Светлячок животное. Почему светлячки светятся в темноте
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.
Светляки - это то, что делает летние ночи особенными. Обычно они прячутся в траве и светят оттуда мистически-зеленым светом, надеясь привлечь внимание противоположного пола. И у них это получается красиво. Вам доводилось видеть мигающие деревья, будто окутанные электрической гирляндой? Как всегда - за романтикой кроется сложная химическая реакция.
Как светляки светятся
Светлячки светятся за счет уникального органа в их теле - фотофор. Он находится в хвосте брюшка и имеет сложную структуру, представляющую собой три функциональных слоя. Для наглядности представим обыкновенный карманный фонарик: нижний слой является зеркальным и должен отражать свет, производимый в результате сложной химической реакции средним слоем. Ткани среднего слоя состоят из фотоцитов - клеток, способных преобразовывать кислород в свет. Верхний функциональный слой представлен прозрачной светопропускающей кутикулой.Необходимый в большом количестве для создания свечения светлячка кислород вытесняется из клеточных митохондрий путем замещения его оксидом азота. У насекомых нет легких, поэтому все необходимые для существования процессы проходят в клетках, в том числе и дыхание. А нервная система регулирует режимы работы “фонарика”.
В природе предостаточно организмов, “несущих свет” - рифы, глубоководные рыбы, моллюски, медузы и т.д. И у них, и у светляков за свечение отвечает пигмент люциферин, который активируется в люциферазе с помощью молекулы аденозинтрифосфата - АТФ (универсальной единицы клеточной энергии) и, окисляясь, создает волшебное свечение. Это происходит во время отделения молекул углекислого газа, когда молекулы люциферина выходят из возбужденного состояния, высвобождая энергию света, тем самым светлячок начинает светиться в темноте.
Таинственное и холодное свечение светляков и правда ничуть не греет - ну разве что душу. В фотонах нет ни инфракрасных, ни ультрафиолетовых лучей. Но зато “на освещение” уходит около 98% затраченной энергии, в отличии от обыкновенной электрической лампы, КПД которой всего лишь 10%, и чья энергия частично расходуется на бесполезное тепло.
Почему светляки светятся
Зачем светятся светлячки, для чего это необходимо? Дело в том, что биолюминисценцию можно и нужно отнести к способу общения полов - очень романтичному и прекрасному. Самцы североамериканских и тропических видов, например, устраивают настоящий предсвадебный флэшмоб. Насекомые сидят на дереве и в сумерках мигают вразнобой. Через время они ловят единый ритм, синхронизируясь в единый осветительный прибор - и дерево кажется украшенным живой гирляндой.
Самки светлячков, кстати, не отличаются особой красотой - у них, в отличии от самцов, нет крыльев, но они тоже синхронно люминесцируют в ответ ребятам с дерева. Однако женщины коварны - в особенности самки вида Photuris, которые прикидываются другим видом - Photinus. Впоследствии обманутые самцы вида Photinus оказываются съеденными, а вот самки обретают уверенность в завтрашнем дне, т.к в организмах их жертв содержится особый фермент, отпугивающий птиц и пауков. Иногда акт каннибализма происходит и без веских причин.
Представители женского пола подают особый сигнал, свидетельствующий о том, что они готовы к оплодотворению. Так самец понимает, куда ему лететь. А вообще, чем ярче он светится, тем больше женского внимания привлекает.
Кроме того, светятся их личинки, куколки и яйца - вот этого ученые объяснить не могут. Но можно предположить, что таким образом они передают сигнал хищникам о том, что несъедобны.
В Евразии наиболее распространен вид, именуемый “Ивановым червячком”. Считается, что именно в ночь на Ивана Купала эти насекомые активизируются.
Интересным является тот факт, что из 2000 видов лишь немногие светлячки светятся, остальные преимущественно функционируют только днем.
Чему светлячки могли бы нас научить
Помимо воспитания в людях чувства прекрасного, светляки могут похвастаться эффективностью преобразования своей энергией в свет. Недавно исследователи, изучая поверхность тела светляков, отметили ее чешуйчатое строение, напоминающее черепицу крыши. При помощи нанотехнологий они попытались создать подобную структуру на поверхности светодиода. И это увеличило эффективность его работы на 55%!Символизм светлячка
По поверьям некоторых народов, жуки-светляки - это души мертвых, которые не могут найти свой путь. Ну а как еще объяснить эту магию? В философии фэн-шуй светляк позиционируется как символ перерождения душ. Необыкновенное сияние насекомого придает ему чуть ли не священный характер.Но наибольшим числом традиций и глубочайшим символизмом светлячков одаривают японцы. Как и подобает в теплом и влажном климате, там они светятся с гораздо большим энтузиазмом, нежели их бледные родственники из средних широт. Потому период их спаривания представляет собой грандиозное световое шоу. В Японии даже отмечается праздник Светлячка - фестиваль Хотару.
