Waarom gloeien kwallen. De meest verbazingwekkende lichtgevende levende wezens. Gifkwal - Zeewesp

Glow wordt beschouwd als een veel voorkomend verschijnsel in de natuur. Daarom wordt het vermogen om licht uit te zenden door een eenvoudige chemische reactie, of bioluminescentie, aangetroffen in ten minste 50 verschillende soorten schimmels, vuurvliegjes en zelfs angstaanjagend zeeleven. Met behulp van deze reactie hebben lichtgevende wezens veel voordelen voor zichzelf: ze verdrijven roofdieren, trekken prooien aan, ontdoen hun cellen van zuurstof of gaan eenvoudigweg om met het bestaan ​​​​in de eeuwige duisternis van de diepten van de oceaan.

Op de een of andere manier is luminescentie een van de meest ingenieuze hulpmiddelen van het leven, en we zullen je een lijst presenteren met de meest ongewone en vreemde wezens die in het donker kunnen gloeien. Veel van deze soorten zijn momenteel te zien in het American Museum of Natural History in New York.

Vrouwelijke en mannelijke zeeduivel

helse inktvis

Gloeiende kwallen

Wat voor ongewone en verbazingwekkende wezens zul je niet tegenkomen in de zee of in de diepten van de oceaan. De volgende groenomrande paarse wezens leven in de Stille Oceaan voor de kust van Noord-Amerika. Deze kwallen zijn in staat om twee soorten gloed tegelijk te genereren. Bioluminescent heeft een paarsblauwe gloed en wordt geproduceerd door een chemische reactie tussen calcium en eiwit. En deze reactie veroorzaakt op zijn beurt een gloed rond de rand van de kwal, waardoor een groen fluorescerend eiwit wordt gevormd, en dan een groene gloed. Wetenschappers gebruiken deze eigenschap van het wezen op grote schaal om de visualisatie van processen in het lichaam te bestuderen.

vuur water

Er zijn toch maar weinig mensen die weten dat er in de natuur een fenomeen bestaat dat kan worden vergeleken met een lichtgevende oceaan. Niemand zou echter weigeren persoonlijk de helderblauwe neonbranding van de oceaan te observeren. Het water is namelijk gevuld met dinoflagellaten, eencellige planktonische wezens met staarten, die verspreid liggen over indrukwekkende gebieden voor de kust. Wetenschappers geloven dat deze wezens al een miljard jaar op onze planeet wonen, en de afgelopen millennia hebben verbaasde mensen de neiging gehad om dit fenomeen toe te schrijven aan de mysterieuze magie van de zeegoden.

grote mond

Om te foerageren voor zijn eigen voedsel, gebruikt deze vis eerst bioluminescentie om fluorescentie te veroorzaken in de vorm van rode lichten in het gebied bij de neus, en zendt dan rode pulsen uit om garnalen te detecteren. Wanneer de prooi wordt gevonden, wordt het signaal vrijgegeven en wordt de kaak geactiveerd. Het ingenieuze roofdier maakt gebruik van het feit dat garnalen, net als veel andere bewoners van de zee, geen rood licht kunnen herkennen.

sistellaspice garnalen

Niet alle garnalen zijn echter zo kneedbaar en gemakkelijk toegankelijk voor roofdieren. Zo hebben sistellaspis-garnalen een uitstekende bescherming, ook tegen grote monden. Deze garnalen ontwapenen roofdieren door een smerige gloeiende vloeistof uit hun staart te spuwen recht voor hun mond.

koraal muur

Op de Kaaimaneilanden is een 300 meter hoge bloederige muur van gloeiend koraal ontdekt. Dit interessante fenomeen werd mogelijk dankzij het feit dat veel bioluminescente wezens hier hun toevlucht hebben gevonden. Veel duikers maken foto's van hoe koralen hun rode kleur veranderen in een verbazingwekkende groene gloed.

V. LUNKEVICH.

Valeryan Viktorovich Lukevich (1866-1941) - bioloog, leraar, uitstekende popularisator.

Rijst. 1. Nachtlampje "Zeekaars".

Rijst. 3. Visvisser.

Rijst. 4. Gloeiende vissen.

Rijst. 6. Koraaltak met lichtgevende poliepen.

Rijst. 5. Lichtgevende koppotigen.

Rijst. 7. Vrouwelijke vuurvlieg.

Rijst. Fig. 8. Het luminescentie-orgaan in een koppotig weekdier: a - het lichte deel, dat op een lens lijkt; b - binnenste laag van lichtgevende cellen; c - laag zilverachtige cellen; d - laag donkere pigmentcellen.

Wie van ons heeft op een warme zomeravond niet de groenachtige lichten van vuurvliegjes moeten bewonderen, die in verschillende richtingen door de lucht schieten? Maar hoeveel mensen weten dat niet alleen sommige insecten, maar ook andere dieren, vooral de bewoners van de zeeën en oceanen, het vermogen hebben om te gloeien?

Iedereen die de zomer aan de kust van de Zwarte Zee heeft doorgebracht, is meer dan eens getuige geweest van een van de mooiste spektakels van de natuur.

De nacht komt eraan. De zee is kalm. Kleine rimpelingen glijden over het oppervlak. Plotseling flitste een heldere streep op de top van een van de dichtstbijzijnde golven. Achter haar flitste er nog een, een derde... Het zijn er veel. Ze zullen even schitteren en samen met de gebroken golf vervagen om weer op te lichten. Je staat als betoverd te kijken naar de miljoenen lichten die de zee met hun licht overspoelen, en je vraagt ​​- wat is hier aan de hand?

