Ю.А. ЛАБАС, к.б.н., вед. научн. сотр., А.В.ГОРДЕЕВА, аспирант, Ин-т биохимии им. А.Н. Баха РАН
Напротяжении полутора веков, прошедших после первого издания «Происхождениявидов» Ч.Дарвина (1859), триада факторов эволюции «наследственность –изменчивость – естественный отбор» постоянно подвергалась нападкам. Открытиезаконов Г.Менделя, достижения популяционной и молекулярной генетики внесли, конечно,серьезные коррективы в первоначальные представления о процессе эволюции, ностержневая идея отбора уцелела.
Однаиз не решенных теорией эволюции проблем – появление в филогенезе новыхпризнаков. Считается, что они возникают при замене одних биологических функцийдругими, например парные плавники рыб заменились конечностями четвероногихназемных позвоночных, а затем передняя пара конечностей – крыльями, которыепоявились у птерозавров, птиц и рукокрылых млекопитающих.
Вто же время известно, что новые функции часто представляют собой результатзакрепления и дальнейшего усовершенствования отбором случайных макромутаций –скачкообразных изменений генетической информации, приводящих к обретениюорганизмом новых наследственных признаков, которые дают их обладателям те илииные преимущества в сравнении с исходным генотипом. В результате такие «удачныенаходки» закрепляются естественным отбором.
Ясно,что у организма уже должны существовать необходимые предпосылки, чтобы за счетодной макромутации или их небольшого числа возникла новая функция. Чем ближе кистокам жизни в эволюции появлялись новые биологические функции, тем труднееобъяснить, как это происходило. Так, до сих пор неизвестно, когда и как вклетках «обосновались» рибосомы. Столь же загадочно происхождение клеточныхмембран, самой генетической информации и т.д. и т.п.
В«Происхождении видов» Дарвина есть специальная глава «Частные трудности теорииестественного отбора». В ней рассматриваются в основном два примера –возникновение органов свечения у разных организмов и электрических органов урыб. Дарвин не смог объяснить появление этих органов, исходя из своей теории, ноему было ясно: их функции связаны с поведением животных. Мишенью отбора моглибыть лишь такие признаки неопределенной изменчивости, при наличии которых уотдельных особей несветящихся организмов вдруг возникало свечение, хорошозаметное в темноте, или когда у неэлектрических рыб внезапно рождались индивиды,генерирующие вполне ощутимые электрические разряды.
Какни странно, со времен Дарвина происхождению биолюминесцентных и электрическихорганов было посвящено сравнительно мало работ. За полтора столетия несформировалось общепризнанного мнения о том, как могли возникнуть эти феномены.Мы предлагаем читателю свою точку зрения, но только в отношениибиолюминесценции.
Светятся многие и по-разному
Биолюминесценциейназывают свечение живых организмов, хорошо видимое в темноте.
Сейчасизвестны многие сотни биолюминесцентных видов, даже родов насчитывается более700. Светиться способны бактерии, одноклеточные эукариотические организмы(жгутиконосные водоросли динофлагелляты, радиолярии), грибы и подвижныемногоклеточные животные разных типов – от полипов, медуз и гребневиков докальмаров, ракообразных и рыб. Большинство светящихся существ морские, срединих много глубоководных. Из наземных организмов светятся отдельные виды грибов,земляных червей, улиток, многоножек, комаров и жуков. Пресноводных биолюминесцентныхвидов пока обнаружено чрезвычайно мало: новозеландский брюхоногий легочныймоллюск Latia neritoides и несколько видов паразитических бактерий.
Умногоклеточных животных обычно излучает свет не все тело, а только специальныеклетки фотоциты, часто сгруппированные в особые органы свечения – фотофоры. Унекоторых рыб и кальмаров они очень сложно устроены (отражатель, линза и т.д.).Иногда фотофоры светятся непрерывно благодаря обитающим в них симбиотическимфотобактериям. Но обычно свечение импульсное, контролируемое нервной системой.Оно бывает внутриклеточным или секреторного типа. В последнем случае светящеесявещество (вернее, смесь продуктов синхронной секреции двух разных желез)извергается из организма в виде покрывающей его слизи или расплывается вокругнего в воде, как большое световое облако.
Субстраты и ферменты
В 1885 г. французский ученый и врач Р.Дюбуа доказал, что светящееся веществобиолюминесцентного организма состоит из двух компонентов и только один из нихустойчив к нагреванию до 60–100 °С. Позже выяснилось, что термостойкоенизкомолекулярное вещество, названное люциферином, представляет собой субстратбиолюминесцентной реакции, которую катализирует разрушающийся от нагреванияфермент люцифераза.
