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,
|
|
|
-каротин и др.), а также использовать такие ферменты, как супероксиддисмутаза, преобразующая О2– 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.
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.
Дата добавления: 2020-01-07; просмотров: 133; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!