О светлячках слышал каждый, многие люди даже их не раз видели. Распространены они практически по всему свету, и каждый из двух тысяч видов обладает способностью излучать загадочный, золотисто-зелёный свет. Таким образом насекомые не только сигнализируют о своём местоположении, но и отличают «своих» и «чужих» по особой частоте мерцания. Но задумывались ли вы, как именно происходит эта магия? Ведь крохотный жучок работает не от розетки…

Устройство «фонаря»

Чаще всего орган свечения этих жуков — фотофор — располагается на конце брюшка и по своему принципу действительно напоминает обычный карманный фонарик. Фотофор состоит из трёх слоев. Нижний слой, зеркальный, способен отражать свет. Верхний слой представляет собой светопрозрачную кутикулу. Но самое интересное происходит в среднем слое, где находятся фотогенные клетки, или фотоциты. Они вырабатывают свет благодаря интенсивному использованию кислорода.

У насекомых нет лёгких, а кислород передается посредством разветвлённой сети трубочек (трахеол) и запасается в митохондриях клеток. Для быстрого выделения необходимого количества кислорода, организм светлячка вырабатывает окись азота, которая, поступая в митохондрии, вытесняет из них кислород. Включение и выключение этих процессов регулируется нервной системой насекомых.

Люминесценция или флюоресценция?

В популярной прессе светящимися называют организмы, обладающие и флюоресценцией, и люминесценцией. Оба процесса встречаются в природе (порой у одних и тех же организмов) и в настоящий момент активно исследуются биологами, генетиками, фармацевтами и инженерами. Но если флюоресценция предполагает пассивное переизлучение света с небольшим уменьшением энергии и соответствующим сдвигом в длине волны, то люминесценция — это активный процесс, в ходе которого химическая энергия преобразуется в свет.

Ферменты, которые проводят преобразование химической энергии в свечение, называются люциферазами, а их субстраты (органические пигменты) — люциферинами. Оба слова происходят от латинского «lucifer», который, в свою очередь, состоит из латинских корней lux «свет» и fero «несу». Несмотря на одинаковое название, между люциферазами и люциферинами, помимо собственно функции, очень мало общего: они имеют разное строение, разное происхождение и по-разному работают.

Наиболее изученной является система свечения жуков-светляков - биолюминисценция. Люцифераза катализирует реакцию, в ходе которой молекула АТФ (универсальная единица клеточной энергии) активирует пигмент люциферин, после чего к нему присоединяется кислород. «Магия» происходит в тот момент, когда от окисленного люциферина отделяется CO2: молекула красителя оказывается в возбужденном состоянии, покидая которое она испускает квант света. Интересно, что у всех организмов, несмотря на независимое возникновение системы свечения, оно так или иначе связано именно с окислением.

От чего зависит цвет свечения?

В принципе свет, производимый люциферазой, может иметь почти любой оттенок - от сине-зелёного до красного. У светлячков, в частности, свечение относится к видимой желто-зелёной части спектра, соответствующей длинам волн от 500 до 600 нм. При этом свет, излучаемый светлячками, не даёт тепла – в нём нет инфракрасных и ультрафиолетовых лучей. В отличие от обычной электрической лампы, где основная часть энергии переходит в бесполезное тепло, а КПД составляет 5-10%, светлячки переводят в световое излучение до 98% затраченной энергии.

Однако в природе есть множество других живых организмов, излучающих свет - коралы, медузы, глубоководные рыбы… В их клетках встречаются одновременно и люцифераза, и флюоресцирующие белки (например, небезызвестный GFP). Они не просто находятся в одной клетке, но и настолько тесно связаны друг с другом, что возникает квантовый эффект переноса возбуждения: фотон, произведенный люциферазой, не излучаясь, переносится на GFP, который его выбрасывает уже с измененной длиной волны.

Поэтому обитатели морских глубин, а также созданные на основе извлечённого из них белка GFP светящиеся мыши, поросята, рыбки и прочая живность, светятся зелёным – хотя их люцефераза изначально настроена на синий цвет. Использование GFP позволяет увеличить эффективность излучения за счёт того, что флюоресцентный белок по сравнению с люциферином таких организмов менее склонен терять возбужденное состояние без излучения кванта света. У жуков-светляков (как и у люминесцентных бактерий) нет белков, подобных GFP, и в этом отношении их система свечения устроена проще.

Немного романтики…

Учёные считают, что биолюминисценция для светлячков является средством межполового общения. Тропические и североамериканские виды светлячков иногда исполняют целые хоровые серенады для своих партнёрш. Собравшись на одном дереве, они сначала мигают каждый в своё время. Затем пара насекомых начинает делать это синхронно. Проходит немного времени, и постепенно все насекомые начинают дружно и в одно и то же время испускать короткие вспышки света. Через полчаса целое дерево ведёт себя как единый живой организм, и может показаться, что оно просто украшено электрической гирляндой лампочек.

Самки отвечают им такой же светомузыкой, вспыхивая и затухая всей стайкой. Правда, по нашим меркам «прекрасным полом» их не назовёшь: своим внешним видом бескрылые самки светлячков напоминают личинок. Светлячок, не заморачиваясь на такие мелочи, летит к своей подруге… но бывает съеден. Например, самки светлячков вида Photuris подражают свечению вида Photinus и привлекают к себе чужих мужских особей. Съедая обманутых (и горько разочарованных в любви) самцов, хищницы получают не только пищу, но и защиту от птиц и пауков, поскольку их добыча содержит особое химическое вещество.

Впрочем, способность светится помогает привлекать противоположный пол даже другим видам – в частности, нам, людям. Известный энтомолог Эвелин Чисман в 1932 году в своих статьях писала, что некоторые экстравагантные дамы перед вечерними праздниками украшали светлячками свои платья и даже прическу, и в темноте казались усыпанными бриллиантами. Впрочем, у основной «романтической» версии свечения этих насекомых есть и непонятные моменты. Она не объясняет, почему светятся (только чуть слабее) личинки, куколки и даже яйца светлячков, которые обычно закопаны в почву.