Названияэти условные, у разных организмов такие субстраты и ферменты совершеннонесхожи. В дальнейшем оказалось, что у некоторых организмов за свечениеответственны фотопротеины – стойкие комплексы люциферина и особого белка, которыйобычно «по совместительству» выполняет функции фермента люциферазы. У грибовлюциферазы вообще нет, люциферин светится без нее, реагируя с одной из активныхформ кислорода – супероксидом (рис. 1).
/>
Рис1.
Удивительно,что далеко не все светящиеся животные сами синтезируют свои люциферины. Особоговнимания заслуживает в этой связи целентеразин (от Coelenterata –кишечнополостные), производное имидазолпиразина. Он выполняет функциюлюциферина не только у кишечнополостных, но также у радиолярий, гребневиков, щетинкочелюстныхчервей, некоторых рыб и кальмаров, креветок и, наконец, веслоногих и ракушковыхпланктонных рачков. Возможно, многие из перечисленных животных не способны самисинтезировать целентеразин, а получают его, питаясь этими рачками. Такоепредположение высказал в 2001 г. американский ученый С.Хэддок, когда обнаружил, что медуза экворея утрачивает способность к биолюминесценции, если в ее рацион не входят светящиеся веслоногие рачки.
Ужеранее было известно, что так же обстоит дело с рыбами Porychthis и эвфаузиевымираками Meganyctiphanes. Первые получают люциферин от ракушковых рачков родаVargula (у них это варгулин – гетероциклическое соединение, несколькоотличающееся от целентеразина), вторые – от динофлагеллят, у которых рольлюциферина выполняет линейный тетрапирол, продукт разложения хлорофилла.
Помнению Л.Тиси и Дж.Мюррея, высказанному ими совсем недавно на Международномсимпозиуме по био- и хемилюминесценции, светляки тоже люциферин не синтезируют,а заимствуют у бактерий.
Междутем совсем недавно в Каспийском море, где никогда не было никаких светящихсяорганизмов, в том числе и планктонных рачков, вдруг появился новосел –гребневик Mnemiopsis leidui, уроженец Атлантики. Оказалось, что мнемиопсис и вКаспии продолжает светиться «назло Хэддоку» и, стало быть, сам синтезируетцелентеразин, а не заимствует его у рачков. Или, может быть, небиолюминесцентныекаспийские рачки, которыми он питается, целентеразин все-таки синтезируют, ноиспользуют по какому-то иному назначению, например, в качестве антиоксиданта?
Вполнеочевидно, что не могут питаться рачками и одноклеточные морские организмырадиолярии. Тем не менее и у них есть целентеразин. Как объяснить такие факты всвете данных Хэддока? Поступлением этого вещества с небиолюминесцентной пищей?Независимой эволюцией? «Кражей» генов, ответственных за синтез целентеразина?Пока эти вопросы остаются без ответа.
Приспособительный смысл свечения
Биолюминесцентныйсвет «холодный». Он не порождается высокой температурой источника, в отличие, например,от света обычной лампы накаливания. Тем не менее вряд ли какой-нибудь организмможет позволить себе роскошь светиться без надобности. Энергетически этослишком дорогое удовольствие. Немногие из светящихся организмов (колониибактерий, высшие грибы, многоножки, некоторые насекомые и др.) испускают светнепрерывно (статически), чем в темноте привлекают зрячих животных. Такой свет, какполагают, способствует попаданию светящихся паразитических бактерий в организмнового хозяина и распространению грибными комариками спор светящихся грибов.Мелких насекомых привлекает статическое свечение насекомоядных личинокновозеландских комаров Arachnocampa – они собственным телом подсвечивают своюловчую сеть.
Междутем огромное большинство биолюминесцентных существ, включая медузу экворею, генерируетболее или менее короткие (0, 1–1 с) световые вспышки в ответ на внешниемеханические и другие раздражения. Чаще всего такой свет дезориентирует зрячиххищников или отпугивает быстро движущихся крупных животных, способных повредитьжелеобразный светящийся организм (медузу, древовидную колонию полипов, гребневика)при случайном столкновении с ним. Поэтому защитная импульсная биолюминесценцияобычно возникает синхронно с двигательной реакцией испуга. У гребневиковBolinopsis, колониальных оболочников Pyrosoma, эвфаузиевых раков Meganyctiphanesтакая реакция механически потревоженной особи вызывает подражательное свечениедругих особей, находящихся поблизости.
