинтезом. Позже, однако, выяснилось, что эти ферменты у разных групп организмов не сходны между собою. В эволюционном отношении они, видимо, гораздо моложе, чем сравнительно менее разнообразные люциферины, их субстраты. Да и биолюминесценция обретена многими организмами, как уже говорилось, не так уж давно и независимыми путями.

В 1998 г. группа ученых во главе с Ж.Р. Рийзом (Бельгия) предложила гипотезу, согласно которой «добиолюминесцентная» функция люциферинов состояла в защите морских организмов от АФК, образующихся в верхних слоях океана под действием ультрафиолета. Если такой организм переселялся на большую глубину, антиоксиданты там, в темноте, ему становились не нужны, и их можно было использовать для свечения.

Другие авторы полагают, что люциферины могли предохранять организм от собственных АФК – «неизбежного зла» при аэробном дыхании. Как известно, далеко не весь кислород восстанавливается в основной дыхательной цепи митохондрий. Нет-нет да образуются АФК и начинают «бесчинствовать» в клетках. Чем больше потребляется кислорода, тем больше этого «брака». От него-то, считают, и спасали «пробиолюминесцентные» системы.

По третьей версии, люциферины в большинстве своем – «вещества-чужаки» (ксенобиотики), попадающие в организм с пищей, а перекисное окисление уменьшает их токсичность.

Наконец и наша точка зрения. Один из авторов этой статьи, Ю.А. Лабас, еще в 1990 г. на Х конференции, посвященной памяти Л.А. Орбели, обратил внимание на то, что биолюминесцентными бывают главным образом клетки, по тем или иным причинам сами секретирующие АФК в повышенных количествах с помощью специальных ферментов, которые не связаны с митохондриями. Так, у некоторых дождевых червей и колониальных асцидий, если их потревожить, начинают ярко светиться фагоциты, выходящие на поверхность тела вместе с целомической жидкостью и разрушающиеся там (у асцидий – под прозрачной мантией). Напомним, что одна из функций фагоцитов – импульсная секреция АФК для уничтожения бактерий.

У большинства других многоклеточных животных ярко светятся фотоциты, расположенные на поверхности тел или, как у кишечнополостных и гребневиков, – в энтодерме.

Эпителиальные клетки, которые выделяют в воду светящиеся вещества, сами способны производить АФК в импульсном режиме, видимо, в качестве антимикробного средства. Это только что подтвердили наши эксперименты.

«Рекордсмены» в отравлении окружающей среды активными формами кислорода и особым ядом сакситоксином – морские планктонные динофлагелляты, в том числе светящиеся, чрезмерное размножение которых является причиной так называемых красных приливов, губительных для всего живого, кроме самих водорослей.

Не исключено, что и фотобактерии, паразиты и симбионты, выбрасывают АФК в окружающую среду. У ряда видов паразитических небиолюминесцентных бактерий такая секреция уже доказана, а у фотобактерий ее пока просто не искали. Паразитические бактерии, выделяя АФК, вероятно, разрушают таким способом ткани «хозяина», а, возможно, еще и уничтожают конкурентов.

Таким образом светятся (постоянно или в импульсном режиме) в основном клетки, которые сами секретируют АФК для той или иной цели, главным образом для защиты. Поэтому мы полагаем, что биолюминесценция – это результат наследственных изменений механизмов, защищающих подобные клетки от самоуничтожения.

Характерно, что многие выделяемые в импульсном режиме люциферины или их комплексы с белками, т.е. фотопротеины, светятся даже без люциферазы, реагируя не с молекулярным кислородом, а с АФК. Подобным образом излучают свет в эксперименте люциферин ракушковых рачков рода Vargula и фотопротеин двустворчатых моллюсков рода Pholas (оба эти соединения – варгулин и фолазин – используют как сверхчувствительные индикаторы АФК).

Выделение светящихся соединений во внешнюю среду водными организмами напоминает защитный прием наземного жука бомбардира (род Brachinus). Потревоженный, он довольно метко стреляет во врагов жгучей смесью трех веществ: восстановленного субстрата (гидрохинона), фермента (пероксидазы) и перекиси водорода. Мы не исключаем, что в состав излучающих веществ, выбрасываемых водными животными, первоначально тоже входила (или даже входит, это не проверено) в качестве третьего компонента перекись водорода или другие АФК и что светящаяся смесь происходит от жгучей защитной смеси.

Есть много примеров, подтверждающих связь биолюминесценции с активными формами кислорода. Приведем некоторые.

У многощетинковых червей из семейства Polynoidae внутриклеточные световые вспышки вызываются образованием супероксида в своеобразных клеточных органоидах – люмисомах. Продуцируется он специальным ферментом, активируемым повышенной цитоплазматической концентрацией ионов кальция. А светится от супероксида другой, находящийся в тех же клетках белок, полиноидин.

У динофлагеллят и морских перьев рода Renilla люциферин не может реагировать с люциферазой и кислородом, пока остается связанным с особым белком. Когда клетка возбуждена, в ней повышается концентрация Ca₂⁺, что влечет за собой высвобождение люциферина. Только после этого он может реагировать с кислородом и люциферазой.

Наконец, у радиолярий, гидроидных полипов и гребневиков белок, который связан с люциферином, обрел функцию люциферазы, вероятно, вторично в процессе эволюции. Достаточно лишь повысить концентрацию Ca₂⁺ в клетке – и перекись люциферина, будучи в комплексе с таким белком, начинает светиться при распаде. С эволюционной точки зрения немаловажно, что кроме ионов кальция свечение подобных фотопротеинов могут вызывать активные формы кислорода.

Итак, у разных организмов импульсное свечение обеспечивается отнюдь не одинаково. У асцидий, многощетинковых и дождевых червей оно связано с импульсной генерацией самих АФК. У динофлагеллят и морских перьев – с порционным выбросом люциферина – антиоксиданта, защищающего организм от повреждений, вызываемых этими агрессивными окислителями. У светляков вспышки создаются, как полагают, сложным механизмом импульсной подачи кислорода к месту внутриклеточной локализации люциферина и люциферазы. Мы здесь рассматривать этот механизм не будем. Важнее попытаться ответить на вопрос: как у несветящихся родителей может вдруг появиться более или менее ярко светящийся потомок?

Данных пока нет, поэтому остается лишь предполагать. В одних случаях может изменяться реакция синтеза того или иного антиоксиданта и в результате – его структура. Обновленный антиоксидант начинает ярко светиться, реагируя с АФК. В других случаях антиоксидант (свой или полученный с пищей) в результате мутации попадает в клетки, где присутствует фермент – будущая люцифераза, и тогда яркое свечение в реакции с молекулярным кислородом или перекисью водорода обеспечено. Если же мутация меняет структуру фермента, с участием которого окисляется восстановленный субстрат, такой процесс тоже может сопровождаться свечением.

Это наши соображения по поводу возникновения биолюминесценции – эволюционного события, которое великий Дарвин затруднялся объяснить, исходя из своей теории. Конечно, не исключены и другие точки зрения.