Господин Свещаров
Разкази за съвременната биология (11)

Живата светлина

Една ли има човек, който да не е наблюдавал нощния полет на светулките, или да не се е учудвал на призрачно фосфоресциращата светлина, която излъчват някои гнили пънове. Но вероятно малцина знаят, че светенето на живата материя е широко разпространен феномен в природата. Още преди милиони години тя е подарила студената светлина, или биолуминесцирането, на редица бактерии, едноклетъчни, гъби, мекотели, червеи, ракообразни, насекоми и риби. Знаете ли обаче откъде се получава тази жива светлина и какво представлява тя за живите организми — средство за преживяване, за защита или своего рода сигнализация?

За живата светлина вече се знае доста много. Тя възниква в резултат на окислителни процеси, които протичат в главните енергетични резерви на организма — липидите. Приема се, че при луминесценцията се окислява субстрат, наречен луциферин, под каталитичното действие на ензима луцифераза. При процеса се отделя голямо количество енергия — около 40–80 ккал/мол. През 50-те години на нашия век Макелрой и сътрудниците му доказаха, че главният фактор за светенето на фотобактериите е редуцираният флавинмононуклеотид (ФМН-Н₂). Последвалите многобройни проучвания на бактерийното светене ин витро (извън организма, в изкуствена среда) показаха, че биолуминесцентната реакция е ензимно окисляване на ФМН-Н₂, който играе ролята на луциферин. Общо взето, луминесцентната реакция в бактериите се отличава от луминесцентните системи на другите организми. Най-съществената разлика на биолуминесценцията от големия брой химични реакции, при които също се отделя светлина, е тази, че при тях се губи твърде много енергия. В някои случаи при биолуминесценцията коефициентът на полезно действие е почти стопроцентов.

Излъчваната от живите организми светлина има различен цвят. Някои организми светят с млечнобяла светлина, други със синя или жълтозелена, трети — с червена, а морските обитатели често обагрят водата с всички цветове на дъгата. В Южна Америка се среща ларвата на един вид бръмбар, която местното население нарича влакче. На главата си тя има две червени „фенерчета“, а от двете страни на тялото й са наредени единадесет двойки зелени „прозорчета“. Когато ларвата е спокойна, светят само червените „фенерчета“, но най-малкото дразнене веднага предизвиква пламването и на зелените светлинки по тялото й.

Биохимиците успяха да докажат, че промяната на цвета на излъчваната от даден организъм светлина зависи от количеството отделена енергия. Така например синята светлина изисква значително повече енергия, отколкото зелената, а тя пък тя свой ред — повече от червената. Върху светенето на организмите оказват влияние и редица външни фактори. То се влияе извънредно силно от температурата на средата, също и от хидростатичното налягане (за водните организми), от състава на средата и наличието на кислород. Бактериолозите са установили, че бактерийната луминесценция се извършва в доста широк температурен диапазон, но като правило всички фотобактерии светят до 40°C.

Няма съмнение, че първите светещи организми, появили се на Земята, са били бактерии, което свидетелствува за милиардите години еволюция на това явление. Предполага се, че появата на биолуминесценцията при микроорганизмите е било своеобразна защитна реакция на тези същества срещу кислорода, който зелените растения започнали да отделят в големи количества.

Особено много светещи организми има в моретата и океаните. Вероятно много от нашите читатели са наблюдавали как през топлите летни вечери огромни участъци от морето изведнъж без всякаква видима причина „пламват“ и започват да издават силна фосфоресцираща светлина. Това явление се предизвиква от едноклетъчни организми, които влизат в състава на планктона. Най-често срещаните видове са ноктилука милиарис, ноктилука сцинтиланс, церациум трипос и перидиниум дивергенс. Светенето им е отбранителна реакция и се предизвиква в резултат дори на най-слабо механично дразнене. Да се кара лодка в морето в такива вечери, когато морските води са наситени с милиардите представители на светещия фитопланктон, е истинско удоволствие. От всеки удар на греблата се образуват милиони светещи точки, а водата около бордовете на лодката пламва с извънредно красива млечнозелена светлина.

Със защитна цел светят телата и на други морски животни. Ето един краб (крив морски рак) се приближава към мекото извиващо се тяло на морски червей и здравата му щипка мигновено го разсича на две части. В същия миг задната половина на червея се осветява ярко. Ракът се нахвърля върху нея, а другата половина на червея бързо се заравя в тинята. Изключително силните и бързо протичащи регенерационни възможности на червея ще му позволят за сравнително кратко време отново да се сдобие с опашната част на тялото си! По подобен начин се отбраняват и някои видове медузи. А определени видове калмари разполагат с малко по-различно светлинно оръжие. В специални жлези вътре в тялото им живеят по симбионтен начин светещи бактерии. Когато калмарът изпадне в затруднено положение, той като с огнепръскачка изхвърля срещу нападателя си фонтан от светеща материя, който заслепява врага му и позволява на мекотелото бързо да се скрие в безопасни води.

