Устройство «фонаря»
Чаще всего орган свечения этих жуков - фотофор - располагается на конце брюшка и по своему принципу действительно напоминает обычный карманный фонарик. Фотофор состоит из трёх слоев. Нижний слой, зеркальный, способен отражать свет. Верхний слой представляет собой светопрозрачную кутикулу. Но самое интересное происходит в среднем слое, где находятся фотогенные клетки, или фотоциты. Они вырабатывают свет благодаря интенсивному использованию кислорода.
У насекомых нет лёгких, а кислород передается посредством разветвлённой сети трубочек (трахеол) и запасается в митохондриях клеток. Для быстрого выделения необходимого количества кислорода, организм светлячка вырабатывает окись азота, которая, поступая в митохондрии, вытесняет из них кислород. Включение и выключение этих процессов регулируется нервной системой насекомых.
Люминесценция или флюоресценция?
В популярной прессе светящимися называют организмы, обладающие и флюоресценцией, и люминесценцией. Оба процесса встречаются в природе (порой у одних и тех же организмов) и в настоящий момент активно исследуются биологами, генетиками, фармацевтами и инженерами. Но если флюоресценция предполагает пассивное переизлучение света с небольшим уменьшением энергии и соответствующим сдвигом в длине волны, то люминесценция - это активный процесс, в ходе которого химическая энергия преобразуется в свет.
Ферменты, которые проводят преобразование химической энергии в свечение, называются люциферазами, а их субстраты (органические пигменты) - люциферинами. Оба слова происходят от латинского «lucifer», который, в свою очередь, состоит из латинских корней lux «свет» и fero «несу». Несмотря на одинаковое название, между люциферазами и люциферинами, помимо собственно функции, очень мало общего: они имеют разное строение, разное происхождение и по-разному работают.
Наиболее изученной является система свечения жуков-светляков - биолюминисценция. Люцифераза катализирует реакцию, в ходе которой молекула АТФ (универсальная единица клеточной энергии) активирует пигмент люциферин, после чего к нему присоединяется кислород. «Магия» происходит в тот момент, когда от окисленного люциферина отделяется CO2: молекула красителя оказывается в возбужденном состоянии, покидая которое она испускает квант света. Интересно, что у всех организмов, несмотря на независимое возникновение системы свечения, оно так или иначе связано именно с окислением.
От чего зависит цвет свечения?
В принципе свет, производимый люциферазой, может иметь почти любой оттенок - от сине-зелёного до красного. У светлячков, в частности, свечение относится к видимой желто-зелёной части спектра, соответствующей длинам волн от 500 до 600 нм. При этом свет, излучаемый светлячками, не даёт тепла – в нём нет инфракрасных и ультрафиолетовых лучей. В отличие от обычной электрической лампы, где основная часть энергии переходит в бесполезное тепло, а КПД составляет 5-10%, светлячки переводят в световое излучение до 98% затраченной энергии.
Однако в природе есть множество других живых организмов, излучающих свет - коралы, медузы, глубоководные рыбы… В их клетках встречаются одновременно и люцифераза, и флюоресцирующие белки (например, небезызвестный GFP). Они не просто находятся в одной клетке, но и настолько тесно связаны друг с другом, что возникает квантовый эффект переноса возбуждения: фотон, произведенный люциферазой, не излучаясь, переносится на GFP, который его выбрасывает уже с измененной длиной волны.
Поэтому обитатели морских глубин, а также созданные на основе извлечённого из них белка GFP светящиеся мыши, поросята, рыбки и прочая живность, светятся зелёным – хотя их люцефераза изначально настроена на синий цвет. Использование GFP позволяет увеличить эффективность излучения за счёт того, что флюоресцентный белок по сравнению с люциферином таких организмов менее склонен терять возбужденное состояние без излучения кванта света. У жуков-светляков (как и у люминесцентных бактерий) нет белков, подобных GFP, и в этом отношении их система свечения устроена проще.
