Светлячки под пристальным взглядом: как они светятся?

Люди привыкли называть светляками небольших мягкокожих жуков, относящихся к семейству Lampyrida. При этом далеко не всем известно, что входит в него более двух тысяч видов этого удивительного насекомого, вызывающего живой интерес у широких масс людей своей уникальной способностью светиться в темноте. К сожалению, на этом знания большинства людей и заканчиваются, хотя светлячки по многим причинам заслуживают куда большего внимания.

Сам процесс свечения у светлячков ученые называют биолюминесценцией, при этом светятся эти жуки не просто так и не для развлечения, а общаются подобным образом между собой и привлекают к себе половых партнеров. Сам же этот феномен биолюминесценции возможен за счет того, что у светлячков присутствует пигмент люциферин, который в процессе окисления со специальным ферментом, содержащимся в теле этих жуков, создает избыточное количество энергии, которая превращается в свет. Но самое удивительное в этом процессе то, что КПД такого свечения у жуков достигает уникального показателя в 88-98%, тогда как даже в самых современных светодиодных лампах при идеальных условиях работы этот показатель не превышает 30-40%, у стандартных же ламп накаливания КПД и вовсе колеблется в диапазоне 3-5%.

Хотя до последнего времени эти факты ученым были известны, но главной и, казалось, до конца неразрешимой загадкой был цвет биолюминесценции. Ведь в процессе взаимодействия вроде бы абсолютно одинаковых ферментов и люциферина у светляков наблюдается достаточно большое количество разных цветов свечения, начиная от зеленого и заканчивая красным или желтым, причем отличаются не только цвета, но и уровень их насыщенности. А определить причину таких изменений и проследить процесс таких изменений до конца не удавалось.

До недавнего времени ученые предполагали, что разница в цвете люминесценции зависит от специфики фермента, который способен менять свои свойства под воздействием изменения размеров каталитической «полости». Так, её уменьшение приводит к сокращению количества тепловых потерь и коротковолновому свечению (зеленый и т.п. цвета), когда же тепловые потери возрастают и свечение становится длинноволновым, то светляки обретают красный цвет. При этом сам процесс изменения цвета свечения в данной теории не был достаточно четко аргументирован, в результате чего гарантировать её правдивость было невозможно.

Полностью же решить эту загадку и четко описать все процессы свечения удалось Изабель Навизе и возглавляемой ею группе ученых, которые работают в одном из пекинских научно-исследовательских институтов. На примере одного из японских видов светляка под названием Luciola Cruciata ученым удалось определить, что цвет излучаемого жуками света меняется путем незначительных колебаний полярности зарядов энергии в люминесцирующей системе светлячков. При этом отследить такие изменения удалось только за счет применения сложного рентгеноструктурного анализа в сочетании с новейшими системами компьютерного моделирования.

Практическое значение такого исследования на данный момент осознать не так просто, но наверняка со временем уникальные свойства белка-люциферазы будут использованы в практической сфере путем вживления его с помощью генной инженерии в различные живые организмы. Также по мере развития науки и техники наверняка будут проводиться исследования по внедрению данных процессов или созданию подобным в освещение наших домов и городов, особенно с учетом все растущего стремления человечества к внедрению энергосберегающих технологий.