Биолюминесценция — явление в природе достаточно обычное, но неравномерно распределенное по планете. У наземных животных она редка, у пресноводных отсутствует, обитатели океанских вод светятся часто, особенно в так называемой мезопелагиали, на глубинах от 200 до 1000 м. Что же касается биолюминесценции донных видов (бентоса), живущих на тех же глубинах, о ней до недавнего времени было известно очень мало. Возможно, потому, что для исследования беспозвоночных их нужно отскрести с морского дна, часто неровного, а это трудно сделать, не покалечив животное.
Проблему бережного сбора решили американские исследователи под руководством Сонке Йонсена (Sonke Johnsen), профессора биологического факультета Университета Дьюка. В распоряжении ученых был пилотируемый глубоководный аппарат Johnson-Sea-Link II, снабженный разнообразными манипуляторами. Он может погружаться на глубину около 1000 м и перемещаться со скоростью один узел (примерно полметра в секунду).
Ученые отбирали пробы в нескольких местах на шельфе Багамских островов, там сложный рельеф дна и большое разнообразие донных беспозвоночных. Исследователи старались собрать светящихся животных. Иногда, погрузившись, они выключали свет, и когда их глаза привыкали к темноте, пилот Johnson-Sea-Link II деликатно трогал донных обитателей манипулятором. Тех, кто светился в ответ на прикосновение, использовали для спектроскопических исследований. Всю добычу держали в темных контейнерах с морской водой при температуре 4° С.
Исследователи обнаружили две особенности, отличающие биолюминесценцию донных жителей от свечения животных, обитающих в толще воды на такой же глубине. Из общего количества собранных бентосных видов светилось всего 20%: два вида анемонов (Actinaria), три вида бамбуковых кораллов (Alcyonacea), глубоководные кораллы горгонарии Chrysogorgia desbonni, креветки Parapandalus sp. и Heterocarpus ensifer, два вида голотурий (Elasipodida и Aspidochirota) и офиура Ophiochiton ternispinus. Среди обитателей мезопелагиали биолюминесценция присуща 80% видов.
Гидробиологи наблюдали биолюминесценцию донных видов в естественных условиях. Светятся они не постоянно, а в ответ на раздражитель, например если врежется в коралл какое-нибудь мелкое беспозвоночное. Это свечение бывает довольно продолжительным, иногда мерцающим. Некоторые беспозвоночные, например анемоны Actinoscyphia sp. и голотурии Enypniastes eximia, синтезируют люминесцентный секрет, прилипающий к их покровам, или, возможно, у них есть светящиеся клетки эпидермиса. А креветки Parapandalus зр. и Heterocarpus ensifer выделяют в воду вещества, которые, смешиваясь, вызывают свечение и окутывают креветку светящейся дымкой.
Второе отличие касается спектра биолюминесценции. Мезопелагические виды мерцают голубым. На дне голубой свет (470 и 455 нм) испускают только офиуры и два вида креветок. У остальных видов свечение сдвинуто в более длинноволновую область спектра и приобретает зеленоватый оттенок, а мягкие кораллы семейства Pennatulacea существенно зеленее голубого планктона (505-535 нм).
Исследователи попытались объяснить, чем могут быть вызваны такие различия. Конечно, они не исключают, что у них маленькая выборка и, если бы они взяли больше проб из разных мест, доля светящихся бентосных видов оказалась бы выше. Но есть и другое объяснение: биолюминесценция на дне не так эффективна, как в водной толще. На дне сложный рельеф, много непрозрачных предметов, мутноватая от взвешенных частиц вода. Свет в таких условиях распространяется не так свободно, как в мезопелагиали. У этой догадки есть косвенное подтверждение: на более гладком дне светящихся видов больше, а прикрепленные беспозвоночные, которые тянутся вверх, например кораллы, испускают свет чаще «приземленных».
Кроме того, те же кораллы облеплены планктоном, который приносится течением. От столкновения планктон начинается светиться. В мезопелагиали спонтанного свечения практически нет, поскольку планктонные организмы там крайне редко с чем-нибудь или с кем-нибудь сталкиваются. В толще воды биолюминесценция животных, которые таким образом подают сигналы половому партнеру, приманивают добычу, отпугивают или дезориентируют хищников, гораздо заметнее, чем на фоне постоянных неконтролируемых вспышек света. В общем на дне пользоваться биолюминесценцией затруднительно, потому и светящихся видов там существенно меньше.
