Можливо, в юності багато хто з нас, як і я, бавився з чорним світлом, світячи один на одного цими моторошними фіолетово-синіми лампочками та сміюючись із зубів та очей, які світяться. На відміну від біолюмінесценції, яка є властивістю генерувати світло завдяки взаємодії білків, флуоресценція виникає завдяки матеріалам, які поглинають світло на одній частоті та перевипромінюють його на іншій частоті. Один мій товариш-фотограф спеціалізується на зйомці комах і скорпіонів. Я спостерігав, як вночі в пустелі він дістає свій чорний ліхтар і знаходить скорпіонів, які світяться в темряві синьо-зеленим світлом. Від медуз до бананів, від коралів до хлорофілу – флуоресценція широко поширена в біології. Чи є у цієї властивості якась функція?

Запитання про те, чи має флуоресценція якесь адаптивне значення, стало темою нещодавньої цікавої статті чотирьох вчених у PNAS «Функція й наслідки флуоресценції у тетрапод» (Nicolai et al.).¹ Перш ніж перейти до їхнього аналізу, необхідно зробити короткий огляд термінів про світло. Світло, в розумінні фізиків, включає в себе будь-яке електромагнітне випромінювання, від короткохвильових гамма-променів до довгохвильових радіохвиль. Те, що ми розуміємо як видиме світло, – це дуже тонка смуга в цьому спектрі. Матеріали або поглинають, або випромінюють світло, або й те, й інше. Як біологія взаємодіє з цими формами світла?

● Теплове випромінювання – властивість будь-якого матеріалу за температури вище абсолютного нуля (0°K). В результаті метаболічних реакцій усі живі організми виділяють тепло (інфрачервоне випромінювання), що можна продемонструвати за допомогою інфрачервоної камери.

● Під розжарюванням розуміється випромінювання видимого світла матеріалом, коли його температура піднімається вище точки Дрейпера, що дорівнює 525° C. Це випромінювання чорного тіла починається з тьмяного червоного світіння й переходить у білий та синій кольори в міру підвищення температури. Наземні організми зазвичай не випромінюють світло розжарювання, якщо тільки вони не потрапили в лісову пожежу.

● Флуоресценція – це перевипромінювання поглиненого світла на іншій частоті, зазвичай з більшою довжиною хвилі. Флуоресцентне світло випромінюється флуорофорами – хімічними речовинами, які флуоресціюють. Флуоресценція характерна для живих та неживих матеріалів.

● Фосфоресценція хімічно схожа з флуоресценцією, за винятком того, що матеріали, які фосфоресціюють, продовжують випромінювати світло протягом набагато тривалішого часу після видалення зовнішнього світла, що викликало випромінювання. В біології вона зустрічається рідко, за винятком випадків, коли організм проковтнув фосфоресцентні мінерали, такі як кальцит.

● Люмінесценція – це генерація світла, яка не спричинена розжарюванням й відбувається за температури, нижчої за температуру розжарювання тіл. (Яскравість зірок називається світністю й виникає внаслідок ядерних реакцій у зоряних надрах).

● Хемілюмінесценція – це випромінювання світла внаслідок хімічних реакцій без попереднього поглинання енергії.

● Біолюмінесценція – це хемілюмінесценція біологічних організмів. Випромінювання світла відбувається завдяки взаємодії біомолекул, таких як люциферин та фермент люцифераза.

● Структурний колір – це посилення або ослаблення певних довжин хвиль світла за рахунок геометричних властивостей матеріалу, що відбиває.

Світло життя

Оскільки частина ультрафіолетового світла досягає поверхні Землі (близько 3 відсотків сонячного випромінювання, що надходить), воно може змусити деяких тварин світитися в темряві за допомогою біофлуоресценції. На цьому тлі виникає запитання, чому так багато тварин флуоресціюють.

На відміну від біолюмінесценції, яка, мабуть, має очевидні функції в комунікації тварин (світлячки), хижацтві (глибоководні риби-вудильники) або камуфляжі (риби, що випромінюють світло, щоб злитися з поверхневим світлом), флуоресценція не має очевидної адаптивної функції. Еволюційні біологи запропонували адаптивні історії про флуоресцентні організми в океані, але тетраподів на суші пояснити складніше.

Ніколаї та ін. представляють фотографії різних птахів та ссавців, які різко змінюють колір між видимим й ультрафіолетовим світлом. Особливо папуги світяться іншими кольорами, ніж у видимому світлі. Автори дивуються з приводу флуоресценції в наземних тварин.

«Візуальна привабливість яскравих флуоресцентних кольорів для людини призвела до опису флуоресцентних патернів на дереві життя. Ці знахідки призвели до створення великих досягнень в певних галузях, як-от зелені флуоресцентні білки (GFPs), широко використовувані в молекулярній біології. Так багато відомо про те, як працюють GFP, але примітно, що функціональне значення їх для самих тварин залишається незрозумілим. Однак вражаючі демонстрації флуоресценції в темних приміщеннях з інтенсивним, неприродним збудливим освітленням можуть сприяти створенню надмірного враження про їхню візуальну значущість. Дійсно, багато наземних тетраподів, на відміну від водних і морських тварин, мешкають в місцях, які особливо неоптимальні для сприйняття флуоресцентних хвиль, що слабо перевипромінюються. Окрім того, якщо для вивчення потенційної функції флуоресценції в (морських) (без)хребетних тварин основа добре опрацьована, то в тетраподів вона, мабуть, менш опрацьована, що підтверджується бурхливим зростанням кількості публікацій, що описують флуоресценцію в тетраподів, які часто явно або неявно пов'язують наявність флуоресценції зі статевим добором та комунікацією». (Виділення додано)

Автори скаржаться, що деякі біологи поспішають з висновками, вигадуючи адаптивні історії про біофлуоресценцію в наземних тварин. Складається враження, що вони вважають: «Якщо це існує, значить, це результат природного або статевого добору». Науковому співтовариству слід очікувати більш високих стандартів ретельності досліджень.

