Это один из типичных признаков лета в некоторых частях северного полушария нашей планеты: мерцающие в ночи светлячки. Способность светлячков производить собственный свет называется биолюминесценцией, которая обнаружена у некоторых животных, бактерий и грибов по всему миру. Большинство этих существ живут в пещерах или океанах. Но лишь немногие обитают там, где их могут увидеть люди, в том числе более 2 тысяч видов жуков, составляющих семейство светлячков.
Итак, мы знаем, как называется эффект. Но как именно светлячки (семейство Lampyridae) создают эти свои световые шоу?
Ключом к их свету является химическая реакция, основанная на соединении под названием люциферин, рассказал Тимоти Фэллон (Timothy Fallon), биохимический генетик из Калифорнийского университета в Сан-Диего, США.
Люциферин производит свет, теряя электроны — процесс, называемый окислением — в присутствии аденозинтрифосфата (АТФ), молекулы, обеспечивающей клетки энергией, и магния. Эту реакцию опосредует фермент люцифераза. У светлячков на брюшке есть органы света, где происходят все эти реакции, которые содержат слой кристаллизованной мочевой кислоты, помогающая отражать и усиливать свет.
Эта система использования люциферина и люциферазы развивалась у биолюминесцентных животных независимо несколько раз, в том числе у другой группы светящихся жуков, называемых Sinopyrophoridae.
Лишь в последние несколько сотен лет учёные начали понимать, как некоторые живые существа способны производить свет. Одним из первых, кто добился прогресса в этом вопросе, был член Королевского общества 17-го века в Оксфорде, который выявил, что для свечения биолюминесцентного гриба необходим воздух.
Действительно, кислород является одним из основных ингредиентов биолюминесценции светлячков.
Для светлячков свечение начинается рано. Куколки и даже яйца тоже способны производить свет, возможно, это сигнал хищникам о том, что они несъедобны, поскольку некоторые из них ядовиты из-за химических веществ, называемых люцибуфагинами, которые они синтезируют из своего рациона. Когда светлячки завершают метаморфизацию и достигают зрелого возраста, у них образуются новые органы света. Но в целом система та же самая: свет исходит изнутри специальных клеток, находящихся в световых органах на нижней стороне некоторых светлячков, окрашивая их в жёлтый, оранжевый, зелёный или даже синий цвет.
Эти клетки наполнены люциферином и люциферазой, а также необычно большим количеством митохондрий. Эти крошечные органеллы вырабатывают АТФ, необходимый светлячкам для запуска химической реакции. Светлячки включают и выключают свой свет с помощью потока кислорода к этим клеткам. Нет кислорода — темнота. Много кислорода? Получается свечение.
Этот выключатель света важен для светлячков восточного побережья США, которые используют мигающие сигналы во взрослом возрасте, чтобы найти подходящего партнёра для размножения. Найти пару, будучи жуком, может быть сложно, и каждый мигающий вид разработал свою собственную световую последовательность, чтобы отличаться от других. Это делает биолюминесценцию «азбукой Морзе любви в свете», сказала Линн Фауст (Lynn Faust), независимый исследователь светлячков из Ноксвилла, штат Теннесси. «С их крайне короткой взрослой жизнью, это гонка со временем», чтобы найти партнёра.
Исследователи продвинулись далеко в понимании науки о биолюминесценции светлячков. Но бесчисленное множество видов светлячков в Азии и Африке остаются незадокументированными, и учёные всё ещё пытаются понять, как жуки впервые развили свою способность светиться в темноте 130-140 миллионов лет назад, согласно исследованию, опубликованному на базе препринтов BioRxiv.
«Самые большие вопросы, на которые ещё нет ответа, это, например, какие гены задействованы в биолюминесценции?», — сказал Фэллон.
Значительный прорыв в этом направлении произошёл в 1985 году, когда исследователи обнаружили ген, отвечающий за выработку люциферазы. Этот фермент теперь используется в биомедицинских исследованиях для искусственного освещения специфических белков в растениях и животных. В 2024 году исследователи из Уханя, Китай, обнаружили ещё два гена у Aquatica leii, редкого водного светлячка, которые, как они подозревают, могут способствовать расположению фонаря — светящегося органа взрослого светлячка — в брюшной полости и активировать гены, генерирующие свет, такие как люцифераза.
Помимо расшифровки биолюминесценции светлячков, учёные продолжают изучать, что заставляет светлячков светиться в дикой природе. Стоит отметить, что в последние годы численность светлячков сокращается, в основном из-за светового загрязнения, утраты среды обитания и изменения климата.
«Мы знаем так мало» о светлячках в их естественной среде обитания, сказала Фауст. «Как мы можем сохранять и защищать [их], если едва понимаем их самые базовые потребности?»