Люди использовали жуков-светляков для самых разных нужд - как украшение в волосах, как инструмент создания романтичной атмосферы, как осветительный прибор, как помощников в борьбе со злыми духами. На сегодняшний день синтетическая люцифераза, которая изначально извлекалась из живых насекомых, используется в судебной медицине, а также для контроля за качеством пищевой продукции.
Популяция светлячков резко упала, и это связано с загрязнением и разрушением территорий их обитания. Дело в том, что из этих мест они не мигрируют, а попросту исчезают.
Видео о том, почему светятся светлячки
Теплой летней ночью светлячки (по-научному светляки) мелькают в поле то тут, то там, как дальние молнии. Поймайте одного светлячка, посадите его в банку и понаблюдайте за ним. Огонек светлячка светит мистическим желто – зеленым светом. Огонек выглядит странно холодным, да он и в самом деле такой.
Огонек светлячка не похож на солнечный свет: он светит, но почти не греет. Удивительно, но факт: светлячки - это разновидность жуков.
Светлячки
Существует более 2000 видов светлячков. Взрослые особи имеют коричневую или черную окраску, их размеры достигают 1,5 сантиметра. Молодые светлячки вылупляются из яиц, спрятанных в земле. Как и положено насекомому, из яйца вылупляется не взрослое животное, а личинка. Окраска личинки такая же, как у взрослых особей - как правило, коричневая, но по форме личинки плоские. Личинки некоторых видов светлячков светятся все время.
Чем светлячки светят?
Свет излучается участком поверхности светлячка на его брюшке специальными клетками, которые называются фотоцитами. Два химических соединения в фотоците - люциферин и люцифераза - взаимодействуют друг с другом, продуцируя световую энергию. Слово «Люцифер» по-латыни означает «светоносный». Произведенная в ходе реакции энергия возбуждает атомы в молекуле люциферина, и они испускают фотоны света. Под слоем фотоцитов лежит слой других клеток, наполненных белым веществом. Этот слой играет роль отражателя света. Есть и другие животные (а также растения), которые способны к свечению. Укромные уголки ночного леса освещают бледные поганки. В океане светятся медузы.
Материалы по теме:
Почему собака рычит на хозяина?
Зачем светлячки светятся?
Ученые считают, что эти насекомые испускают свет, чтобы привлечь особей противоположного пола. Разные виды светлячков испускают свет с различной частотой, поэтому светлячок уверен, что он спаривается с самкой именно своего вида.
Синхронное мерцание светлячков
Некоторые виды светлячков, скапливаясь в одном месте, синхронизируют свое мерцание. Видно, как большое скопление насекомых одновременно зажигают и гасят свой свет. Например, в Таиланде светлячки, собравшись на одном дереве, сначала мигают каждый в свое время. Затем пара насекомых начинает делать это синхронно. Проходит немного времени, все больше и больше насекомых начинают дружно и в одно и то же время испускать короткие вспышки света.
Через полчаса все дерево ведет себя как единый сигнальный фонарь, вспыхивая каждую секунду. Впечатление такое, что дерево опоясано новогодней гирляндой лампочек. Ученые не знают, зачем и каким образом светлячки координируют испускание света. Наблюдая свечение насекомых, ученые заинтересовались, нельзя ли как – то использовать вещество, которое заставляет светлячка светиться.
Интересный факт: некоторые светлячки в Азии и Южной Америке светятся так ярко, что их используют для освещения домов.
В клетках находятся гены, которые диктуют клетке, что ей делать и когда. С помощью сложных манипуляций ученым удалось выделить ген, который отвечает за «изготовление» клеткой люциферазы. За тем этот ген был пересажен в лист табака, в результате табачная плантация стала светиться по ночам.
Материалы по теме:
Самые опасные животные
Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter .
- Почему человек зевает и почему…
- Почему человек не узнаёт свой…
- Почему сериалы стали называться:…
- Почему одни куриные яйца…
Тёплыми ночами в конце июня — начале июля, идя вдоль опушки леса, в траве можно заметить яркие зелёные огоньки, будто кто-то зажег маленькие зелёные светодиоды. Летние ночи коротки, наблюдать это зрелище можно в течение буквально пары часов. Но если разгрести траву и посветить фонариком на место, где горит огонёк, можно увидеть невзрачное червеобразное сегментированное насекомое, у которого конец брюшка светится зелёным. Так выглядит самка светляка обыкновенного (Lampyris noctiluca ). В народе его называют иванов червячок , ивановский червячок из-за поверья, что первый раз в году появляется в ночь на Ивана Купалу. Яркий свет способны испускать лишь самки, ожидающие самцов на земле или растительности; самцы же света практически не излучают. Самец у светляка выглядит как обыкновенный нормальный жук с твердыми надкрыльями, самка же во взрослом состоянии остаётся похожей на личинку, и вовсе не имеет крыльев. Свет используется для привлечения самца. Специальный орган, испускающий свечение, расположен на последних сегментах брюшка и устроен очень интересно: есть нижний слой клеток. содержащий большое количество кристаллов мочевины, и действующий как зеркало, отражающее свет. Сам светоносный слой пронизан трахеями (для доступа кислорода) и нервами. Свет образуется при окислении специального вещества — люциферина, с участием АТФ. У светляков это очень эффективный процесс, происходящий почти со 100% КПД, вся энергия идет в свет, практически без выделения тепла. А сейчас немного более подробно обо всем этом.
Светляк обыкновенный (Lampyris noctiluca ) является представителем семейства светляки (Lampyridae ) отряда жуков (жесткокрылых, Coleoptera). У самцов этих жуков сигарообразное тело, длиной до 15 мм, и довольно крупная голова с большими полусферическими глазами. Они хорошо летают. Самки же своим внешним видом напоминают личинок, имеют червеобразное тело длиной до 18 мм, и бескрылы. Светляков можно увидеть на лесных опушках, сырых полянах, на берегах лесных озер и ручьев.
Главными во всех смыслах слова у них являются светящиеся органы. У большинства светляков они располагаются в задней части брюшка, напоминая большой фонарик. Органы эти устроены по принципу маяка. В них есть своего рода «лампа» - группа клеток-фотоцитов, оплетенная трахеями и нервами. Каждая такая клетка наполнена «топливом», в роли которого выступает вещество люциферин. Когда светлячок дышит, воздух по трахеям поступает в светящийся орган, где под воздействием кислорода люциферин окисляется. В процессе химической реакции высвобождается энергия в виде света. Настоящий маяк всегда излучает свет в нужном направлении - в сторону моря. Светляки в этом плане тоже не отстают. Фотоциты у них окружены клетками, наполненными кристаллами мочевой кислоты. Они выполняют функцию рефлектора (зеркала-отражателя) и позволяют не расходовать ценную энергию напрасно. Впрочем, об экономии эти насекомые могли бы и не заботиться, ведь производительности их светящихся органов может позавидовать любой техник. Коэффициент полезного действия у светляков достигает фантастических 98%! Это значит, что только 2% энергии расходуется напрасно, а в творениях рук человеческих (автомобилях, электроприборах) впустую тратится от 60 до 96% энергии.
В реакции свечения участвуют несколько химических соединений. Одно из них, устойчиво к нагреванию и присутствует в небольшом количестве - люциферин. Другое вещество - фермент люцифераза. Также для реакции свечения необходима ещё и аденозинтрифосфорная кислота (АТФ). Люцифераза представляет собой белок, богатый сульфгидрильными группами.
Свет образуется при окислении люциферина. Без люциферазы скорость реакции между люциферином и кислородом крайне низкая, катализация люциферазой значительно повышает её скорость. В качестве кофактора требуется АТФ.
Свет возникает при переходе оксилюциферина из возбуждённого состояния в основное. При этом оксилюциферин связан с молекулой фермента и в зависимости от гидрофобности микроокружения возбуждённого оксилюциферина испускаемый свет варьирует у различных видов светлячков от жёлто-зелёного (при более гидрофобном микроокружении) до красного (при менее гидрофобном). Дело в том, что при более полярном микроокружении часть энергии рассеивается. Люциферазы из различных светляков генерируют биолюминесценцию с максимумами от 548 до 620 нм. В целом энергетическая эффективность реакции очень высокая: практически вся энергия реакции трансформируется в свет без испускания тепла.