«Останніми роками з'явився цілий потік статей про флуоресценцію, починаючи з жаб, качкодзьобів й закінчуючи повністю наземними організмами, такими як білки-летяги, часто явно або неявно пов'язуючи наявність флуоресценції зі статевим добором й комунікацією. Однак в багатьох з цих досліджень не враховуються фізіологічні вимоги еволюційно стабільних сигнальних систем, залежність сприйняття від довкілля або можлива адаптивна роль флуоресцентного забарвлення в некомунікативному контексті».

Спілкування за допомогою кольору

Суворе пояснення біофлуоресценції для комунікації, наприклад, потребує з'ясування фізичних характеристик як відправника, так і одержувача. Тварина, що флуоресціює, повинна мати генетичний код для виробництва флуоресцентних матеріалів, а тварина, яка приймає, повинна мати здатність сприймати зміну кольору й реагувати на неї.

«Інтуїтивна привабливість флуоресценції як унікальної форми колірної комунікації має бути стримана реалістичним розумінням її обмежень. Дійсно, флуоресценція настільки повсюдно поширена в тканинах тварин, що її слід вважати радше нормою, ніж винятком. Тому приписування флуоресценції певних функцій вимагає виняткових доказів, підкріплених суворою системою».

Автори посилаються на роботу Маршалла, Джонсена й Мазеля, які представили п'ять критеріїв для визначення наявності комунікаційної функції у біофлуоресценції.

1. Визначення флуоресцентної сполуки з відомими довжинами хвиль збудження й випромінювання.

2. З'єднання має бути видимим.

3. Флуорофор має проявлятися у відповідному світловому середовищі.

4. Зміна кольору має бути відчутною для потенційних глядачів.

5. Приймач має демонструвати поведінкову реакцію.

«Останній критерій, зокрема», – кажуть вони, – «рідко перевіряється й необхідно більше поведінкових тестів, які маніпулюють флуоресценцією». Якщо цих п'яти критеріїв не буде дотримано, біологам доведеться зробити висновок, що біофлуоресценція – всього лише артефакт, який не має функціонального значення. «Більше того, – кажуть вони, – ідея про те, що флуоресценція може бути просто непрямим побічним продуктом добору за іншими ознаками, часто не досліджується». Можливо, добір тут ні до чого.

Вступ до біології дизайну

Прихильники дизайну можуть піти будь-яким шляхом. Функціональний чи нефункціональний? Це питання умовиводів. Але коли говорять про «фізіологічні вимоги» до сигнальної системи, біоінженери ID повинні уважно прислухатися. Може виявитися, що біофлуоресценція – побічний продукт білків, поширених в хутрі, пір'ї та шкірі. Зуби, що світяться в чорному світлі, можуть бути артефактом властивостей мінералів апатиту в нашій емалі. Але якщо флуоресценція дійсно слугує сигналом між тваринами, це відкриє нові можливості для проведення ретельних досліджень екологічних стосунків відповідно до п'яти критеріїв, зазначених у списку.

І знову дизайн-мислення сприяє суворому науковому дослідженню, тоді як дарвінізм пояснює все інтуїцією. Існує велика ймовірність того, що вчені-конструктори знайдуть функціональне значення в біофлуоресценції. Чому? Тому що в інших контекстах воно вже відоме. Автори не згадали про біофлуоресценцію кольорів. Кольори, невидимі людським оком, але видимі під ультрафіолетовим випромінюванням, можуть бути виявлені запилювачами. Квіти направляють медоносних бджіл до нектару за допомогою флуоресцентних вогнів.

Автори приділяють мало уваги іншій можливості дизайну: структурному кольору. «Одне дослідження припускає, що флуоресценція ссавців може бути результатом структурного забарвлення», – кажуть вони, – «хоча немає ні доказів, що підтверджують це сильне твердження, ні правдоподібного механізму для нього». Однак, ймовірно, в цій можливості є щось більше, ніж заявлено. Ми знаємо, що метелики й птахи використовують фотонні кристали – складні геометричні візерунки в лусці та пір'ї – для посилення відбитого світла на певних довжинах хвиль й створення перешкод для інших. Науковці-конструктори могли б перевірити, чи флуоресціюють молекули й чи підсилюють вони ультрафіолетове світло в темряві для приймачів таких сигналів. Якщо це так, то можна передбачити існування непереборно складних молекулярних машин й генетичних кодів як у відправниках, так і в приймачах.

Приховані можливості

Будучи переважно денними ссавцями з очима, налаштованими на довжину хвиль 380-700 нм, ми, люди, можемо проґавити цілий світ інформації, що передається в біосфері вночі на довжинах хвиль, які перебувають за межами нашого зору. Як винахідники вже зробили компаси для магнітної навігації та інфразвукові детектори для прослуховування підводної симфонії, наші розумно спроектовані прилади можуть розширити горизонти біології та відкрити нові простори фотонного дизайну навколо нас. Деякі дарвіністи можуть задовольнятися тим, що пояснюють біолюмінесценцію за допомогою звичних натуралістичних окулярів й оповідного глянцю. Світло приходить до тих, хто знімає шори консенсусу й відкриває очі на інші можливості, наприклад, на розумний задум.