Dit mysterie is al lang door de wetenschap opgelost. Het blijkt dat miljarden microscopisch kleine wezens die bekend staan ​​als nachtlampjes licht uitstralen (Fig. 1). Warm zomerwater bevordert hun voortplanting, en dan razen ze in ontelbare hordes over de zee. In het lichaam van elk van deze nachtlampjes zijn gelige ballen verspreid, die licht uitstralen.

Laten we nu "snel vooruitspoelen" naar een van de tropische zeeën en in zijn wateren duiken. Hier is de foto nog mooier. Nu zwemmen er vreemde dieren in een bezadigde menigte, nu alleen: ze zien eruit als paraplu's of bellen gemaakt van dichte gelei. Dit zijn kwallen: groot en klein, donker en lichtgevend, soms blauw, soms groen, soms geel, soms roodachtig. Tussen deze mobiele veelkleurige "lantaarns" drijft een gigantische kwal rustig, langzaam, waarvan de paraplu een diameter heeft van zestig tot zeventig centimeter (Fig. 2). Vissen die licht uitstralen zijn in de verte te zien. De vismaan raast hals over kop, zoals de maan tussen andere lichtgevende vissterren. Een van de vissen heeft ogen die fel branden, een andere heeft een proces op zijn kop waarvan de bovenkant lijkt op een brandende elektrische lamp, de derde heeft een lang snoer met aan het uiteinde een "zaklamp" (Fig. 3) bovenkaak, en sommige lichtgevende vissen zijn volledig gevuld met glans dankzij speciale organen die langs hun lichaam zijn geplaatst als elektrische gloeilampen die aan een draad zijn gespannen (fig. 4).

We gaan naar beneden - naar waar het licht van de zon niet meer doordringt, waar, zo lijkt het, eeuwige, ondoordringbare duisternis zou moeten zijn. En hier en daar branden "vuren"; en hier wordt de duisternis van de nacht doorgesneden door stralen die uit het lichaam van verschillende lichtgevende dieren komen.

Lichtgevende wormen en weekdieren zwermen op de zeebodem tussen stenen en algen. Hun naakte lichamen zijn bezaaid met schitterende strepen, vlekken of stippen, zoals diamantstof; op de richels van onderwaterrotsen pronken zeesterren overspoeld met licht; de rivierkreeft schiet onmiddellijk naar alle uiteinden van zijn jachtgebied en verlicht het pad ervoor met enorme, verrekijkerachtige ogen.

Maar het meest magnifieke van alles is een van de koppotigen: het baadt allemaal in de stralen van een felblauwe kleur (fig. 5). Een moment - en het licht ging uit: net de elektrische kroonluchter uitgezet. Dan verschijnt het licht weer - eerst zwak, dan steeds feller, nu werpt het al paars - de kleuren van de zonsondergang. En daar gaat het weer uit, om weer een paar minuten op te flakkeren met de kleur van delicaat groen blad.

In de onderwaterwereld zie je andere kleurrijke schilderijen.

Laten we ons de bekende tak van rood koraal herinneren. Deze tak is de thuisbasis van dieren die heel eenvoudig zijn in organisatie - poliepen. Poliepen leven in uitgestrekte kolonies die op struiken lijken. Poliepen bouwen hun huizen van kalk of hoornstof. Dergelijke woningen worden poliepopstanden genoemd en een tak van rood koraal is een deeltje van de poliep. Onderwaterrotsen zijn op sommige plaatsen volledig bedekt met een heel bos koraalstruiken in verschillende vormen en kleuren (Fig. 6) met veel kleine kasten waarin honderdduizenden poliepen zitten - dieren die eruitzien als kleine witte bloemen. In veel poliepen lijken de poliepen te zijn gehuld in vlammen, gevormd door talloze lichten. De lichten branden soms ongelijkmatig en met tussenpozen en veranderen van kleur: ze schitteren plotseling met een violet licht, veranderen dan in rood, of ze schitteren met een lichtblauw en, nadat ze een hele reeks overgangen van blauw naar groen hebben doorlopen, bevriezen ze in de kleur van een smaragd of uitgaan, zwarte schaduwen om zich heen vormend, en daar weer flitsende iriserende vonken.

Er zijn lichtgevende dieren onder de bewoners van het land: het zijn bijna volledig kevers. Er zijn zes soorten van dergelijke kevers in Europa. In tropische landen zijn ze veel meer. Ze vormen allemaal één familie van lampyriden, dat wil zeggen vuurvliegjes. De "verlichting" die soms door deze insecten wordt geregeld, is een zeer spectaculair gezicht.

Op een avond zat ik in de trein van Florence naar Rome. Plots trokken vonken die in de buurt van de auto vlogen mijn aandacht. In het begin zouden ze kunnen worden aangezien voor vonken die door de schoorsteen van een locomotief worden gegooid. Toen ik uit het raam keek, zag ik dat onze trein vooruitsnelde door een lichte, transparante wolk geweven van kleine goudblauwe lichtjes. Ze fonkelden overal. Ze cirkelden, doorboorden de lucht in stralende bogen, sneden het in verschillende richtingen, kruisten, verdronken en laaiden weer op in de nachtmist, stortten neer op de grond in een vurige regen. En de trein raasde verder en verder, gehuld in een magische sluier van licht. Vijf minuten, of zelfs meer, duurde dit onvergetelijke schouwspel. Toen barstten we uit de wolk van brandende splinters en lieten ze ver achter ons.