Впрочих случаях статическое или импульсное свечение организмы используют длявнутривидовой коммуникации, в том числе как сигнал, привлекающий особей другогопола. Самки американского светляка Photuris versicolor вначале подманиваютспецифичной «световой морзянкой» самцов своего вида и спариваются с ними, азатем начинают генерировать «морзянку» для самцов чужого вида, чтобы закуситьими.
Углубоководных рыб удильщиков имеется надо ртом подвижный отросток – «удилище», –на кончике которого находится световая приманка для жертвы. Рыбы Malacosteusniger освещают ближнее пространство красным светом, более никому изглубоководных животных не видимым, и тем спасаются от врагов. Рыбы Leognathusequulus используют свечение своего брюха для маскировки на светлом фоне воднойповерхности и т.д.
Всегонасчитывается больше 30 биохимических вариантов биолюминесценции, возникших вэволюции независимо и в ряде случаев, видимо, недавно. О недавнем происхожденииотдельных вариантов свидетельствует видовая «чересполосица», т.е. близкоеродство светящихся и небиолюминесцентных видов. Так, те и другие присутствуют водном и том же роде у планктонных веслоногих рачков Oithona и Pseudocalanus илиу колониальных гидроидных полипов Obelia. У агариковых грибов Pannelusstipticus, встречающихся в Европе и Северной Америке, плодовые тела яркосветятся преимущественно у американских штаммов. У этих грибов, биолюминесцентныхфотобактерий и водорослей динофлагеллят часто возникают небиолюминесцентныемутанты. Сама же биохимическая природа свечения нередко существенно различаетсядаже у близких родичей, например у разных видов веслоногих, а также ракушковыхрачков.
Как возникли биолюминесцентные системы?
Итак,Дарвин отметил, что появление биолюминесценции трудно объяснить с позициитеории естественного отбора. Полезный эффект свечения всецело связан созрительным восприятием и ответным поведением животных. Следовательно, повышатьшансы выживания может только биолюминесценция, хорошо заметная в темноте. Крометого, световые вспышки должны быть приурочены ко вполне определенным ситуациям,скажем, сопровождать защитную двигательную реакцию, вызванную приближениемхищника, и отпугивать или дезориентировать его. Иначе свечение не даст никакойпользы, скорее нанесет вред.
Плавный,постепенный переход к свечению, хорошо заметному адаптированным к темнотеглазом, невозможен – ведь ниже порога видимости не будет влияния на отбор.Следовательно, у небиолюминесцентных видов должны время от времени возникатьмутанты, ярко светящиеся, например, при испуге, что повышает шансы спастись отхищника. Только так может начинаться процесс естественного отбора, приводящий кдальнейшему усовершенствованию биолюминесцентной системы.
Заметим,пока таких мутантов – «белых ворон» среди заведомо небиолюминесцентных видов –никто не видел, не искал, не пытался получить действием мутагенов. Описанытолько упомянутые уже штаммы гриба P. stipticus, несветящиеся мутантыфотобактерий и водорослей динофлагеллят.
Кислород и его активные формы
Чтоже служит непосредственной причиной свечения? Показано, что для свечения всегданеобходим молекулярный кислород или его активные формы. Атом кислорода, помимоосновного, устойчивого триплетного состояния, может находиться в несколькихнестабильных, или возбужденных, состояниях. Одно из них – синглетное. Возвратэлектронов из синглетного состояния в триплетное сопровождается испусканиемфотонов, правда, «маленьких», инфракрасных. Свечение же организмов обычно синееили зеленое.
Причина,как полагают, в том, что из возбужденного состояния в основное переходят сразудва или более атомов кислорода и энергии этих переходов суммируются.Одновременно рвутся О–О-связи в циклической и очень нестойкой диоксетановойперекиси, в которую превращается субстрат люциферин при окислении молекулярнымкислородом или его активными формами. Их несколько, но главных три: супероксид,перекись водорода (H2O2) и чрезвычайно агрессивный окислитель гидроксил-радикал(OH–).
Активныеформы кислорода (АФК) играют огромную роль в жизни организмов. С одной стороны,эти формы – «полуфабрикат» и «брак» дыхания митохондрий – способны окислять чтопопало в живом организме: ДНК, РНК, белки, липиды. Для защиты от этой опасностиорганизмы вынуждены постоянно синтезировать или потреблять с пищейразнообразные антиоксиданты (в их числе витамины А, С, Е,
-каротини др.), а также использовать такие ферменты, как супероксиддисмутаза, преобразующаяО2– в перекись водорода H2O2, и каталаза, ускоряющая образование воды изперекиси.