Вече е добре известно, че повечето главоноги мекотели излъчват „жива“ светлина. При някои калмари светещите органи са големи, а при други са колкото главичка на карфица. Известни видове дълбоководни калмари имат дори цветни филтри, с които създават цяла гама от бяла, синя, розова и жълта светлина. Функцията на светещите органи при калмарите все още не е добре изяснена. Повечето биолози смятат, че благодарение на тях калмарите могат да се придвижват на стада в гъстия мрак на океанските дълбини. Според други това светене привлича планктона към пипалата им, помага на калмарите да се събират заедно по време на брачния период, да осветяват пътя си или да го използуват като защитно средство.

Биолуминесценцията при главоногите мекотели е открита от френския естественик Жан Батист Верани. През 1834 г. съвсем близо до морския бряг край Ница той видял тълпа хора, които с интерес и почуда гледали странното същество (калмар), попаднало в мрежите на рибарите. Верани пуснал животното във ведро с морска вода. „Бях поразен и едновременно пленен от възхитителното зрелище на блестящи петна, които се появиха по тялото на калмара. Ту ме ослепяваше синият лъч на сапфира, ту опаловият на топаза или пък тези богати на оттенъци цветове се смесваха във великолепно сияние, което обкръжаваше мекотелото“ — пише той.

Фиг.14. Функцията на светещите органи при калмарите е все още недостатъчно добре изяснена.

В мастиленочерните дълбини на океаните живеят и прекрасни светещи корали, които приличат на малки храстчета. През миналия век френска експедиция извадила такива корали на борда на един кораб. Те светели толкова силно, че светлината на 20-те факли, с които осветявали палубата, просто се изгубила. Зрелището било извънредно интересно, тъй като интензитетът и цветът на светлината от „храстчето“ непрекъснато се менели. Коралите изпускали ту лилава, ту оранжевочервена, ту синкава светлина, после тя изведнъж ставала бяла, като че ли там имало нажежено до краен предел желязо. Постоянната светлина на коралите обаче била зелената, докато другите цветове проблясвали само за мигове.

Най-чудноватото между светещите същества на океанските дълбочини е т.нар. вълшебна лампа. Това е сродно на сепията малко главоного, което достига дължина до 8 см. Мекотелото има 22 светещи органа по тялото си, които са устроени по 10 различни начина. Четири от светещите органи на животното са разположени по ловните му пипала, 10 са наредени в две дъги под очите му, а останалите 8 се намират в две редици по тялото му. Най-интересното е това, че всеки от тези светещи органи сияе с различно оцветена светлина. Средните под очите светят с тъмносин блясък, а странично разположените край тях като че ли са бисерни лъчи. Предните светещи органи по коремната страна на тялото изпускат рубиненочервен цвят, средните от задната редица сияят небесносиньо, а останалите излъчват бяла или с бисерен цвят светлина. Нима това не е наистина една вълшебна гледка?

Във водите на топлите тропически морета често се срещат представители на светещи риби, които природата е надарила с „фенерчета“ под очите. Това в същност е една светеща жлеза с формата на полумесец, във вътрешността на която се намират милиарди светещи бактерии. Най-интересното е това, че рибите могат да променят интензитета на светенето на „фенерчето“ си и плувайки, те постоянно мигат със светлините си. От семейството на тези светещи риби най-рядко срещаният вид живее във водите край Ямайка. За последен път учените са уловили там един индивид през 1972 г.

Разбира се, това не са единствените светещи риби, които обитават морските води. Леководолази разказват, че светлината, която излъчва рибата луна например, се вижда от голямо разстояние и тя наистина изглеждала като месечина сред останалите светещи риби. Други видове риби, като ямайския фенероок, имат светещи органи около очите си, които създават илюзията, че самите им очи излъчват силна светлина. Други видове риби в предната част на главата си имат израстък, на върха на който също като че ли е запалена малка електрическа крушка. На трети от горната челюст е проточен почти два пъти по-дълъг от тялото им израстък, който също завършва с „фенерче“ на края. А някои други видове изглеждат целите облени от светлина благодарение на особено устроените им светещи органи, които са разположени по дължината на тялото също като монтирани на проводник малки електрически крушки. Разбира се, тук споменаваме само няколко по-интересни представители на светещите риби, които са многобройни.