Het waren ontelbare vuurvliegkevers, onze trein stortte neer in het midden van deze onopvallend uitziende insecten, verzameld op een stille, warme nacht, blijkbaar in de paartijd van hun leven. (Een soortgelijk fenomeen kan niet alleen worden waargenomen in de mediterrane landen, maar ook hier in Rusland. Als u op een warme en regenachtige avond in de tweede helft van de zomer met de trein naar de kust van de Zwarte Zee rijdt, observeert u het extravaganza beschreven door de auteur in de buurt van Toeapse, veel tunnels, een overvloed aan bochten en een enkel spoor, de trein gaat niet erg snel en de vlucht van vuurvliegjes wordt gezien als een betoverend gezicht. Yu.M.)

Bepaalde soorten vuurvliegjes zenden licht uit met een relatief hoge intensiteit. Er zijn vuurvliegjes die zo fel gloeien dat je aan een donkere horizon van veraf niet meteen kunt bepalen wat er voor je is - een ster of een vuurvlieg. Er zijn soorten waarin zowel mannetjes als vrouwtjes even goed gloeien (bijvoorbeeld Italiaanse vuurvliegjes). Ten slotte zijn er dergelijke soorten insecten waarbij het mannetje en het vrouwtje verschillend gloeien, hoewel ze er hetzelfde uitzien: het luminescentie-orgaan van het mannetje is beter ontwikkeld en werkt energieker dan het vrouwtje. Wanneer het vrouwtje onderontwikkeld is, slechts rudimentaire vleugels heeft of volledig vleugelloos is, en het mannetje normaal ontwikkeld is, dan wordt iets anders waargenomen: bij het vrouwtje functioneren de luminescentie-organen veel sterker dan bij het mannetje; hoe meer onderontwikkeld het vrouwtje, hoe onbeweeglijker en hulpelozer ze is, hoe helderder haar lichtgevende orgaan. Het beste voorbeeld hier is de zogenaamde "Ivanov-worm", die helemaal geen worm is, maar een larvale-achtige vrouw van een speciale soort vuurvliegkevers (Fig. 7). Velen van ons bewonderden het koude, gelijkmatige licht dat door het gebladerte van een struik of gras brak. Maar er is een nog interessanter gezicht: de gloed van een vrouwtje van een ander soort vuurvliegjes. Overdag onopvallend, zoals een ringworm, 's nachts baadt het letterlijk in de stralen van zijn eigen prachtige blauwwitte licht dankzij de overvloed aan lichtgevende organen.

Het is echter niet genoeg om de gloed van levende wezens te bewonderen. Het is noodzakelijk om te weten wat de gloed van de bewoners van de onderwater- en terrestrische wereld veroorzaakt en welke rol het speelt in het leven van dieren.

In elk nachtlampje kun je met behulp van een microscoop veel gelige korrels zien - dit zijn lichtgevende bacteriën die in het lichaam van nachtlampjes leven. Door licht uit te zenden, maken ze deze microscopisch kleine dieren ook lichtgevend. Hetzelfde moet gezegd worden over de vissen, wiens ogen zijn als brandende lantaarns: hun gloed wordt veroorzaakt door lichtgevende bacteriën die zich in de cellen van het lichtgevende orgaan van deze vis hebben gevestigd. Maar de gloed van dieren wordt niet altijd geassocieerd met de activiteit van lichtgevende bacteriën. Soms wordt licht geproduceerd door speciale lichtgevende cellen van het dier zelf.

De lichtgevende organen van verschillende dieren zijn gebouwd volgens hetzelfde type, maar sommige zijn eenvoudiger, terwijl andere complexer zijn. Terwijl lichtgevende poliepen, kwallen en zeesterren hun hele lichaam laten gloeien, hebben sommige rivierkreeftrassen slechts één lichtbron: grote telescoopachtige ogen. Onder de lichtgevende dieren behoort echter een van de eerste plaatsen met recht tot koppotigen. Deze omvatten de octopus, die het vermogen heeft om de kleur van zijn buitenste omhulsels te veranderen.

Welke organen veroorzaken gloed? Hoe worden ze gebouwd en hoe werken ze?

In de huid van de koppotigen bevinden zich kleine, harde, ovaalvormige lichamen. Het voorste deel van dit lichaam, naar buiten kijkend, is volledig transparant en lijkt op de lens van het oog, en de achterkant, het grootste deel ervan, is als het ware gewikkeld in een zwart omhulsel van pigmentcellen (fig. 8 ). Direct onder deze schaal liggen zilverachtige cellen in verschillende rijen: ze vormen de middelste laag van het lichtgevende orgaan van het weekdier. Daaronder bevinden zich cellen met een complexe vorm, die lijken op de zenuwelementen van het netvlies van het oog. Ze bekleden het binnenoppervlak van dit kleine lichaam ("apparaat"). Ze stralen ook licht uit.

Dus de "bol" van een koppotige bestaat uit drie verschillende lagen. Licht wordt uitgestraald door de cellen van de binnenste laag. Gereflecteerd door de zilverachtige cellen van de middelste laag, gaat het door het transparante uiteinde van de "bol" en gaat uit.

Nog een merkwaardig detail in dit lichtgevende "apparaat". In de huid van een koppotige, nabij elk van deze lichamen, stijgt zoiets als een holle spiegel of reflector. Elke dergelijke reflector in de "bol" van het weekdier bestaat op zijn beurt uit een tweevoudig soort cellen, donkere pigmentcellen die geen licht doorlaten, waarvoor in rijen zilverkleurige cellen zijn geplaatst die licht reflecteren.

