Флуоресценция у животных
Несмотря на то, что флуоресценцию не так сложно изучать, мы знаем удивительно мало о её экологии. Это странновато, особенно если учесть что поляризационное зрение и поляризованные сигналы изучены достаточно хорошо, хоти их исследование требует гораздо более сложной физики и методов. Напротив, лишь немногие люди изучали флуоресцентные сигналы в сравнительном и экологическом контексте. Подавляющее большинство исследований в области биологической флуоресценции посвящено измерению слабой флуоресценции хлорофилла в океане и поискам у природы пригодных для микроскопии флуоресцентных меток. Это досадно, поскольку на этом поле, вероятно, много лежащих на поверхности открытий, просто ждущих, когда их соберут исследователи, оснащенные только источниками света, фильтрами и светлыми головами.
Среди животных значительная видимая для человека флуоресценция наблюдается у стрекающих (кораллов, анемонов и гидроидных медуз, но не у сцифоидных или кубомедуз), биолюминесцентных гребневиков, нескольких видов веслоногих рачков, различных видов высших раков, прыгающих пауков и скорпионов, определенных полихет (многощетинковых червей), голожаберных, головоногих моллюсков и различных рыб и птиц. Этот список далеко не исчерпывающий, но должен дать представление о разнообразной и неоднородной природе явления. Однако, прежде чем обсуждать их возможные функции, важно упомянуть что многие повсеместно распространённые биологические молекулы являются флуоресцентными (рисунок 7.4).
Хлорофилл, некоторые витамины и коферменты, а также множество зрительных и тканевых пигментов (особенно каротиноиды) флуоресцируют. Флуоресценция также наблюдается в кутикуле многих членистоногих (например, эвфаузиевые креветки и скорпионы), хотя флуоресцирует не сам хитин, а второстепенный молекулярный компонент. В то время как многие флуоресцирующие биологические молекулы имеют спектры возбуждения и эмиссии в ультрафиолетовом диапазоне (и, следовательно, менее вероятно, что они служат зрительной функции), все ещё существует много других, в которых оба спектра в основном находятся в видимом диапазоне. Однако даже заметная флуоресценция часто может быть просто неизбежным побочным эффектом поглощения света. Помните, что прежде всего флуорофор – это поглотитель. Таким образом, только то, что некоторые виды скорпионов светятся зелёным или синим под УФ-светом, совсем не означает, что их флуоресценция выполняет экологическую функцию.
Важно помнить про повсеместность и часто несущественный характер флуоресценции, иначе легко увлечься, рассматривая изображение флуоресцирующего животного. Как я упоминал ранее, большинство флуоресценции у животных обнаруживается путем освещения образца ярким коротковолновым светом (обычно ближним УФ и синим), а затем просмотра его через фильтр, блокирующий волны падающего света, но не длины волн эмиссии. Это хороший способ обнаружить и отобразить флуоресценцию, но с помощью этого метода также можно преувеличивать её важность. Например, одними из самых флуоресцирующих «естественных» веществ, которые мне доводилось видеть, являются хлопья для завтрака «Froot Loops». Осветите чашку с ними синим светом, а затем просмотрите через блокирующий синий свет фильтр, и я гарантирую, что вы будете впечатлены (и, возможно, откажетесь снова есть их когда-либо). Однако при нормальном освещении они не выглядят чем-то особенным. Даже при просто синем свете (без фильтра) вы заметите только, что хлопья немного более оранжевые и красные, чем они должны быть. То же самое касается почти всех флуоресцентных животных. Даже поразительные флуоресцентные кораллы выглядят только немного более красочными, если на глубине смотреть на них без специальных фильтров. В реальности, если вы не знаете что искать, то, скорее всего, вообще не заметите дополнительный цвет.
