Возможно, в юности многие из нас, как и я, играли с черным светом, светя друг на друга этими жуткими фиолетово-синими лампочками и посмеиваясь над светящимися зубами и глазными яблоками. В отличие от биолюминесценции, которая является свойством генерировать свет благодаря взаимодействию белков, флуоресценция возникает из-за материалов, которые поглощают свет на одной частоте и переизлучают его на другой частоте. Один мой друг-фотограф специализируется на съемке насекомых и скорпионов. Я наблюдал, как ночью в пустыне он достает свой черный фонарь и находит скорпионов, которые светятся в темноте сине-зеленым светом. От медуз до бананов, от кораллов до хлорофилла – флуоресценция широко распространена в биологии. Есть ли у этого свойства какая-то функция?

Вопрос о том, имеет ли флуоресценция какое-либо адаптивное значение, стал темой недавней интересной статьи четырех ученых в PNAS «Функция и последствия флуоресценции у тетрапод» (Nicolai et al.).¹ Прежде чем перейти к их анализу, необходимо сделать краткий обзор терминов о свете. Свет, в понимании физиков, включает в себя любое электромагнитное излучение, от коротковолновых гамма-лучей до длинноволновых радиоволн. То, что мы понимаем как видимый свет, – это очень тонкая полоса в этом спектре. Материалы либо поглощают, либо излучают свет, либо и то, и другое. Как биология взаимодействует с этими формами света?

● Тепловое излучение – свойство любого материала при температуре выше абсолютного нуля (0°K). В результате метаболических реакций все живые организмы выделяют тепло (инфракрасное излучение), что можно продемонстрировать с помощью инфракрасной камеры.

● Под накаливанием понимается излучение видимого света материалом, когда его температура поднимается выше точки Дрейпера, равной 525° C. Это излучение черного тела начинается с тусклого красного свечения и переходит в белый и синий цвета по мере повышения температуры. Наземные организмы обычно не излучают свет накаливания, если только они не попали в лесной пожар.

● Флуоресценция – это переизлучение поглощенного света на другой частоте, обычно с большей длиной волны. Флуоресцентный свет испускается флуорофорами – химическими веществами, которые флуоресцируют. Флуоресценция характерна для живых и неживых материалов.

● Фосфоресценция химически схожа с флуоресценцией, за исключением того, что фосфоресцирующие материалы продолжают излучать свет в течение гораздо более длительного времени после удаления внешнего света, вызвавшего излучение. В биологии она встречается редко, за исключением случаев, когда организм проглотил фосфоресцирующие минералы, такие как кальцит.

● Люминесценция – это генерация света, не вызванная накаливанием и происходящая при температуре ниже температуры накаливания тел. (Яркость звезд называется светимостью и возникает в результате ядерных реакций в звездных недрах).

● Хемилюминесценция – это излучение света в результате химических реакций без предварительного поглощения энергии.

● Биолюминесценция – это хемилюминесценция биологических организмов. Излучение света происходит благодаря взаимодействию биомолекул, таких как люциферин и фермент люцифераза.

● Структурный цвет – это усиление или ослабление определенных длин волн света за счет геометрических свойств отражающего материала.

Свет жизни

Поскольку часть ультрафиолетового света достигает поверхности Земли (около 3 процентов поступающего солнечного излучения), он может заставить некоторых животных светиться в темноте с помощью биофлуоресценции. На этом фоне возникает вопрос, почему так много животных флуоресцируют.

В отличие от биолюминесценции, которая, по-видимому, имеет очевидные функции в коммуникации животных (светлячки), хищничестве (глубоководные рыбы-удильщики) или камуфляже (рыбы, излучающие свет, чтобы слиться с поверхностным светом), флуоресценция не имеет очевидной адаптивной функции. Эволюционные биологи предложили адаптивные истории о флуоресцентных организмах в океане, но тетраподов на суше объяснить сложнее.

Николаи и др. представляют фотографии различных птиц и млекопитающих, которые резко меняют цвет между видимым и ультрафиолетовым светом. Особенно попугаи светятся иными цветами, чем в видимом свете. Авторы недоумевают по поводу флуоресценции у наземных животных.

«Визуальная привлекательность ярких флуоресцентных цветов для человека привела к описанию флуоресцентных паттернов на древе жизни. Эти находки привели к созданию крупных достижений в определенных областях, таких как зеленые флуоресцентные белки́́ (GFPs), широко используемые в молекулярной биологии. Так много известно о том, как работают GFP, но примечательно, что функциональное значение их для самих животных остается неясным. Однако впечатляющие демонстрации флуоресценции в темных помещениях с интенсивным, неестественным возбуждающим освещением могут способствовать созданию чрезмерного впечатления об их визуальной значимости. Действительно, многие наземные тетраподы, в отличие от водных и морских животных, обитают в местах, которые особенно неоптимальны для восприятия слабо переизлучаемых флуоресцентных волн. Кроме того, если для изучения потенциальной функции флуоресценции у (морских) (бес)позвоночных животных основа хорошо проработана, то у тетрапод она, по-видимому, менее разработана, что подтверждается бурным ростом числа публикаций, описывающих флуоресценцию у тетрапод и часто явно или неявно связывающих наличие флуоресценции с половым отбором и коммуникацией». (Выделение добавлено)

Авторы жалуются, что некоторые биологи спешат с выводами, придумывая адаптивные истории о биофлуоресценции у наземных животных. Складывается впечатление, что они считают: «Если это существует, значит, это результат естественного или полового отбора». Научному сообществу следует ожидать более высоких стандартов тщательности исследований.