Terwijl een organisme leeft, vinden er verschillende chemische processen plaats in zijn cellen. In verband met deze processen ontstaan ​​in het lichaam verschillende vormen van energie: thermisch, waardoor het opwarmt; mechanisch, waarvan de bewegingen afhangen; elektrisch, wat verband houdt met het werk van zijn zenuwen. Licht is ook een speciaal soort energie die ontstaat onder invloed van de interne arbeid die in het lichaam plaatsvindt. De substantie van lichtgevende bacteriën en die cellen waaruit het lichtgevende apparaat van dieren bestaat, oxiderend, straalt lichtenergie uit.

Welke rol speelt licht in het dierenleven? Deze vraag kon nog niet in elk individueel geval worden beantwoord. Maar de voordelen van glow voor veel dieren kunnen nauwelijks worden betwijfeld. Lichtgevende vissen en rivierkreeften leven op een diepte waar zonlicht niet doordringt. In het donker is het moeilijk om te onderscheiden wat er rondom gebeurt, een prooi op te sporen en de vijand op tijd te ontwijken. Ondertussen worden lichtgevende vissen en rivierkreeften waargenomen, hebben ogen. Het vermogen om te gloeien maakt hun leven gemakkelijker.

Bovendien weten we hoe sommige dieren door het licht worden aangetrokken. Een vis met zoiets als een gloeilamp die uit zijn kop steekt, of een zeeduivel, begiftigd met een lange koordachtige tentakel "met een zaklamp" aan het uiteinde, gebruiken lichtgevende organen om prooien aan te trekken. Het koppotige weekdier is in dit opzicht nog gelukkiger: zijn veranderlijke, iriserende licht trekt sommigen aan, anderen schrikken. Sommige soorten kleine lichtgevende schaaldieren werpen in een moment van gevaar stralen van lichtgevende substantie uit, de resulterende lichtgevende wolk verbergt ze voor de vijand. Ten slotte dient de gloed bij sommige dieren als middel om het ene geslacht van het dier naar het andere te vinden en aan te trekken: mannetjes vinden dus vrouwtjes of, omgekeerd, trekken ze naar zich toe. Daarom is de gloed van dieren een van de aanpassingen waar dieren in het wild zo rijk aan zijn, een van de instrumenten in de strijd om het bestaan.

Bioluminescentie is het vermogen van levende organismen om te gloeien. Het is gebaseerd op chemische processen waarbij de vrijgekomen energie vrijkomt in de vorm van licht. Bioluminescentie dient om prooien, partners, communicatie, waarschuwing, camouflage of afschrikking aan te trekken.

Wetenschappers geloven dat bioluminescentie verscheen in het stadium van overgang van anaërobe naar aerobe levensvormen als een beschermende reactie van oude bacteriën in relatie tot het "gif" - zuurstof, dat vrijkwam door groene planten tijdens fotosynthese. Bioluminescentie wordt gevonden in bacteriën, schimmels en een vrij breed scala aan vertegenwoordigers van de dierenklasse - van protozoa tot chordaten. Maar het komt vooral veel voor bij schaaldieren, insecten en vissen.

Bacteriën helpen organismen om licht te 'creëren', of ze kunnen deze taak alleen aan. In dit geval kan licht zowel het hele oppervlak van het lichaam als speciale organen uitstralen - klieren, voornamelijk van huidoorsprong. De laatste zijn aanwezig in veel zeedieren, en onder landdieren - in insecten, sommige regenwormen, duizendpoten, enz.

glimworm

Misschien wel de meest bekende van de bioluminescenten. vuurvlieg familie ( Lampyridae) heeft ongeveer 2000 soorten. De tropen en subtropen kunnen bogen op de grootste diversiteit van deze kevers, maar op het grondgebied van de voormalige USSR waren er slechts zeven geslachten en ongeveer 20 soorten van deze insecten. Welnu, ze hebben helemaal geen licht nodig om "het voor ons licht te maken in de donkerste nacht", maar om met elkaar te communiceren, of het nu gaat om de roepsignalen van mannen op zoek naar vrouwen, mimicry (onder omgevingslicht, voor bijvoorbeeld het licht van een gloeilamp of de maan die het gras verlicht), bescherming van het territorium, enz.

Gemeenschappelijke vuurvlieg / © Flickr

Nachtlichtje

Noctiluca scintillans, of nachtlampje, behoort tot de soort van de zogenaamde dinoflagellaten. Soms worden ze ook dinoflagellaten genoemd vanwege hun vermogen tot fotosynthese. In feite zijn de meeste flagellaten met een ontwikkelde intracellulaire schaal. Het zijn dinoflagellaten die de boosdoeners zijn van de beroemde "rode vloed", even angstaanjagende als mooie verschijnselen. Maar vooral prachtig is natuurlijk de blauwe "verlichting" van nachtlichten, die 's nachts kan worden waargenomen in de wateren van de zeeën, oceanen en meren. Zowel de rode kleur als de blauwe gloed worden veroorzaakt door de overvloed aan deze verbazingwekkende kleine organismen in het water.