Немного романтики…
Учёные считают, что биолюминисценция для светлячков является средством межполового общения. Тропические и североамериканские виды светлячков иногда исполняют целые хоровые серенады для своих партнёрш. Собравшись на одном дереве, они сначала мигают каждый в своё время. Затем пара насекомых начинает делать это синхронно. Проходит немного времени, и постепенно все насекомые начинают дружно и в одно и то же время испускать короткие вспышки света. Через полчаса целое дерево ведёт себя как единый живой организм, и может показаться, что оно просто украшено электрической гирляндой лампочек.
Самки отвечают им такой же светомузыкой, вспыхивая и затухая всей стайкой. Правда, по нашим меркам «прекрасным полом» их не назовёшь: своим внешним видом бескрылые самки светлячков напоминают личинок. Светлячок, не заморачиваясь на такие мелочи, летит к своей подруге… но бывает съеден. Например, самки светлячков вида Photuris подражают свечению вида Photinus и привлекают к себе чужих мужских особей. Съедая обманутых (и горько разочарованных в любви) самцов, хищницы получают не только пищу, но и защиту от птиц и пауков, поскольку их добыча содержит особое химическое вещество.
Впрочем, способность светится помогает привлекать противоположный пол даже другим видам – в частности, нам, людям. Известный энтомолог Эвелин Чисман в 1932 году в своих статьях писала, что некоторые экстравагантные дамы перед вечерними праздниками украшали светлячками свои платья и даже прическу, и в темноте казались усыпанными бриллиантами. Впрочем, у основной «романтической» версии свечения этих насекомых есть и непонятные моменты. Она не объясняет, почему светятся (только чуть слабее) личинки, куколки и даже яйца светлячков, которые обычно закопаны в почву.
Стоит только теплой летней ночью оказаться на природе — и, вполне возможно, вам удастся увидеть потрясающее по своей красоте зрелище — десятки маленьких фонариков,...
Стоит только теплой летней ночью оказаться на природе — и, вполне возможно, вам удастся увидеть потрясающее по своей красоте зрелище — десятки маленьких фонариков, мерцающих в темноте. Это светлячки испускают свой необыкновенный свет. Этих удивительных существ видели многие, а вот почему же светлячки имеют склонность светиться — знает далеко не каждый. Попробуем разобраться в причинах этого уникального природного явления.
Конечно, свечение в ночном поле крошечных насекомых — сказочное зрелище, которое вдохновляет и поражает воображение . Многие считают, что этот процесс сродни настоящему чуду. На самом деле, у этого явления есть вполне логичное научное объяснение. Все дело в особом строении тела светлячка. Дело в том, что у этого маленького жука на брюшке расположены специальные клетки — фотоциты. Именно они и приводят к эффекту свечения. В каждом фотоците присутствуют два химических соединения — люцифераза и люциферин. Соединяясь в теле светлячка, эти вещества образуют определенную химическую реакцию, которая происходит с выделением света.
Под слоем фотоцитов, который находится на поверхности тела, есть слой и других клеток, наполненных веществом белого цвета. Это вещество выступает в качестве отражателя света. Благодаря его наличию, свечение насекомых приобретает характерный беловатый оттенок.
Зачем светлячкам светиться?
Если причины сияния светлячков ученые установили достаточно давно, то вопрос о том, для чего же насекомым нужно такое уникальное свойство, достаточно долго оставался открытым. Сегодня большинство исследователей полагают, что таким необычным образом жуки привлекают к себе особей противоположного пола . Причем, разные виды светлячков испускают разный по своей частоте свет. Это необходимо для того, чтобы каждый самец, привлекая самку, обращал внимание только на представительниц своего вида. Всего в мире известно около двух тысяч видов, и каждый из них испускает свой особенный свет. Конечно, для человеческого глаза эта разница может быть неразличима, но вот для маленьких светящихся жуков она имеет огромное значение.
Немногие знают, что свет, испускаемый этими уникальными насекомыми, не теплый, а холодный. В отличие, например, от солнечного света, это сияние совсем не греет. Вы можете в этом убедиться, если вам посчастливиться поймать хотя бы одного светлячка. Посадите его в банку и понаблюдайте за жуком. Даже если вы посадите туда целую сотню насекомых, банка ничуть не согреется. А все потому, что светлячки не способны испускать теплый свет. Именно про такие явления говорят: светит, но не греет.