Что же касается спектра излучения, исследователи предполагают, что в мутной придонной воде зеленый свет с большей длиной волны распространяется дальше голубого. Но тогда непонятно, почему одни организмы пользуются преимуществами зеленого света, а другие нет. Это может быть как-то связано со зрением придонных хищников, которые, например, лучше видят зеленое, чем голубое. С другой стороны, на глубине темновато для того, чтобы хорошо различать цвета. Однако некоторые виды всё же их различают.
С помощью всё того же управляемого глубоководного аппарата Johnson-Sea-Link II исследователи выловили восемь видов ракообразных, обитающих в Мексиканском заливе и на Багамских островах на глубинах 520-700 м,и определили светочувствительность их глаз, т.е. промерили электрические сигналы, возникающие в сетчатке в ответ на слабые вспышки света с длинами волн от 370 до 600 нм. Оказалось, что обследованные животные лучше всего видят в диапазоне 490-550 нм, в сине-зеленой части спектра, поэтому должны прекрасно различать биолюминесценцию донных обитателей.
Однако два вида крабов, Eumunida picta и Gastroptychus spinifer, преподнесли ученым сюрприз. Их сетчатка имеет второй пик чувствительности к волнам длиной 363 и 383 нм соответственно. Очевидно,у них не один зрительный пигмент, а два, причем второй настроен на ультрафиолетовое излучение. Солнечный свет не проникает на глубину в несколько сотен метров, ультрафиолета там нет, однако же чувствительный к нему пигмент есть. Исследователи предполагают, что двойная пигментная система позволяет крабам лучше различать оттенки люминесценции. В доказательство они ссылаются на мезопелагических креветок семейства оплофорид. У некоторых оплофорид есть органы-фотофоры, излучающие свет в узком диапазоне. Они служат креветкам для камуфляжа и, возможно, играют роль в половом поведении. Кроме того, оплофориды выбрасывают в воду вещества, которые, смешиваясь друг с другом, окутывают животных светящимся облаком. Возможно, два зрительных пигмента нужны креветкам для того, чтобы в сиянии этого облака различить сигналы фотофоров. Во всяком случае, у тех представителей оплофорид, которые фотофоров не имеют, зрительный пигмент только один.
Глубоководные крабы не светятся, однако оба вида часто встречают среди мягких кораллов Pennatulacea и колониальных анемонов Zoanthids, испускающих зеленоватое свечение. Крабы что-то из них выковыривают и тащат в рот. Кораллы, как мы помним, все в планктоне. Возможно, двойная пигментная система позволяет крабам отличать зеленые несъедобные кораллы от вкусного планктона, который значительно голубее донных светящихся организмов.
По словам авторов, пока что их работа породила больше вопросов, чем ответов. Предстоит, например, выяснить, для каких еще донных животных характерна чувствительность к ультрафиолету. Нужно собирать и исследовать бентосные организмы из других мест, изучать оптические свойства воды. И только когда это и многое другое будет сделано, мы сможем взглянуть на мир глазами бентоса.
Sonke Johnsen et al., «Light and vision in the deep-sea benthos: I. Bioluminescence at 500-1000 m depth in the Bahamian Islands», The Journal of Experimental Biology 2012, 215, 3335-3343.
Tamara M. Frank et al., «Light and vision in the deep-sea benthos: II. Vision in deep-sea crustaceans», The Journal of Experimental Biology 2012, 215, 3344-3353.
Голотурия Hansenothuria benti, (B) мягкие кораллы Protoptilum sp., (C) Halipteris sp. и (D) Calibelemnon sp. или Stylatula sp., (E) голотурии Enypniastes eximia (F) не описанная ранее актиния рака-отшельника (Anthozoa: Actinaria), (G) офиура Ophiochiton ternispinus, (H) коралловый полип Acanella sp., (I) актиния Actinoscyphia sp., (J) мягкий коралл Lepidisis sp., (K) креветка Parapandalus sp. (Malacostraca: Decapoda: pandalidae), (L) бамбуковый коралл Isidella sp., (M) шестилучевой коралловый полип Parazoanthidae n. gen., n. sp., (N) бамбуковый коралл Acanella sp.