Water verlicht door nachtlampjes / © Flickr

Visser

Dit onschuldige type visservormige beenvis dankt zijn naam aan zijn uiterst onaantrekkelijke uiterlijk. Oordeel zelf:

Diepzee zeeduivel / © Flickr

Zeeduivels hebben een "malocclusie", daarom staat hun mond constant open en steken er scherpe puntige tanden uit. Het lichaam van de vis is bedekt met een groot aantal huidgroei, knobbeltjes en plaques. Het is niet verwonderlijk dat deze zee "quasimodo" het liefst op grote diepten leeft - blijkbaar is dit hoe ze zich verbergen voor kwaadaardige ogen. Maar serieus, deze vissen zijn erg interessant. Van andere bewoners van de onderwaterwereld onderscheiden ze zich onder andere door het voorste deel van de rugvin, die zich direct boven de mond bevindt. Deze lichtgevende "zaklamp" heeft de zeeduivel niet nodig om hun weg te verlichten, maar om prooien aan te trekken.

paddestoelmuggen

Niet minder verrassend zijn andere bioluminescenten - een geslacht van schimmelmuggen uit de familie van schimmelmuggen. Dit geslacht heette vroeger Bolitiphila wat "liefhebber van paddenstoelen" betekent. Het is nu hernoemd naar Arachnocampa- "spinnenlarve". Feit is dat de larve van deze mug echte netten weeft. Pas uitgekomen in het daglicht, zijn de larven slechts 3-5 mm lang, maar in de laatste ontwikkelingsfase groeien ze tot 3 cm. Het is in het larvale stadium dat deze muggen het grootste deel van hun leven in om prooien te voeden en aan te trekken, weven ze het plafond van de grotten als een nest van zijde, dat langs de uiteinden van kleverige draden hangt die hun eigen lichaam verlichten. Algemeen in grotten en grotten in Australië en Nieuw-Zeeland.

Paddestoelmuglarven / © Flickr

neon paddenstoel

Helaas is dit natuurwonder een verbluffend mooie lichtgevende paddenstoel. Chlorofos Mycena Bij ons in de buurt vind je het niet. Om het te zien, moet je naar Japan of Brazilië gaan. Ja, en daar moet je wachten op het regenseizoen, wanneer deze verbazingwekkende groene paddenstoelen verschijnen uit letterlijk "vlammende" sporen.

Of dit wonder eetbaar is of niet, is onbekend. Maar weinig mensen durven zo'n lichtgevend bord op tafel te serveren. Mocht je toch besluiten er naar op zoek te gaan, dan raden we je aan om te kijken naar de basis van boomstammen, naast afgevallen of afgesneden takken, hopen gebladerte of gewoon op vochtige grond.

Neonpaddestoelen / © Flickr

gigantische inktvis

Het is de grootste lichtgevende inktvis ( Taningia danae) en waarschijnlijk de mooiste soorten van deze dieren in het algemeen. De wetenschap kent een exemplaar met een lengte van 2,3 m en een gewicht van ongeveer 161 kg! Het is echter niet zo gemakkelijk om deze majestueuze knappe man te zien: hij leeft op een diepte van ongeveer 1000 m en wordt gevonden in tropische en subtropische wateren. Ondanks de schoonheid Taningia danae- een agressief roofdier. Voordat de inktvis het slachtoffer bespringt, zendt hij korte lichtflitsen uit met behulp van speciale organen op de tentakels. Waar zijn deze flitsers voor? Nou, natuurlijk niet om het slachtoffer te 'waarschuwingen'. Wetenschappers denken dat ze nodig zijn om de diepzeebewoners te verblinden of om de afstand tot het doelwit in te schatten. En een kleurrijke show helpt het dier het vrouwtje te verleiden.

Gigantische bioluminescente inktvis / © Flickr

Moderne "goudvis" moet op nanoschaal zijn en fluoresceren met groenachtig licht

Jarenlang leek groen fluorescerend eiwit (GFP) een nutteloze biochemische curiositeit, maar in de jaren negentig werd het een waardevol hulpmiddel in de biologie. Dit unieke natuurlijke molecuul fluoresceert evenals synthetische kleurstoffen, maar is in tegenstelling tot hen onschadelijk. Met GFP kun je zien hoe een cel zich deelt, hoe een impuls langs een zenuwvezel loopt, of hoe uitzaaiingen zich 'vastzetten' door het lichaam van een proefdier. Vandaag wordt de Nobelprijs voor Scheikunde toegekend aan drie wetenschappers die in de VS werken aan de ontdekking en ontwikkeling van dit eiwit.

Om het eerste deel van het nieuwe eiwit te krijgen, vingen de onderzoekers kwallen met handnetten - ze gooiden een net, zoals een oude man uit het sprookje van Poesjkin. Het meest verbazingwekkende is dat het bizarre kwalleneiwit dat uit deze kwallen wordt geïsoleerd in een paar decennia een echte "goudvis" is geworden, die de meest gekoesterde verlangens van celbiologen vervult.

Wat is GFP?

GFP behoort tot de grootste en meest diverse groep moleculen in levende organismen die verantwoordelijk zijn voor veel biologische functies - eiwitten. Het is echt groen van kleur, ondanks het feit dat de meeste eiwitten niet gekleurd zijn (vandaar hun naam - eiwit).

Een paar gekleurde eiwitten hebben kleur door de aanwezigheid van niet-eiwitmoleculen - "makeweights". Zo bestaat hemoglobine in ons bloed uit een niet-eiwit, roodbruin heemmolecuul en een kleurloos eiwitdeel, globine. GFP is een puur eiwit zonder "additieven": een ketenmolecuul dat bestaat uit kleurloze "schakels" - aminozuren. Maar na de synthese, als het geen wonder is, gebeurt er in ieder geval een truc: de ketting vouwt zich in een "bal", verkrijgt een groene kleur en het vermogen om licht uit te stralen.