Допреди няколко години се приемаше, че светещите бактерии са сравнително рядко явление в природата. Задълбочените хидробиологични проучвания през последните десетина години обаче показаха, че те са едни от най-разпространените едноклетъчни обитатели на моретата и океаните. Нещо повече, почти всички представители на фотобактериите живеят в моретата, като повечето от тях са сапрофити или симбионти. Сапрофити се откриват в мъртвите риби и главоноги мекотели, а симбионти се развиват в специални жлези или кухини предимно на живи риби и мекотели. Изолирани са и някои патогенни видове, като например вибрио албензис, който е сладководен и предизвиква болести сред някои земноводни, ракообразни и насекоми.

Светещите бактерии играят определена роля в природата. Най-голямата им „заслуга“ е разграждането на хитина — твърдата обвивка на ракообразните, която се разрушава извънредно трудно. И независимо от това, че светенето им е значително по-слабо от светенето на рибите и мекотелите, то играе значителна роля в хидрооптиката на морските води, защото може да се разпростира на значително по-големи площи.

А сега нека насочим вниманието си към светулките, които спадат към многобройния разред Бръмбари. Ентомолозите са ги отделили в самостоятелно семейство, което включва над 2000 вида. Повечето от видовете на това семейство имат светещи органи. Както може да се предположи, най-богатото видово разнообразие от светулки може да се срещне в тропиците, където тяхното светене според очевидците представлява приказна гледка.

В България се срещат няколко вида светулки, като най-разпространеният е голямата светулка, която специалистите познават под латинското име лампирис ноктилука. При този вид освен мъжкия и женската светещи органи имат и ларвите, та дори и яйцата им светят слабо. При мъжките и женските големи светулки светещите органи са разположени отдолу на последните три коремни членчета. Самият светещ орган има три части. Най-важната му част са едри клетки, сред които има голямо количество нервни краища и мънички тръбици (трахеи). Това именно са фотогенните клетки, които излъчват светлината. Непосредствено под тях се намира рефлекторът, който се състои от няколко слоя клетки, пълни с кристалчета пикочна киселина. Третата част е прозорчето на фотогенния орган, което е изградено от депигментирана прозрачна обвивка. Светенето на този сравнително просто устроен орган се регулира от количеството на постъпващите в него кислород и кръв и се контролира от нервната система. Както вече споменахме, биолуминесцирането при светулките е много ефективно — около 98% от изразходваната енергия се превръща в светлина, докато при обикновената електрическа крушка този процент не надминава 4!

Едни светулки излъчват синкава светлина, други — зеленикава, трети — млечнобяла, а четвърти — златисточервена. Някои светят с постоянна, почти неменяща се по сила светлина, други я изпускат на импулси. Има светулки, които дори могат да синхронизират премигването на „фенерчетата“ си, когато са събрани по много на едно място. Такива светулки живеят например на остров Ямайка и в Малайзия. По тези места хиляди светулки кацат по клоните на някое мангрово дърво или по храсталаците. Първоначално те светят безпорядъчно, но постепенно се синхронизират и дърветата или храстите започват да светят така, като че ли някой включва и изключва монтирано електрическо осветление. Години наред местното население в тези области се плашело от странното явление, докато най-после специалисти биолози разкрили тайната.

Много образно описва срещата си със светулките в Италия видният съветски биолог проф. В. В. Лункевич: „Една нощ пътувах с влака от Флоренция за Рим. Изведнъж вниманието ми бе привлечено от летящи край вагона искри. В първия момент човек можеше да помисли, че тези искри се изхвърлят от комина на локомотива. Като погледнах през прозореца, видях, че влакът ни се носи сред лек, прозрачен облак, съставен от миниатюрни златистосини огънчета. Те искряха навсякъде. Въртяха се, прорязваха въздуха като лъчисти дъги в различни посоки, кръстосваха се, потъваха и отново изплуваха в нощната мъгла, посипвайки като с огнен дъжд земята. А влакът се носеше стремително все напред и напред, обвит от вълшебната пелена на огънчетата. Пет минути, а може би и повече продължи това фантастично зрелище. След това излязохме от облака на горящите прашинки, като ги оставихме далеч зад нас. Това бяха милиарди светулки. Нашият влак се беше врязал в най-гъстата част на тези невзрачни на вид насекоми, които очевидно се бяха събрали в тихата топла нощ през брачния период на своя живот“.