Сдругой стороны, в умеренных количествах АФК продуцируются в любом живомаэробном организме благодаря специальным ферментам, не связанным с процессомдыхания в митохондриях. АФК в низкой концентрации необходимы во многих жизненноважных процессах. Так, эти формы секретируются в импульсном режиме фагоцитами инекоторыми другими клетками для уничтожения паразитических микроорганизмов. АФКучаствуют в регуляции клеточного деления, оплодотворения яйцеклетки, а также взапуске «запрограммированной смерти» клеток (апоптоза), в управлении тонусомкровеносных сосудов и т.д. Недавно мы обнаружили, что клетки поверхности рядаводных многоклеточных животных, подобно фагоцитам, тоже выделяют АФК, вероятно,для защиты от гнилостной микрофлоры. Природными (абиогенными) источниками АФКслужат ионизирующая радиация, фото- и электрохимические реакции в воде. Вчастности, АФК образуются при фотолизе воды под действием УФ-излучения.
Мызатронули эти сложные вопросы потому, что работы последних лет доказывают:практически любой люциферин – высокоэффективный антиоксидант, а некоторыелюциферазы – пероксидазы. Ферменты такого типа могут дезактивировать H2O2, окисляяс ее помощью определенные субстраты.
Такимобразом, вполне возможно, что субстраты и ферменты биолюминесцентных реакцийвыполняют функции антиоксидантов у ближайших несветящихся родичейбиолюминесцентных организмов. Поэтому достаточно одной малой наследственной«поломки» исходной (антиоксидантной) реакции, чтобы в ходе ее появилось хорошозаметное свечение и возник новый признак – биолюминесценция. Его можетзакрепить естественный отбор.
Какуже говорилось, природой таких предполагаемых нами «излучающих» мутаций пока, ксожалению, никто специально не занимался. Само их обнаружение – дело будущего.
Единогомнения о том, какие именно «добиолюминесцентные» функции выполняли молекулылюциферина и люциферазы, у ученых нет.
Одновремя думали, что люциферазы произошли от ферментов, которые некогда, на заре жизни,защищали организмы от молекулярного кислорода, появившегося в атмосфере вбольших количествах в связи с фотосинтезом. Позже, однако, выяснилось, что этиферменты у разных групп организмов не сходны между собою. В эволюционномотношении они, видимо, гораздо моложе, чем сравнительно менее разнообразныелюциферины, их субстраты. Да и биолюминесценция обретена многими организмами, какуже говорилось, не так уж давно и независимыми путями.
В 1998 г. группа ученых во главе с Ж.Р. Рийзом (Бельгия) предложила гипотезу, согласнокоторой «добиолюминесцентная» функция люциферинов состояла в защите морскихорганизмов от АФК, образующихся в верхних слоях океана под действиемультрафиолета. Если такой организм переселялся на большую глубину, антиоксидантытам, в темноте, ему становились не нужны, и их можно было использовать длясвечения.
Другиеавторы полагают, что люциферины могли предохранять организм от собственных АФК– «неизбежного зла» при аэробном дыхании. Как известно, далеко не весь кислородвосстанавливается в основной дыхательной цепи митохондрий. Нет-нет даобразуются АФК и начинают «бесчинствовать» в клетках. Чем больше потребляетсякислорода, тем больше этого «брака». От него-то, считают, и спасали«пробиолюминесцентные» системы.
Потретьей версии, люциферины в большинстве своем – «вещества-чужаки»(ксенобиотики), попадающие в организм с пищей, а перекисное окисление уменьшаетих токсичность.
Наконеци 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, чтобиолюминесцентными бывают главным образом клетки, по тем или иным причинам самисекретирующие АФК в повышенных количествах с помощью специальных ферментов, которыене связаны с митохондриями. Так, у некоторых дождевых червей и колониальныхасцидий, если их потревожить, начинают ярко светиться фагоциты, выходящие наповерхность тела вместе с целомической жидкостью и разрушающиеся там (у асцидий– под прозрачной мантией). Напомним, что одна из функций фагоцитов – импульснаясекреция АФК для уничтожения бактерий.
Убольшинства других многоклеточных животных ярко светятся фотоциты, расположенныена поверхности тел или, как у кишечнополостных и гребневиков, – в энтодерме.
Эпителиальныеклетки, которые выделяют в воду светящиеся вещества, сами способны производитьАФК в импульсном режиме, видимо, в качестве антимикробного средства. Это толькочто подтвердили наши эксперименты.