In kwallencellen werkt GFP samen met een ander eiwit dat blauw licht uitstraalt. GFP absorbeert dit licht en straalt groen uit. Waarom de diepzeekwal Aequorea victoria groen gloeit, begrijpen wetenschappers nog steeds niet. Met vuurvliegjes is alles eenvoudig: in de paartijd steekt het vrouwtje een "baken" voor mannen aan - een soort huwelijksaankondiging: groen, 5 mm lang, op zoek naar een levenspartner.

In het geval van kwallen klopt deze verklaring niet: ze kunnen niet actief bewegen en de stroming weerstaan, dus zelfs als ze elkaar signalen geven, kunnen ze zelf niet "naar het licht" zwemmen.

Osamu Shimomura: een kwal trek je er niet zomaar uit

Het begon allemaal in de jaren vijftig, toen Osamu Shimomura de diepzee lichtgevende kwal Aequorea victoria begon te bestuderen in het Friday Harbor Marine Laboratory in de Verenigde Staten. Een meer 'ijdele' wetenschappelijke nieuwsgierigheid is moeilijk voor te stellen: de bebrilde mensen vroegen zich af waarom een ​​onbekend gelatineus wezen gloeit in de duisternis van de zeebodems. Ik zou het gif van een kwal bestuderen, en het zou gemakkelijker zijn om het vooruitzicht van praktische toepassing voor te stellen.

Kwallen bleken niet te vangen met een industriële sleepnet: ze zijn zwaargewond, dus moesten ze met handnetten worden gevangen. Om het 'creatieve' wetenschappelijke werk onder leiding van een eigenwijze Japanner te vergemakkelijken, ontwierpen ze een speciale machine voor het snijden van kwallen.

Maar wetenschappelijke nieuwsgierigheid, vermenigvuldigd met Japanse nauwgezetheid, leverde resultaten op. In 1962 publiceerden Shimomura en collega's een artikel waarin ze spraken over de ontdekking van een nieuw eiwit, GFP genaamd. Het meest interessante is dat Shimomura niet geïnteresseerd was in GFP, maar in een ander kwalleneiwit - aequorine. GFP werd ontdekt als een "co-product". In 1979 hadden Shimomura en collega's de structuur van de GFP gedetailleerd, wat natuurlijk interessant was, maar slechts voor een paar subspecialisten.

Martin Chalfie: kwal eekhoorn zonder kwal

De doorbraak werd bereikt aan het eind van de jaren tachtig en het begin van de jaren negentig met de leidende deelname van Martin Chalfie, de tweede van de 'drie-eenheid' van Nobelprijswinnaars. Met behulp van de methoden van genetische manipulatie (die 15-20 jaar na de ontdekking van GFP werden gevormd), leerden wetenschappers hoe ze het GFP-gen in bacteriën konden invoegen, en vervolgens in complexe organismen, en hen dwongen dit eiwit te synthetiseren.

Eerder werd gedacht dat GFP een unieke biochemische "omgeving" nodig had die in het lichaam van de kwal bestaat om zijn fluorescerende eigenschappen te verkrijgen. Chalfi bewees dat een volwaardige lichtgevende GFP ook in andere organismen kan worden gevormd, een enkel gen is voldoende. Nu hadden wetenschappers dit eiwit "onder de motorkap": niet op de diepten van de zee, maar altijd bij de hand en in onbeperkte hoeveelheden. Er zijn ongekende perspectieven voor praktische toepassing geopend.

Genetische manipulatie maakt het mogelijk om het GFP-gen niet zomaar 'ergens' in te brengen, maar te koppelen aan het gen van een specifiek eiwit waarin de onderzoeker geïnteresseerd is. Hierdoor wordt dit eiwit gesynthetiseerd met een lichtgevend label, waardoor het onder een microscoop te zien is tegen de achtergrond van duizenden andere celeiwitten.

Het revolutionaire karakter van GFP is dat het je in staat stelt om een ​​eiwit in een levende cel te "markeren", en de cel zelf synthetiseert het, en in het tijdperk vóór GFP werd bijna alle microscopie gedaan op "vaste" preparaten. In wezen bestudeerden biochemici "momentopnamen" van biologische processen "op het moment van overlijden", ervan uitgaande dat alles in de voorbereiding bleef zoals het was in het leven. Nu is het mogelijk om veel biologische processen in een levend organisme te observeren en op video vast te leggen.

Roger Ziehen's Fruit Shop

De derde Nobelprijswinnaar heeft in het algemeen niets 'ontdekt'. Gewapend met de kennis van andere mensen over GFP en genetische manipulatiemethoden, begonnen wetenschappers in het laboratorium van Roger Tsien (Qian Yongjian, Roger Y. Tsien) "naar het beeld en de gelijkenis" van nieuwe fluorescerende eiwitten te creëren die beter pasten bij hun behoeften. Aanzienlijke nadelen van "natuurlijke" GFP zijn geëlimineerd. Met name eiwit van kwallen gloeit fel wanneer ze worden bestraald met ultraviolet licht, en zichtbaar licht is veel beter voor het bestuderen van levende cellen. Bovendien is het "natuurlijke" eiwit een tetrameer (moleculen worden in vieren samengesteld). Stel je voor dat vier spionnen (GFP's) vier helpers ("gemarkeerde eekhoorns") moeten bekijken en tegelijkertijd de hele tijd elkaars hand moeten vasthouden.

