От светящихся кораллов до рвотных креветок — животные использовали биолюминесценцию для общения на протяжении миллионов лет — вот что ученые до сих пор не знают об этом

Людей издавна интересовали организмы, способные производить свет.Аристотель, который был не только учёным, но и философом, написал первую подробную описания того, что он называл «холодным светом»более 2000 лет назад.Совсем недавно такие новаторские исследователи, как ветеран армии Второй мировой войны Эммет Шаппель и пилот глубоководного аппарата Эдит Виддер продвинули изучение этого явления с помощью новых технологий.

По меньшей мере 94 живых организма производят собственный свет посредством химической реакции внутри своего тела – способность, называемая биолюминесценцией.Примеры включают в себя светящиеся светлячки, водоросли, создающие «светящиеся в темноте бухты, мелкие ракообразные с сложные проявления ухаживания, а также глубоководные рыбы и кораллы.Однако, несмотря на его широкое распространение, ученые до сих пор не знают, когда и где он впервые появился, а также его первоначальную функцию.

Как морские биологи ВОЗ специализироваться на глубоководных средах обитания, мы знаем, что биолюминесценция особенно распространен в океане.Это указывает на то, что производство света может дать организмам со всего мира дерево жизни преимущество в фитнесе, которое повышает их шансы на выживание.

Наше исследование сосредоточено на октокоралы – кораллы с мягким телом. например, морские веера, имеющие древовидную форму и встречающиеся в различных местах мирового океана.Они разнообразны и древняя группа животных сюда входит около 3500 видов, многие из которых являются биолюминесцентными.

Октокораллы могут создавать коралловые сады и леса животных в океанах, особенно в глубоководных.Эти сообщества предоставляют дома и места обитания для многих других животных, включая рыб и акул.

Все октокораллы используют один и тот же химическая реакция на биолюминесценцию.Исследование 2022 года определило эволюционные взаимоотношения между этими кораллами.Эти генетические связи, а также тот факт, что существуют окаменелости октокораллов, делают этих животных идеальным объектом для изучения того, когда появилась биолюминесценция и как она распространилась в геологическом времени.

Тестирование на биолюминесценцию в море

Более десяти лет назад мы начали тестировать способность различных видов октокораллов к биолюминесценции.Чтобы произвести светящийся свет, кораллы необходимо стимулировать физически или химически.

Биолюминесценция впервые возбудила наше любопытство во время исследовательского круиза на научно-исследовательском корабле Celtic Explorer над океаном в 2014 году. Уиттард-Каньон у юго-западного побережья Ирландии.Мы брали образец ткани бамбукового коралла, собранный с глубокого морского дна с помощью аппарата с дистанционным управлением.

Транспортное средство имело манипуляторы, которые позволяли пилоту собирать образцы кораллов и помещать их в контейнеры для отбора проб, чтобы поддерживать жизнь и защиту организмов при всплытии транспортного средства.После того, как этот образец попал на борт корабля, мы с помощью щипцов взяли из него один коралловый полип в комнате с низким освещением и увидели вспышку синего света.

С тех пор мы сотрудничаем с сотрудниками из Научно-исследовательский институт аквариумов Монтерей-Бей и Университет Тохоку чтобы записать, какие виды способны светиться, либо на корабле после сбора, либо когда мы наблюдаем за ними на морском дне с помощью камер при слабом освещении.Учитывая предыдущие опубликованные данные, мы теперь знаем, что биолюминесценция наблюдается примерно у 60 видов кораллов.Вполне вероятно, что многие еще ждут своего открытия.

Когда и почему возникла биолюминесценция

В исследовании, опубликованном в апреле 2024 года, мы представили самая старая запись в геологическом времени биолюминесценции на Земле.Мы показали, что эта химическая реакция развилась на несколько тысячелетий раньше, чем предполагалось ранее, примерно в то время, когда жизнь на Земле быстро диверсифицировалась более 540 миллионов лет назад в период, названный Кембрийский взрыв.Мы определили это, нанеся на карту наличие биолюминесценции на древе жизни октокораллов — графическом инструменте, который биологи используют для демонстрации эволюционных связей между видами.

Первоначально биолюминесценция могла развиться для уменьшения свободные радикалы – химически нестабильные атомы, которые может повредить клетки.Однако в какой-то момент это превратилось в форму общения.

Наши результаты показывают, что световая сигнализация была самой ранней формой общения в океанах, и мы знаем, что некоторые животные, способные улавливать свет, возник в кембрийский период.Наше исследование показывает, что взаимодействия, связанные со светом, происходили между видами в то время, когда животные быстро диверсифицировались и занимали новые места обитания.

Приобретение и потеря света

Мы продолжаем различными способами проверять кораллы на биолюминесцентные способности.Одним из основных компонентов, участвующих в производстве света кораллами и другими животными, является фермент люцифераза.Используя данные о последовательности ДНК, мы разрабатываем тест на генетический потенциал биолюминесценции, который облегчит нам изучение этого признака и сделает его менее инвазивным.

У нас есть предварительные доказательства того, что небиолюминесцентные октокораллы все еще существуют. гомологичные гены люциферазы – генетические инструкции, переданные от общего предка всех восьмикораллов.Почему кораллы, которые не способны излучать свет, сохранили эти гены, остается загадкой.

Производят ли они очень слабый свет, который ученые не могут обнаружить современными методами?Или их гены люциферазы нефункциональны?Дальнейшие исследования могут показать, почему некоторые октокораллы, по-видимому, утратили способность к биолюминесценции и как эта потеря могла повлиять на их выживание в различных средах обитания.

Наши недавние результаты показывают, что многие кораллы, обитающие на мелководье, но возникшие из глубоководные предки сохранили способность к биолюминесценции.Вполне возможно, что некоторые кораллы со временем утратили эту способность, поскольку она стала менее полезной на мелководье и в условиях большего количества света.

Мы также исследуем, как биолюминесценция развивалась у других существ, в том числе у креветок, которые мигрируют вверх из глубоких вод, чтобы питаться днем, и возвращаются в глубокие воды ночью.Эти животные подвергаются воздействию изменяющихся условий освещенности и производят свет в несколько уникальных способов.

Яркий пример: некоторые креветки рвота светоизлучающими химикатами, создавая люминесцентное извержение, отпугивающее хищников.У них также есть внешние биолюминесцентные световые органы вдоль тела, которые излучают синий свет.

Изучение подобных существ улучшает наше понимание того, как различное количество света в окружающей среде, включая свет, производимый организмами, влияет на эволюцию биолюминесценции и влияют на зрение организмов.Это может дать представление о том, как биолюминесценция повлияла на эволюцию глаз и зрение около 540 миллионов лет назад, когда жизнь на Земле диверсифицировалась.

Тот факт, что кораллы были способны производить свет на протяжении сотен миллионов лет, означает, что эта способность внесла значительный вклад в их выживание.Кроме того, наши результаты подтверждают идею о том, что биолюминесценция была важной формой коммуникации в геологическом времени для многих видов животных, особенно в глубоководных водах.

Это исследование породило у нас новые идеи о ранней эволюции животных и их общении.Световая сигнализация дала животным новый способ общения в быстро меняющееся время, когда появлялись новые хищники и более сложный ландшафт.Расширение сенсорных возможностей в океане могло бы оказаться ценным в таких условиях.Возможно, биолюминесценция — это недостающий кусочек головоломки, которому еще не уделялось должного внимания в исследованиях происхождения и эволюции животных в глубоком прошлом.