«Рекордсмены»в отравлении окружающей среды активными формами кислорода и особым ядомсакситоксином – морские планктонные динофлагелляты, в том числе светящиеся, чрезмерноеразмножение которых является причиной так называемых красных приливов, губительныхдля всего живого, кроме самих водорослей.
Неисключено, что и фотобактерии, паразиты и симбионты, выбрасывают АФК вокружающую среду. У ряда видов паразитических небиолюминесцентных бактерийтакая 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.
Такимобразом светятся (постоянно или в импульсном режиме) в основном клетки, которыесами секретируют АФК для той или иной цели, главным образом для защиты. Поэтомумы полагаем, что биолюминесценция – это результат наследственных изменениймеханизмов, 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 молекулярнымкислородом, а с АФК. Подобным образом излучают свет в эксперименте люциферинракушковых рачков рода Vargula и фотопротеин двустворчатых моллюсков родаPholas (оба эти соединения – варгулин и фолазин – используют каксверхчувствительные индикаторы АФК).
Выделениесветящихся соединений во внешнюю среду водными организмами напоминает защитныйприем наземного жука бомбардира (род Brachinus). Потревоженный, он довольнометко стреляет во врагов жгучей смесью трех веществ: восстановленного субстрата(гидрохинона), фермента (пероксидазы) и перекиси водорода. Мы не исключаем, чтов состав излучающих веществ, выбрасываемых водными животными, первоначальнотоже входила (или даже входит, это не проверено) в качестве третьего компонентаперекись водорода или другие АФК и что светящаяся смесь происходит от жгучейзащитной смеси.
Естьмного примеров, подтверждающих связь биолюминесценции с активными формамикислорода. Приведем некоторые.
Умногощетинковых червей из семейства Polynoidae внутриклеточные световые вспышкивызываются образованием супероксида в своеобразных клеточных органоидах –люмисомах. Продуцируется он специальным ферментом, активируемым повышеннойцитоплазматической концентрацией ионов кальция. А светится от супероксидадругой, находящийся в тех же клетках белок, полиноидин.
Удинофлагеллят и морских перьев рода Renilla люциферин не может реагировать слюциферазой и кислородом, пока остается связанным с особым белком. Когда клеткавозбуждена, в ней повышается концентрация Ca2+, что влечет за собойвысвобождение люциферина. Только после этого он может реагировать с кислородоми люциферазой.
Наконец,у радиолярий, гидроидных полипов и гребневиков белок, который связан слюциферином, обрел функцию люциферазы, вероятно, вторично в процессе эволюции.Достаточно лишь повысить концентрацию Ca2+ в клетке – и перекись люциферина, будучив комплексе с таким белком, начинает светиться при распаде. С эволюционнойточки зрения немаловажно, что кроме ионов кальция свечение подобныхфотопротеинов могут вызывать активные формы кислорода.
Итак,у разных организмов импульсное свечение обеспечивается отнюдь не одинаково. Уасцидий, многощетинковых и дождевых червей оно связано с импульсной генерациейсамих АФК. У динофлагеллят и морских перьев – с порционным выбросом люциферина– антиоксиданта, защищающего организм от повреждений, вызываемых этимиагрессивными окислителями. У светляков вспышки создаются, как полагают, сложныммеханизмом импульсной подачи кислорода к месту внутриклеточной локализациилюциферина и люциферазы. Мы здесь рассматривать этот механизм не будем. Важнеепопытаться ответить на вопрос: как у несветящихся родителей может вдругпоявиться более или менее ярко светящийся потомок?
Данныхпока нет, поэтому остается лишь предполагать. В одних случаях может изменятьсяреакция синтеза того или иного антиоксиданта и в результате – его структура.Обновленный антиоксидант начинает ярко светиться, реагируя с АФК. В другихслучаях антиоксидант (свой или полученный с пищей) в результате мутациипопадает в клетки, где присутствует фермент – будущая люцифераза, и тогда яркоесвечение в реакции с молекулярным кислородом или перекисью водорода обеспечено.Если же мутация меняет структуру фермента, с участием которого окисляетсявосстановленный субстрат, такой процесс тоже может сопровождаться свечением.
Этонаши соображения по поводу возникновения биолюминесценции – эволюционногособытия, которое великий Дарвин затруднялся объяснить, исходя из своей теории.Конечно, не исключены и другие точки зрения.
Список литературы
Дляподготовки данной работы были использованы материалы с сайта bio.1september.ru