Door individuele structurele elementen van het eiwit te veranderen, ontwikkelden Tsien en zijn collega's modificaties van GFP, verstoken van deze en een aantal andere tekortkomingen. Ze worden nu gebruikt door wetenschappers over de hele wereld. Daarnaast heeft het team van Zien een regenboog van fluorescerende eiwitten gecreëerd, van blauw tot roodviolet. Tsien noemde zijn kleurrijke eekhoorns naar vruchten van de overeenkomstige kleuren: mBanana, tdTomato, mStrawberry (aardbei), mCherry (kers), mPlum (pruim) enzovoort.

Tsien liet de lijst met zijn ontwikkelingen eruitzien als een fruitkraam, niet alleen om te populariseren. Volgens hem is er niet één beste vrucht voor alle gevallen, zo is er ook niet één beste fluorescerende proteïne: voor elk specifiek geval moet je "jouw" eiwit kiezen (en nu is er genoeg om uit te kiezen). Een arsenaal aan veelkleurige eiwitten is nodig wanneer wetenschappers verschillende soorten objecten tegelijk in één cel willen volgen (meestal doen ze dat).

Een nieuwe stap in het ontwerp van fluorescerende eiwitten is de creatie van "gefotoactiveerde" eiwitten. Ze fluoresceren niet (en zijn dus niet zichtbaar onder een microscoop) totdat de onderzoeker ze "belicht" met een korte bestraling met een speciaal geselecteerde laser. De laserstraal is vergelijkbaar met de selectiefunctie in computertoepassingen. Als de wetenschapper niet geïnteresseerd is in alle moleculen van het eiwit, maar alleen op één specifieke plek en vanaf een bepaald moment, dan kun je dit gebied 'selecteren' met een laserstraal en kijken wat er met deze moleculen gebeurt. U kunt bijvoorbeeld een van de tientallen chromosomen "activeren", en dan kijken hoe het tijdens de deling door de cel "beweegt", en de rest van de chromosomen zal niet in de weg zitten.

Nu zijn wetenschappers nog verder gegaan: onlangs hebben ze fluorescerende kameleon-eiwitten gemaakt die van kleur veranderen na speciale bestraling, en deze veranderingen zijn omkeerbaar: je kunt het molecuul vele malen van de ene kleur naar de andere "wisselen". Dit vergroot de mogelijkheden om processen in een levende cel te bestuderen nog verder.

Dankzij de ontwikkelingen van het afgelopen decennium zijn fluorescerende eiwitten een van de belangrijkste instrumenten van celonderzoek geworden. Er zijn al zo'n zeventienduizend wetenschappelijke artikelen gepubliceerd over alleen GFP of onderzoeken waarin het wordt gebruikt. In 2006 richtte Friday Harbor Lab, waar GFP werd ontdekt, een monument op met de afbeelding van het GFP-molecuul, 1,4 m hoog, dat wil zeggen ongeveer honderd miljoen keer groter dan het origineel.

GFP van de Aequorea-kwal is het beste bewijs dat mensen de diversiteit van "nutteloze" soorten wilde dieren moeten beschermen. Zo'n twintig jaar geleden had niemand kunnen vermoeden dat het exotische eiwit van een onbekende kwal het belangrijkste instrument van de celbiologie van de 21e eeuw zou worden. Al meer dan honderd miljoen jaar heeft evolutie een molecuul gecreëerd met unieke eigenschappen die geen enkele wetenschapper of computer "vanaf nul" zou kunnen bouwen. Elk van de honderdduizenden planten- en diersoorten synthetiseert duizenden eigen biologische moleculen, die in de overgrote meerderheid nog niet zijn onderzocht. Misschien is er in dit enorme levende archief veel van wat de mensheid ooit nodig zal hebben.

De toenemende beschikbaarheid van "high-tech" moleculaire biologie heeft ertoe geleid dat lichtgevende eiwitten niet alleen in serieus onderzoek worden gebruikt.

Groen fluorescerend vet

In 2000, in opdracht van de hedendaagse kunstenaar Eduardo Kac, "maakte" een Franse geneticus een groen fluorescerend konijn genaamd Alba. De ervaring had geen wetenschappelijk doel: Alba was een "kunstwerk" van de kunstenaar Katz in de richting die hij uitvond - transgene kunst. Het konijn (sorry, een kunstwerk van Katz) was te zien op diverse tentoonstellingen, persconferenties en andere evenementen die veel aandacht trokken.

In 2002 stierf Alba onverwachts en ontstond er een schandaal rond het ongelukkige dier in de pers vanwege tegenstrijdigheden tussen de wetenschapper-performer en de kunstenaar-klant. Franse genetici, die een collega verdedigden tegen de aanvallen van Katz, voerden bijvoorbeeld aan dat Alba in werkelijkheid niet zo groen en lichtgevend was als het op foto's lijkt. Maar als het op kunst aankomt, waarom zou je dan niet verfraaien met Photoshop?

Menselijke genetische manipulatie is in strijd met de medische ethiek, dus het is onwaarschijnlijk dat fluorescerende eiwitten in legale medische instellingen zullen worden gebruikt voor diagnostiek en soortgelijke doeleinden. Er kan echter van worden uitgegaan dat schoonheidssalons en andere minder gecontroleerde instellingen geïnteresseerd zullen zijn in nieuwe kansen. Denk bijvoorbeeld aan natuurlijke nagels of lippen (geen poetsmiddelen of lippenstiften!), die van kleur veranderen afhankelijk van het licht en zelfs glow in the dark als iemand dat prettig vindt... Of een patroon op de huid gevormd door zijn eigen fluorescerende cellen, die wordt alleen zichtbaar als je schijnt met een speciale lamp, in plaats van tatoeages, die door iedereen bekeken worden die niet te lui is, maar moeilijk te verwijderen is.