Всё это подразумевает несколько вещей. Во-первых, как всегда, не влюбляйтесь в красивые фотографии, сделанные в лаборатории. Ничто не заменит полевых исследований и наблюдений за организмом под естественным освещением. Во-вторых, флуоресценция, скорее всего, будет иметь экологическое значение, если она встречается в среде с ярким, почти монохроматическим коротковолновым светом. Двумя основными случаями этого являются прозрачная вода глубинами от 10 до 100 метров и излучающие синий свет фотофоры. Освещённость монохроматическим светом на более длинных волнах тоже может работать, но поскольку флуоресценция испускает свет с более длиной волной, чем падающий, и должна быть достаточно спектрально отделена от него чтобы иметь какой-то реальный биологический смысл, очень скоро флуоресцентный свет для больших длин волн выйдет за пределы видимого спектра. Поэтому скорее его можно найти в коралловых рифах, чистых озёрах, эпипелагических зонах тропиков и в фотофорах. В-третьих, для того, чтобы флуоресценцию можно было увидеть с любым реальным контрастом, наблюдатель должен быть менее чувствительным к более короткой длине волны света (падающему свету) в окружающей среде. Как мы обсуждали в главе 4, визуальные пигменты имеют широкие спектры поглощения, поэтому наилучшим способом ограничить коротковолновую чувствительность является наличие фильтра, блокирующего коротковолновый свет. Таким образом потенциальный наблюдатель флуоресценции скорее всего будет имеет фильтр, также вероятнее всего выглядящий жёлтым. Интересно, что хрусталики и роговицы у довольно большого количества рыб из коралловых рифов являются жёлтыми, что может быть вызвано оптимизацией для наблюдения за флуоресценцией (Marshall and Johnsen, prep).
Итак, какие функции флуоресценции являются гипотетическими, а какие были подкреплены доказательствами? Вероятно, единственный случай, когда функциональная роль флуоресценции была достаточно убедительно доказана, это её оптическая роль в биолюминесценции. Многие фотоциты, особенно у стрекающих, используют зелёный флуоресцентный белок для преобразования спектра испускаемого ими света от синего до зелёного (Haddock et al., 2009) (рисунок 7.5).
Учитывая, что прибрежные воды передают зелёный свет на большую дистанцию, чем синий, и что биолюминесценция прибрежных видов (включая стрекающих) в основном зелёная (Haddock et al., 2010), возможно, что это делается для повышения видимости. Помимо этого, хотя глубоководные виды более чувствительны к синему свету, прибрежные и мелководные виды более чувствительны к зелёному свету, делая зелёную биолюминесценцию визуально более эффективным сигналом. Кроме того, как мы обсуждали в главе 3, флуорофоры, по-видимому, используются некоторыми биолюминесцентными видами, чтобы делать красный свет из света с короткой длиной волны. Конечно, можно придраться к любому адаптивному аргументу, но я согласен держать спор на небольшую ферму, что флуорофоры в фотофорах предназначены для модулирования спектра испускаемого света.
Если отойти от фотофоров, всё сразу становится менее ясным. Возможно, наиболее ярко флуоресцирующие таксоны (по крайней мере, в морском мире) – кораллы и анемоны. Рифосоздающие кораллы, в частности, весьма флуоресцентные, и почти все из них показывают зелёную и красную флуоресценцию, связанную с зелёным флуоресцентным белком (Matz et al., 1999). Однако кораллы не являются биолюминесцентными, в результате чего функция флуоресцентного белка неясна. Две основные гипотезы заключаются в том, что белок либо (1) обеспечивают фотозащиту путем поглощения коротковолновых фотонов с большей энергией и перевода их в фотоны с меньшей, и, следовательно, менее разрушительной энергией, или (2) улучшают фотосинтез симбиотических зооксантелл, переводя входящий свет в свет длин волн, который более эффективно ими поглощается. Обе гипотезы правдоподобны, но ни одна из них не доказана. Фактически были найдены некоторые доказательства против обоих гипотез (обзор Mazel and Fuchs, 2003).
Отходя из кораллов – только в нескольких исследованиях был рассмотрен потенциал флуоресценции в качестве сигнальной системы. Например, несколько видов ротоногих имеют флуоресцентные жёлтые метки на своих усиках (Вклейка. 7) (Mazel et al., 2004).
