Фонарь светлячка, или орган, вырабатывающий свет, помогает этим жукам светиться, чтобы они могли отпугивать хищников и общаться во время ухаживания. (Изображение предоставлено: Тревор Уильямс / Getty Images)
Способность светлячков излучать собственный свет называется биолюминесценцией, которая встречается у некоторых животных, бактерий и грибов по всему миру. Большинство этих существ обитает в пещерах или океанах. Но некоторые из них живут там, где их может увидеть человек, в том числе более 2000 видов жуков, входящих в семейство светлячков.
Итак, мы знаем, как называется этот эффект. Но как светлячки (семейство Lampyridae) создают эти ослепительные зрелища?
По словам Тимоти Фэллона, биохимика-генетика из Калифорнийского университета в Сан-Диего, ключ к их свету – химическая реакция, основанная на соединении под названием люциферин.
Люциферин излучает свет, теряя электроны – этот процесс называется окислением – в присутствии аденозинтрифосфата (АТФ), молекулы, обеспечивающей клетки энергией, и магния. Эта реакция опосредована ферментом люциферазой. У светлячков в брюшке есть световые органы, в которых происходят эти реакции и которые содержат слой кристаллизованной мочевой кислоты, помогающей отражать и усиливать свет. (1)
Подобная система использования люциферина и люциферазы несколько раз самостоятельно эволюционировала у биолюминесцентных животных, в том числе у другой группы светящихся жуков под названием Sinopyrophoridae.
Только в последние несколько сотен лет ученые начали понимать, как некоторые живые существа способны производить свет. Одним из первых в этом направлении продвинулся член Королевского общества XVII века из Оксфорда, который обнаружил, что для свечения биолюминесцентного гриба необходим воздух.
Действительно, кислород является одним из основных ингредиентов биолюминесценции светлячков.
Для свечения светлячкам необходимы люциферин, люцифераза, аденозинтрифосфат (АТФ) и магний. (Изображение предоставлено: Али Мадждфар / Getty Images)
Светиться светлячки начинают рано. Только появившиеся на свет светлячки и даже яйца способны излучать свет, возможно, в качестве сигнала хищникам, что они не будут хорошей пищей, поскольку некоторые из них ядовиты из-за химических веществ, называемых люцибуфагинами, которые они синтезируют из своего рациона. Когда светлячки заканчивают метаморфозу и достигают взрослой стадии, у них появляются новые световые органы. Но в целом система остается прежней: свет поступает из специальных клеток, расположенных в световых органах на нижней стороне тела некоторых светлячков, превращая их в желтые, оранжевые, зеленые или даже синие. (2, 3)
Эти клетки полны люциферина и люциферазы, а также необычайно большого количества митохондрий. Эти крошечные органеллы вырабатывают АТФ, необходимую светлячкам для протекания химических реакций. Светлячки включают и выключают свой свет благодаря поступлению кислорода в эти клетки. Нет кислорода – значит, темнота. Много кислорода? Вы светитесь.
Этот переключатель важен для светлячков, которые, будучи взрослыми, используют мигающие сигналы, чтобы найти подходящего партнера для размножения. Найти себе пару, будучи жуком, бывает непросто, и каждый вид мигающих светлячков выработал свою собственную последовательность световых сигналов, чтобы отличить себя от других. Это делает биолюминесценцию «любовной песней Морзе в свете», – говорит Линн Фауст, независимый исследователь светлячков из Ноксвилла, штат Теннесси, США. «С их чрезвычайно короткой взрослой жизнью поиск пары – это гонка со временем».
Исследователи проделали долгий путь в понимании научных основ биолюминесценции светлячков. Однако бесчисленные виды светлячков остаются незадокументированными в Азии и Африке, и исследователи все еще пытаются понять, как жуки впервые приобрели свою светящуюся в темноте особенность 130–140 миллионов лет назад, говорится в исследовании, опубликованном в базе данных препринтов BioRxiv. (4)
«Самые большие вопросы, на которые нет ответов, – это какие гены участвуют в биолюминесценции?», сказал Фэллон.
Главный прорыв произошел в 1985 году, когда исследователи обнаружили ген, отвечающий за производство люциферазы. Этот фермент теперь используется в биомедицинских исследованиях для искусственного освещения определенных белков в растениях и животных. В 2024 году исследователи из Уханя (Китай) обнаружили еще два гена у Aquatica leii, редкого водного светлячка, которые, как они предполагают, могут иметь расположению фонаря – светящегося органа взрослого светлячка – в брюшной полости и включать гены, генерирующие свет, такие как люцифераза. (5, 6)
Помимо расшифровки биолюминесценции светлячков, ученые все еще изучают, что движет светлячками в дикой природе. В последние годы численность светлячков сократилась из-за светового загрязнения, утраты среды обитания и изменения климата. «Мы так мало знаем о светлячках в их естественной среде обитания», – говорит Фауст. «Как мы можем сохранять и защищать их, если мы едва понимаем их самые основные потребности?»
Научный писатель, профессиональный зоолог и педагог с более чем 10-летним опытом работы со студентами, учеными и государственными экспертами. Внештатный автор сайта «Знание – свет».