Partnernieuws

Bioluminescentie (vertaald uit het Grieks "bios" - leven en Latijns "lumen" - licht) is het vermogen van levende organismen om licht uit te stralen. Dit is een van de meest verbazingwekkende verschijnselen. In de natuur komt het niet vaak voor. Hoe ziet het eruit? Laten we kijken:

10 Gloeiend plankton

Foto 10. Gloeiend plankton, Malediven

Gloeiend plankton in Gippsland Lake, Australië. Deze gloed is niets meer dan bioluminescentie - chemische processen in het lichaam van dieren, waarbij de vrijgekomen energie vrijkomt in de vorm van licht. Verbazingwekkend van aard, het fenomeen van bioluminescentie, had het geluk om niet alleen de fotograaf Phil Hart (Phil Hart) te zien, maar ook te fotograferen.

9 gloeiende paddestoelen

De foto toont Panellus stipticus. Een van de weinige paddenstoelen met bioluminescentie. Dit type paddenstoel komt vrij veel voor in Azië, Australië, Europa en Noord-Amerika. Het groeit in groepen op stammen, stronken en stammen van loofbomen, vooral op eiken, beuken en berken.

8. Schorpioen

De foto toont een schorpioen die gloeit onder ultraviolet licht. Schorpioenen zenden geen eigen licht uit, maar gloeien onder een onzichtbare neonlichtstraal. Het punt is dat er in het buitenste skelet van een schorpioen een stof zit die gewoon zijn licht uitstraalt onder ultraviolette straling.

7. Glowworms Waitomo Caves, Nieuw-Zeeland

Lichtgevende muggenlarven leven in Waitomo Cave in Nieuw-Zeeland. Ze bedekken het plafond van de grot. Deze larven laten strengen gloeiend slijm achter, tot 70 per worm. Dit helpt hen om vliegen en muggen te vangen waarmee ze zich voeden. Bij sommige soorten zijn dergelijke draden giftig!

6 Gloeiende kwallen, Japan

Foto 6. Gloeiende kwallen, Japan

Een verbazingwekkend gezicht was te zien in de Toyama-baai in Japan - duizenden kwallen spoelden aan op de oever van de baai. Bovendien leven deze kwallen op grote diepte en komen ze tijdens het broedseizoen naar de oppervlakte. Op dat moment werden ze in groten getale aan land gebracht. Uiterlijk doet deze foto erg denken aan lichtgevend plankton! Maar dit zijn twee totaal verschillende dingen.

5. Lichtgevende paddenstoelen (Mycena lux-coeli)

Wat je hier ziet zijn gloeiende Mycena lux-coeli paddenstoelen. Ze groeien in Japan tijdens het regenseizoen op omgevallen Chinquapin-bomen. Deze paddenstoelen geven licht af dankzij een stof genaamd luciferine, die oxideert en deze intense groenachtig witte gloed afgeeft. Het is heel grappig dat Luciferu in het Latijn "het licht van de gever" betekent. Wie zou het weten! Deze paddenstoelen leven maar een paar dagen en sterven als de regen stopt.

4. Gloed van de ostracode Cypridina hilgendorfii, Japan

Cypridina hilgendorfii - dit is de naam van struisvogels van schaaldieren, kleine (grotendeels niet meer dan 1-2 mm), transparante organismen die in de kustwateren en het zand van Japan leven. Ze gloeien dankzij de stof luciferine.

Een interessant feit is dat de Japanners tijdens de Tweede Wereldoorlog deze schaaldieren verzamelden om 's nachts licht te krijgen. Nadat ze deze organismen in water hebben bevochtigd, beginnen ze weer te gloeien.

3. Gloeiende vuurvliegjes

Foto 3. Lange sluitertijd foto van vuurvliegjes

Zo zien de leefgebieden van vuurvliegjes eruit, genomen met een lange sluitertijd. Vuurvliegjes flitsen om de aandacht van het andere geslacht te trekken.

2. Lichtgevende bacteriën

Lichtgevende bacteriën zijn een verbazingwekkend natuurlijk fenomeen. Licht in bacteriën wordt geproduceerd in het cytoplasma. Ze leven voornamelijk in zeewater en minder vaak op het land. Eén bacterie straalt van zichzelf een heel zwak, bijna onzichtbaar licht uit, maar als ze in grote aantallen zijn, gloeien ze met een intenser, zeer aangenaam blauw licht.

1. Medusa (Aequorea Victoria)

In de jaren zestig identificeerde de Japans-Amerikaanse wetenschapper Osamu Shimomura van de Universiteit van Nagoya het lichtgevende eiwit aequorine van de kwal Aequorea victoria. Shimomura toonde aan dat aequorine wordt geïnitieerd met calciumionen zonder zuurstof (oxidatie). Met andere woorden, het lichtemitterende fragment is op zichzelf geen afzonderlijk substraat, maar een substraat dat sterk is geassocieerd met het eiwit. Dit leverde op zijn beurt een enorme bijdrage, niet alleen aan de wetenschap, maar ook aan de geneeskunde. In 2008 ontving Shimomura de Nobelprijs voor zijn werk.