Кто ещё в природе светится?
К слову сказать, не только светлячки обладают таким необычным природным даром . Известны и другие виды животных, склонных к выделению световой энергии. К ним относятся, например, некоторые виды медуз.
Однако именно светлячки получили такую широкую славу благодаря своей способности светиться в темноте. Интересно, что некоторые виды светлячков могут светиться не только поодиночке, но и огромными скоплениями. Чаще всего такие явления наблюдаются в жарких странах, расположенных в южных широтах. Увидеть такую красоту — настоящее везение. В такие минуты кажется, что все вокруг усыпано сиянием переливающихся огней, которые то угасают, то зажигаются вновь. В некоторых странах скопления светлячков светятся так часто и так масштабно, что этих насекомых даже используют в качестве бесплатного освещения в темное время суток.
Неудивительно, что многие современные ученые заинтересованы феноменальными свойствами светлячков. У многих исследователей возникает вопрос: можно ли каким-то образом применять энергию этих насекомых? Вероятно, в ближайшие годы ученые найдут ответ на этот интересный вопрос. А пока нам остается лишь наслаждаться красотой этих удивительных животных и их сказочным сиянием.
Почему некоторые светлячки светятся синхронно?
В июне начинается брачный период светляков. Ночью можно наблюдать сотни мигающих огоньков в траве и листве деревьев. Почему же светятся светлячки?
Причины биолюминисценции
Свечение возникает при окислении определенных веществ, находящихся в организме насекомых. Происходит это следующим образом:
- светлячок вдыхает;
- воздух проходит через множество трахей к фотогенным клеткам;
- молекулы кислорода соединяются с кальцием и аденозинтрифосфатом.
Органы свечения насекомого (лантерны) находятся на конце брюха. Они обычно покрыты прозрачной надкожицей. Лантерны состоят из крупных фотогенных клеток, оплетенных нитями трахей и нервов. Свечение было бы невозможным без отражателей света. Они представляют собой клетки с кристаллами мочевой кислоты.
Иногда способность светиться в темноте проявляется не только у взрослых особей жуков, но и у их яиц и личинок. Это объясняется обилием фермента люциферазы.
Насекомое излучает холодный свет. Он находится в видимой зелено-желтой части спектра в диапазоне волн длиной 500-600 нм. КПД обычной лампы накаливания составляет от 5 до 10%, тогда как этот жук переводит в световое излучение до 98% потраченной энергии. Некоторые виды светляков могут регулировать интенсивность свечения и частоту мигания.
Биолюминисценция является средством общения самцов с самками. Мигая, светящееся насекомое сообщает о своем месте расположения. Частота мерцания жуков различается, поэтому самки легко могут узнать своего партнера. Во время брачного периода самцы некоторых тропических и североамериканских видов вспыхивают и затухают синхронно, на что стаи самок отвечают аналогичным светопредставлением.
Почему жуки мигают одновременно?
Науке известны около 2 тыс. видов светляков, однако насекомые, развившие в процессе эволюции способность координировать вспышки, обитают лишь в нескольких местах планеты, а именно:
- в Национальном парке Грейт-Смоки-Маунтинс в США;
- в Малайзии;
- в Таиланде;
- на Филиппинах.
Ученые из университета Коннектикута провели несколько экспериментов с насекомыми вида Photinus carolinus, чтобы выяснить, почему светлячки светятся синхронно. Обычно серия вспышек чередуется с довольно длинной паузой, после чего последовательность повторяется. Во время перерыва самка подает ответный сигнал. Стоит отметить, что подобной синхронизацией обладает только 1% из всего множества видов светляков.
В эксперименте энтомологов были задействованы самки Photinus carolinus. Самцов заменили светодиодными лампами, которые воспроизводили привычный для этого вида светляков ритм.
Во время первого эксперимента все диоды мигали с одинаковой частотой, при втором синхронность была несущественно нарушена, при следующем вспышки появлялись и затухали вразнобой. В результате ученые обнаружили, что в двух первых ситуациях самки отвечали на сигналы в 80% случаев. Во время третьего эксперимента реакция последовала лишь в 10%.