Все жуки содержат один и тот же люциферин. Люциферазы, напротив, у разных видов различны. Отсюда следует, что изменение окраски свечения зависит от строения фермента. Как показали исследования, температура и рН среды оказывают существенное влияние на окраску свечения. На микроскопическом уровне свечение свойственно только цитоплазме клеток, ядро при этом остается темным. Свечение испускается находящимися в цитоплазме фотогенными гранулами. При исследовании в ультрафиолетовых лучах свежих срезов фотогенных клеток эти гранулы можно обнаружить по их другому свойству - флуоресценции,- зависящему от наличия люциферина.
Квантовый выход реакции по сравнению с классическими примерами люминесценции необычайно высок, приближается к единице. Иными словами, на каждую молекулу люциферина, участвующую в реакции, испускается один квант света.
Светляки — хищники, питаются насекомыми и моллюсками. Личинки светляков ведут бродячую жизнь, наподобие личинок жужелиц. Личинки питаются мелкими беспозвоночными, преимущественно наземными моллюсками, в раковинах которых часто укрываются сами.
Взрослые жуки не питаются и вскоре после спаривания и откладки яиц гибнут. Самка яйца откладывает на листья или на землю. Вскоре из них появляются личинки черного цвета с желтыми крапинами. Они много едят и быстро растут и, кстати, тоже светятся. В начале осени, пока еще тепло, забираются под кору деревьев, где проводят всю зиму. Весной выбираются из укрытия, несколько дней откармливаются, а затем окукливаются. Через две недели появляются молодые светлячки.
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.
Один из самых романтичных моментов в летних отпусках – наблюдение за маленькими летающими огоньками в вечерней тьме. И далеко не каждый взрослый знает, откуда берется свечение светлячков, а для маленьких детей это совсем как волшебство. А ведь уже давно все известно, давайте раскроем завесу тайны свечения этих маленьких насекомых, и для чего они это делают.
Светлячки в пещере
Природа свечения
Всего выделяют около двух тысяч видов светлячков. Каждый светлячок обладает способностью светиться фосфоресцирующим светом в темноте. Органом свечения, чаще всего у этих жуков, является фотофор. Он располагается сверху в конце брюшка.
Фотофор состоит всего из трех слоев. Зеркальный слой находится внизу, и способен отражать свет. Верхний являет собой специальную светопрозрачную кутикулу. Средний слой держит в себе фотогенные клетки, что вырабатывают свет. За своим устройством фотофор похож на обычный фонарик.
Подобный вид светоизлучения называется биолюминесценцией. Она появляется после соединения кальция с внутриклеточным кислородом, и пигмента люциферина с аденозинтрифосфатной молекулой (АТФ) в присутствии ферментов лоюциферазы.
Светящееся брюшко насекомого Светлячки излучают холодный свет. В типичной электрической лампе большая половина энергии уходит в ненужное тепло, а КПД составляет всего от 5% до 10%, а светлячки перерабатывают в свет от 87% до 98% выделяемой энергии. Свечение, излучаемое этими насекомыми, относится к желто-зеленой видимой части спектра, соответствующего длине волны с 500-600 нм.
Химические процессы формирования света
Много разных видов светлячков могут по своему усмотрению увеличивать и уменьшать интенсивность свечения, а также делать прерывистый свет. Сигнал о подаче света идет от нервной системы жука. При этом в фотофор интенсивно начинает поступать кислород. Соответственно, выключение света происходит простым перекрытием подачи кислорода.
Природа свечения — окисление У насекомых отсутствуют легкие, и кислород передается по специальным трубкам — трахеолам. Запас кислорода содержится в митохондриях. Чтобы быстро выделить нужное количество кислорода, в организме светлячка вырабатываться окись азота, который поступив в митохондрии, начинает вытеснять кислород из них.
Для чего необходимо свечение насекомым
Биолюминесценция может выступать для светлячков как средство межполового общения. Кроме того, что насекомые сигнализируют своё местоположение, они еще отличают своих партнеров по специальной частоте мерцания.
Огромные стаи насекомых Североамериканские и тропические виды светлячков, чтобы привлечь внимание своих партнерш, иногда исполняют хоровые серенады. Они одновременно вспахивают и затухают всей стайкой. Стайка самок начинает им отвечать аналогичной светомузыкой.
Видео урок, почему происходит свечение светлячков