«В последние годы появился целый поток статей о флуоресценции, начиная с лягушек, утконосов и заканчивая полностью наземными организмами, такими как белки-летяги, часто явно или неявно связывая наличие флуоресценции с половым отбором и коммуникацией. Однако во многих из этих исследований не учитываются физиологические требования эволюционно стабильных сигнальных систем, зависимость восприятия от окружающей среды или возможная адаптивная роль флуоресцентной окраски в некоммуникативном контексте».

Общение с помощью цвета

Строгое объяснение биофлуоресценции для коммуникации, например, потребует выяснения физических характеристик как отправителя, так и получателя. Флуоресцирующее животное должно иметь генетический код для производства флуоресцентных материалов, а принимающее животное должно обладать способностью воспринимать изменение цвета и реагировать на него.

«Интуитивная привлекательность флуоресценции как уникальной формы цветовой коммуникации должна быть сдержана реалистичным пониманием ее ограничений. Действительно, флуоресценция настолько повсеместно распространена в тканях животных, что ее следует считать скорее нормой, чем исключением. Поэтому приписывание флуоресценции определенных функций требует исключительных доказательств, подкрепленных строгой системой».

Авторы ссылаются на работу Маршалла, Джонсена и Мазеля, которые представили пять критериев для определения наличия коммуникационной функции у биофлуоресценции.

1. Определение флуоресцентного соединения с известными длинами волн возбуждения и испускания.

2. Соединение должно быть видимым.

3. Флуорофор должен проявляться в подходящей световой среде.

4. Изменение цвета должно быть ощутимо для потенциальных зрителей.

5. Приемник должен демонстрировать поведенческую реакцию.

«Последний критерий, в частности», – говорят они, – «редко проверяется, и необходимо больше поведенческих тестов, которые манипулируют флуоресценцией». Если эти пять критериев не будут соблюдены, биологам придется сделать вывод, что биофлуоресценция – всего лишь артефакт, не имеющий функционального значения. «Более того, – говорят они, – идея о том, что флуоресценция может быть просто косвенным побочным продуктом отбора по другим признакам, часто не исследуется». Возможно, отбор здесь ни при чем.

Вступление в биологию дизайна

Сторонники дизайна могут пойти по любому пути. Функциональный или нефункциональный? Это вопрос умозаключений. Но когда говорят о «физиологических требованиях» к сигнальной системе, биоинженеры ID должны навострить уши. Может оказаться, что биофлуоресценция – побочный продукт белков, распространенных в мехе, перьях и коже. Светящиеся в черном свете зубы могут быть артефактом свойств минералов апатита в нашей эмали. Но если флуоресценция действительно служит сигналом между животными, это откроет новые возможности для проведения тщательных исследований экологических отношений в соответствии с пятью критериями, указанными в списке.

И снова дизайн-мышление способствует строгому научному исследованию, в то время как дарвинизм объясняет все интуицией. Существует большая вероятность того, что ученые-конструкторы найдут функциональное значение в биофлуоресценции. Почему? Потому что в других контекстах оно уже известно. Авторы не упомянули о биофлуоресценции цветов. Цвета, невидимые человеческим глазом, но видимые под ультрафиолетовым излучением, могут быть обнаружены опылителями. Цветы направляют медоносных пчел к нектару с помощью флуоресцентных огней.

Авторы уделяют мало внимания другой возможности дизайна: структурному цвету. «Одно исследование предполагает, что флуоресценция млекопитающих может быть результатом структурной окраски», – говорят они, – «хотя нет ни доказательств, подтверждающих это сильное утверждение, ни правдоподобного механизма для него». Однако, вероятно, в этой возможности есть нечто большее, чем заявлено. Мы знаем, что бабочки и птицы используют фотонные кристаллы – сложные геометрические узоры в чешуе и перьях – для усиления отраженного света на определенных длинах волн и создания помех для других. Ученые-конструкторы могли бы проверить, флуоресцируют ли молекулы и усиливают ли они ультрафиолетовый свет в темноте для приемников таких сигналов. Если это так, то можно предсказать существование неустранимо сложных молекулярных машин и генетических кодов как в отправителях, так и в приемниках.

Скрытые возможности

Будучи преимущественно дневными млекопитающими с глазами, настроенными на длину волн 380-700 нм, мы, люди, можем упустить целый мир информации, передаваемой в биосфере ночью на длинах волн, находящихся за пределами нашего зрения. Как изобретатели уже сделали компасы для магнитной навигации и инфразвуковые детекторы для прослушивания подводной симфонии, наши разумно спроектированные приборы могут расширить горизонты биологии и открыть новые просторы фотонного дизайна вокруг нас. Некоторые дарвинисты могут довольствоваться тем, что объясняют биолюминесценцию с помощью привычных натуралистических очков и повествовательного глянца. Свет приходит к тем, кто снимает шоры консенсуса и открывает глаза на другие возможности, например, на разумный замысел.