Исследователи также выяснили, что окруженная светящимися самцами самка не может опознать своего партнера, тогда как при общении с особью противоположного пола один на один это не представляет для нее труда. Согласованный ритм вспышек снижает шум и помогает насекомым найти друг друга.
Светлячки — светящееся чудо природы
Летающие, мерцающие огни светлячков — настоящий мистический аттракцион в летнюю пору. Но много ли мы знаем о том, что собой представляют светлячки. Вот несколько фактов о них.
1. Что собой представляют жуки-светлячки
Светлячки являются ночными насекомыми — ведут активный образ жизни ночью. Это члены семейства крылатых жуков Lampyridae (что в переводе с греческого означает «светить») . Название «светлячок» немного вводит в заблуждение, потому что из более чем 2000 видов светлячков, только некоторые из этих видов обладают способностью загораться светом.
2. Кроме светлячков есть другие типы светящихся видов
Светлячки, вероятно, являются одним из наиболее популярных видов, из-за своей способности светиться. Большинство биолюминесцентных существ живут в океане — люди мало имеют контактов с ними. Их свет создаётся с помощью химической реакции, в ходе которой кислород соединяется с кальцием, аденозинтрифосфатом (АТФ) и люциферином с помощью фермента люциферазы. Светлячки используют свою биолюминесценцию, вероятно, чтобы отпугивать хищников.
3. Не все светлячки имеют «огонь»
Светлячки, большая часть их видов, просто не горят. Небиолюминесцентные светлячки, которые не производят свет, как правило, не являются ночными жуками — они наиболее активны в течение дня.
4. Учёные обнаружили люциферазы благодаря светлячкам
Единственный способ получить химическое вещество люциферазу — извлечь его из светлячка. В конце концов, учёные выяснили, как создавать синтетические люциферазы. Но некоторые люди до сих пор собирают фермент от «летающих фонариков». Люциферазы используется в научных исследованиях для тестирования безопасности пищевых продуктов и некоторых процедур судебно-медицинской экспертизы.
5. Светлячки являются энергоэффективными
Огни светлячков самые эффективные источники энергии в мире. Сто процентов создаваемой ими энергии излучается через свет. Для сравнения, лампа накаливания излучает лишь 10 процентов своей энергии в виде света, а люминесцентные лампы испускают в виде света 90 процентов своей энергии.
6. Их световое шоу — это акты спаривания
Большинство летающих самцов светлячков ищут партнёра. Каждый вид имеет специфическую картину света, которую они используют для связи друг с другом. После того, как самка видит самца и отвечает на его любовь, она реагирует на него таким же световым узором. Обычно самки сидят на растениях, ожидая самца.
7. Некоторые виды имеют способность к синхронизации своего мигания
Учёные не уверены, почему светлячки делают это, но некоторые теории предполагают, что светлячки это делают для того, чтобы стать более заметными. Если группа жучков-светлячков мигают единым шаблоном, то скорее всего, они это делают, чтобы привлечь внимание самок. Единственный вид светлячков в Америке, которые мигают синхронно — Фотин carolinus. Они живут в Национальном парке США «Грейт — Смоки» , где служба парка организует для посетителей часы на вечернее световое шоу.
8. Не все светлячка светят одинаково
Каждый вид имеет свой собственный специфический цвет света. Некоторые производят свечение синего или зелёного цвета, а другие светятся оранжевым или желтым цветом.
9. На вкус они отвратительны
В отличие от цикады, светлячки не могут быть приготовлены в запеченных на гриле жуков. Если вы попробуйте съесть светлячка, у него будет горький вкус. Жуки могут оказаться даже токсичными. Когда светлячки подвергаются нападению, они проливают капли крови. Кровь содержит химические вещества, которые создают горький вкус и яд. Большинство животных знают это и избегают жевать светлячков.