Мы обсудили ротоногих в главе 3 по поводу сонолюминесценции и обсудим снова в главе 8 относительно их способности видеть свет линейной и круговой поляризации. Флуоресцентные антенные чешуйки ротоногого Lysiosquillina glabriuscula демонстрируются как представителям своего вида, так и хищникам в обычной угрожающей позе. Животное находится в монохроматической синей среде, и его двенадцатипигментная визуальная система сильно фильтрует свет, так что контраст, создаваемый флуоресценцией, является существенным. Расчеты Мазеля и др. (2004) показали, что флуоресценция делает участки, на которых она находится, светлее примерно на 30% (с точки зрения животного). Это является хорошим косвенным доказательством того, что флуоресценция играет определенную роль, но до сих пор гипотеза не была подтверждена экспериментом (по крайней мере, опубликованным).
Предполагалось, что флуоресценция может быть вовлечена в сигнальную систему у рыб. Недавнее исследование красной флуоресценции среди рыб коралловых рифов (Michiels et al., 2008) обнаружило тридцать два вида из шестнадцати родов, проявлявших значительную красную флуоресценцию при отфильтрованном освещении. В общем случае, за флуоресценцию, по-видимому, ответственны вещества, находящиеся в рыбьей чешуя наряду с кристаллами гуанина. Однако, за некоторыми исключениями, флуоресцентные области не были заметными (или даже красными) под светом обычного спектра. К сожалению, фотографии рыб под естественным подводным освещением без фильтров не были представлены, поэтому трудно определить, насколько флуоресценция влияет на внешний вид рыб в дикой природе. Одна из рыб, бычок Eviota pellucida, имеет зрительный пигмент, делающий её чувствительной к своей собственной красной флуоресценции. Однако, поскольку зрительные пигменты других рыб не были протестированы, это может быть просто случайным совпадением, поскольку чувствительность к красному свету не особенно редка у приповерхностных рыб.
Пока что лучшим доказательством флуоресценции в качестве усилителя сигнала является ловкое исследование на волнистом попугайчике Melopsittacus undulates (Arnold et al., 2002). У этой птицы очень флуоресцентны макушка и щёчные перья, используемые при ухаживании обоими полами. Спектр возбуждения приходится на ближний ультрафиолет, а спектр эмиссии является широким, достигая максимума в жёлтом цвете. Расчеты показали, что такая флуоресценция делает оперение примерно на 14% ярче для зрительной системы птиц. Чтобы определить, влияет ли это на ухаживание, Кэтрин Арнольд и ее коллеги Ян Оуэнс и Джастин Маршалл размазывали солнцезащитный крем на головах птиц (контрольные птицы были смазаны вазелином, который не поглощает УФ-излучение). Так было устранено возбуждение от УФ-излучения и, следовательно, флуоресценция. Поскольку по существу перья не отражают, а только поглощают УФ-излучение, эксперимент не повлиял на видимость в ультрафиолетовых длинах волн. Они обнаружили, что при выборе противоположного пола как самцы, так и самки последовательно предпочитали птиц без солнцезащитного крема. Однако при наблюдении за птицами одного и того же пола никаких предпочтений не было обнаружено. Птицы не могли чувствовать запаха друг друга, поэтому маловероятно, что повлиял запах солнцезащитного крема. Вместе всё это говорит о том, что флуоресценция оперения важна при выборе партнёра.
Учитывая простоту проведения последнего эксперимента, вы могли бы подумать, что он был поставлен на других животных за последние восемь лет, но, к сожалению, предыдущие несколько абзацев умещают в себе всю полноту того, что известно об экологии флуоресценции животных. Я участвовал в нескольких исследовательских круизах с Михаилом Мацем, в ходе которых он нашел ряд потенциальных примеров значимой флуоресценции, в том числе флуоресцентных акул, яркие флуоресцентные глаза у рыб и веслоногих рачков, у последних ещё и яркая флуоресценция антенн самцов. Всё очень многообещающе, но пока ничего не известно точно. Экология флуоресценции по-прежнему является передним рубежом научных исследований.