Според биолозите светенето на светулките улеснява събирането на мъжките с женските, както е например с индивидите на голямата светулка. Женската е безкрила, 3 мм по-дълга от мъжката (която достига до 15 мм) и свети по-силно от партньора си. Когато настъпи размножителният им период, в топлите летни вечери женските инстинктивно се обръщат по гръб в тревата или се изкатерват по върховете на треви и клончета, за да може техните „избраници“ да виждат светенето им отдалече. Щом мъжкият започне да я приближава, женската усилва светенето си. Че светенето на различните видове светулки улеснява събирането на половете, е доказано опитно. Когато поставили женски светулки в прозрачни, но херметично затворени тръбички, мъжките лесно и бързо ги открили по светенето в тъмнината. След това затворили женските в непрозрачни тръбички, по които имало пробити мънички дупчици. Мъжките въобще не могли да намерят партньорките си. Така се изяснило, че при този вид насекоми мирисната феромонна комуникация^[1] играе, изглежда, много слаба роля в сравнение със светлинната. До този момент обаче не е изяснена биологичната роля на светлината, която излъчват яйцата и ларвите на голямата светулка.

В началото на нашия разказ споменахме, че някои растения също излъчват светлина. За да я видите обаче, трябва да излезете извън града и да посетите през някоя безлунна нощ близката гора. Там най-често ще можете да наблюдавате светене на гъби и гнили дънери. Излъчваната от тях светлина е типична, „студена“, съвсем слаба, но все пак достатъчно ясно забележима, с едва доловим синкав или зеленикав оттенък. В растителния свят луминесценцията в повечето случаи се дължи на окислителни процеси, които протичат в гниеща материя. Според някои специалисти светенето на гъбите има биологично предназначение подобно на това, което имат цветовете на висшите растения — да привличат насекомите и някои други нощни животни, които разпространяват спорите им. Някои гъби излъчват необикновено силна светлина. В Нова Гвинея например има вид гъба, която се използува нощно време от местните водачи. Те я закрепват на гърба си и така тя служи като ориентир за останалите. А в екваториално-тропичния климат на австралийския щат Куинслънд вирее гъба, която излъчва толкова силна светлина, че на нея спокойно може да се чете.

Досега говорихме за най-широко разпространения вид светене на биологични обекти, което е познато от дълбока древност, дължащо се на освобождаване на енергия при ензимно окисляване на луциферин. На специалистите са познати обаче и други видове луминесцентно светене, като откритото от А. Г. Гурвич с помощта на биологични детектори митогенетично ултравиолетово излъчване, чийто източник са някои белтъци или ензимни системи. През 30-те години на нашия век В. В. Лепешкин откри лъчение, което се появява, когато спре дишането на даден организъм, и го нарече некробиотично лъчение. Предполага се, че то се предизвиква от разпадането на липопротеиновите комплекси в клетките. А преди около 25 години бе открито и свръхслабото светене на биологичните обекти, което се оказа универсално за всички живи клетки. Нарича се свръхслабо, тъй като при него власинките на 1 г корени например от грах излъчват само 10³ кванти/сек, докато светулката излъчва 10¹³ кванти/сек. По спектрален състав свръхслабото светене на биологичните обекти обхваща видимата и инфрачервената част от спектъра. В синьозелената част на спектъра излъчването е слабо, а в ултравиолетовата въобще не се наблюдава. И този вид светене се осъществява само в кислородна атмосфера. Доказано е, че редицата от реакции, на които се дължи това светене, се задействува, когато при взаимодействието си с кислорода фосфолипидите образуват един вид прекисно съединение. При по-нататъшното протичане на реакцията то присъединява към себе си водород, превръща се в хидропрекис и се разпада на два радикала — RO и OH. По-голямата част от радикалите влизат в реакция с липидите, с които образуват нова верига, както и с антиокислителите, а друга незначителна част от тях се неутрализират помежду си. Този процес е познат в химията като рекомбинация на радикалите. Свръхслабото светене, за което става дума, фактически отразява кинетиката на реакцията и ни дава информация за развитието й. Откриването на свръхслабата хемилуминесценция позволява на специалистите да проследят как влияят върху биологичните системи редица неблагоприятни фактори (топлина, радиация, соли на токсични вещества и др.). Това светене ще даде възможност в бъдеще медици и селскостопански специалисти да определят жизнеността или гибелта на дадена биологична система значително по-рано, отколкото това става с познатите до този момент средства.

Макар че за „живата“ светлина вече се знае доста много, не може да се твърди, че около биолуминесценцията няма неразгадани въпроси. Един от големите успехи на биолозите е този, че те не само успяха да отделят от светещите организми веществата, които водят до светенето на тъканите, но и да ги синтезират по изкуствен път. Проследена е веригата от химични реакции, които водят до излъчването на светлината, и е проучено как влияят те върху различните химични, физични и биологични фактори. Моделирането на биолуминесцентните процеси ще даде в ръцете на бъдещите поколения нови уреди и апарати, чиито екрани ще сияят със студената „жива“ светлина.