10. Светлячки иногда практикуют каннибализм
Когда светлячки всё ещё находятся в стадии личинки, они готовы полакомиться улитками. Обычно, когда они созревают, становятся вегитарианцами — отходят от мяса. Учёные полагают, что взрослые светлячки живут за счёт нектара и пыльцы, или не едят вообще. Но вот другие, светлячки, например Photuris — могут наслаждаться поеданием их собственного вида. Photuris самки часто едят самцов других родов. Они привлекают ничего не подозревающих жуков, имитируя их световой рисунок.
11. Их число сокращается
Есть несколько причин, почему население светлячков сокращается, в том числе изменения климата и разрушение среды обитания. Когда из-за строительства дорог или иного строительства, нарушается среда обитания светлячка, они не мигрируют на новое место, а просто исчезают.
12. Наслаждайтесь световым шоу светлячков, пока есть такая возможность
Исследователи мало знают о светлячках и не дают однозначного ответа, почему они исчезают. Наслаждайтесь световым шоу, пока это насекомое ещё существует в природе. Возможно, поколениям людей, которые придут вслед за нами, не будет дана такая возможность, увидеть этих жуков с их удивительным мистическим свечением.
Чудесные насекомые эти светлячки. Сказочные, светящиеся, интересные, жаль только - ночные обитатели, днем их не встретишь, не полюбуешься. Как же светится светлячок? И почему? Зачем? Столько вопросов о таком малюсеньком создании.
Немного о светлячках: ночные насекомые, днем спят, ночью охотятся, всего насчитывается 2000 видов, живут во всех уголках мира, нет такой страны, где не знают о светлячках. Размер светлячков от 2 до 4 мм (мм не сантиметров!). Единичное число видов способны откладывать личинки, которые плавают в воде.
Самые необычные виды светлячков живут в Японии, среда их обитания – рисовые поля, где они питаются пресноводными улитками. Следовательно, светлячки в Японии приносят людям огромную пользу, очищая рисовые плантации от вредителей.
Долго можно рассказывать о разных видах светлячков, обсуждать их способ жизни ночью, выяснять любимое лакомство, но интересней всего узнать – откуда свечение?
Свечение у светлячка вызывает химическая реакция, которая происходит в процессе соединения кислорода и кальция внутри насекомого. Сам процесс свечения называется биолюминесценция. Большое скопление кальция находится в брюшке светлячка, поэтому в основном светится его брюшко, напоминая в темноте маленький летящий фонарик. Есть такие виды, которые излучают свечение всем телом, тогда их свечение приглушенное, не яркое.
Такую особенность насекомых ученые сравнили с лампой дневного света, но в отличии от лампы светлячки не нагреваются, они излучают холодное свечение. Рассудить логически – если насекомое будет себя нагревать, то сразу сгорит, поэтому природа позаботилась о защите светлячка, дав ему возможность свечения без нагрева тела.
Свечение не происходит самопроизвольно или просто по наступлению темноты, светлячку его необходимо активировать. Для этого орган управления «светом» подает кислород в те места, где появились скопления кальция. Для прекращения свечения достаточно прекратить подачу кислорода. Все просто. Задумайтесь, как часто люди ловят светлячков, сажают в банку и ждут, что светлячок засветится? При этом насекомое почти лишено воздуха. Мало кому известно, что для свечения светлячку нужен кислород, а не темнота.
Так как легких у насекомого нет, то подача воздуха в организм происходит трудно – по трахеолам, которые снабжены мощной системой мышечной структуры. Мышцы, практически, управляют свечением светлячка.
Работа мышц медленная, а загорается светлячок быстро – эту загадку ученые разгадали недавно. Главная роль в свечении - окись азота, который вырабатывается по команде мозга. Насекомое собирает в течение дня кислород, удерживая его в митохондрии, а при необходимости мозг отдает команду, выделяется азот и моментальное свечение обеспечено. Роль мышц остается только в физической поддержке всей системы.
Загорается свечение в ночное время светлячок тоже неспроста – должна сложиться опасная для его жизни ситуация, тело вырабатывает стероиды, делающие светлячка не вкусным, а свет служит сигналом для врага - сигналом к отступлению.
Погожим летним вечером, когда на землю только начинают спускаться первые сумерки, среди высоких травинок можно с легкостью рассмотреть загадочное свечение. Подойдя немного поближе и хорошенько присмотревшись, вы с улыбкой обнаружите, что это ваши давние знакомые – светлячки.
Эти жучки, известные каждому еще с детства, все так же интригуют и манят. Однако вопрос, почему они испускают свет, остается открытым.
Светлячки представляют собой семейство наземных ночных жуков, которые обладают способностью вырабатывать в темноте холодный желтовато-зеленый свет. Они имеют темно-коричневый окрас и в длину достигают полутора сантиметров. В мире в целом насчитывается около 2000 их разновидностей и практически все жучки, как и их личинки, являются хищниками. Они питаются такими беспозвоночными, как слизняки и улитки.
Наиболее распространены данные насекомые в условиях тропического и субтропического климата, в меньшей степени встречаются в умеренном географическом поясе. Светятся они в основном из соображений коммуникации, и выделяют половые, поисковые, защитные и территориальные сигналы.
Далеко не все разновидности светлячков обладают полным спектром вышеперечисленных сигналов. В основном они ограничиваются лишь призывными. Почему же происходит феномен свечения и как устроены «фонарики» светлячков?
Научное объяснение желто-зеленых маячков
Способность к биолюминесценции, к выработке света, у данных насекомых обусловлена в первую очередь наличием специальных органов свечения, фотоцитов.
На кончике брюшка под прозрачной частью панциря у светляков находится несколько сегментов, в которых под воздействием люциферазы происходит смешение люциферина и кислорода. Процесс окисления или расщепления люциферина и становится главной причиной, почему жуки выделяют свет.
Большинство представителей семейства способны регулировать яркость накаливания или производить краткосрочные, прерывистые вспышки. А некоторые светляки светятся синхронно. Ответом на вопрос, почему жучки не светятся все время, станет достаточно распространенное в научном мире мнение: светлячки могут контролировать доступ кислорода к органу свечения.
Толика романтики или пора на свидание
Изучая светлячков, энтомологи пришли к выводу, что основной причиной, почему жучки мерцают в темноте, является их желание привлечь потенциального партнера. Каждый вид имеет свои собственные отличительные сигналы, демонстрирует различные световые узоры. Так, светлячки самки, сидя на листике, посылают определенные сигналы светлячкам самцам, которые парят в воздухе и ищут свою «спутницу».
Увидев знакомый свет, они направляются прямиком к нему. Оказавшись рядом, светлячки спариваются, а самка немедленно откладывает в землю оплодотворенные яйца, из которых в дальнейшем вылупятся личинки, плоские по форме и коричневые по цвету. Некоторые личинки светятся до самого момента превращения в жуков.
Небольшие хитрости женской половины
Привлечение потенциального партнера – далеко не единственная причина, почему светляки используют свой дар к биолюминесценции. Некоторые виды мерцающих жуков могут вырабатывать свет для кардинально противоположных целей.
Например, светлячки, относящиеся к виду Photuris способны в точности копировать сигналы светляков другого вида. Таким образом, самки обманывают доверчивых чужаков-самцов.
Когда те подлетают в надежде спариться, самки Photuris пожирают их и получают достаточное количество питательных веществ для себя и готовых вылупиться из земли личинок своего вида.
Нестандартное использование природных фонариков
Глядя на яркое мерцание светлячков, еще с давних времен люди задумывались, почему бы не использовать их в полезных целях. Индейцы крепили их к мокасинам для подсвечивания троп и отпугивания змей. Первые переселенцы в Южную Америку применяли этих жучков в качестве освещения для своих хижин. В некоторых поселениях эта традиция сохранилась и до сегодняшнего дня.
В современном мире вопрос, почему и каким образом светлячки обрели способность к биолюминесценции, как можно использовать их дар в научных целях, будоражит ум не одного энтомолога. Ученым в ходе длительных проб и ошибок даже удалось найти ген, который заставляет клетки этих насекомых производить люциферазу.
Когда этот ген был выделен, его пересадили в табачный лист и засеяли семенами целую плантацию. Взошедший урожай светился при наступлении темноты. Эксперименты со светлячками еще не окончены: впереди нас ждет масса новых и интересных открытий.
