Вчені розкрили давнє походження біолюмінесценції

Згідно з новим дослідженням, проведеним вченими зі Смітсонівського національного музею природної історії, біолюмінесценція виникла у тварин щонайменше 540 мільйонів років тому серед групи морських безхребетних, відомих як октокорали.

Результати, опубліковані в Proceedings of the Royal Society B, відсувають попередній рекорд найдавнішої датованої появи ознаки світла у тварин майже на 300 мільйонів років і одного разу можуть допомогти вченим розшифрувати, чому здатність виробляти світло виникла в перші роки. місце.

Біолюмінесценція — здатність живих істот виробляти світло за допомогою хімічних реакцій — незалежно розвивалася в природі принаймні 94 рази і бере участь у величезному діапазоні поведінки, включаючи маскування, залицяння, спілкування та полювання. До цього часу вважалося, що найдавніше походження біолюмінесценції у тварин було приблизно 267 мільйонів років тому у маленьких морських ракоподібних, які називаються остракодами.

Але для риси, яка буквально висвітлює, походження біолюмінесценції залишилося в тіні.

«Ніхто достеменно не знає, чому він спочатку з’явився у тварин», — сказав Андреа Куаттріні, куратор коралів музею та старший автор дослідження.

Але для того, щоб Кваттріні та провідний автор Даніель ДеЛео, науковий співробітник музею та колишній докторант, зрештою змогли вирішити ширше питання про те, чому виникла біолюмінесценція, їм потрібно було знати, коли ця здатність вперше з’явилася у тварин.

Методологія дослідження та результати

У пошуках найдавнішого походження цієї ознаки дослідники вирішили зазирнути в еволюційну історію октокоралів, еволюційно давньої та часто біолюмінесцентної групи тварин, до якої входять м’які корали, морські віяла та морські ручки. Подібно до твердих коралів, октокорали є крихітними колоніальними поліпами, які виділяють каркас, який стає їхнім притулком, але на відміну від своїх кам’янистих родичів, ця структура зазвичай м’яка. Восьмикорали, які світяться, зазвичай світяться лише тоді, коли на них натикаються чи іншим чином турбують, залишаючи точну функцію їхньої здатності випромінювати світло трохи загадковою.

«Ми хотіли з’ясувати час виникнення біолюмінесценції, а октокорали — одна з найдавніших груп тварин на планеті, які, як відомо, здатні до біолюмінесценції», — сказав ДеЛео. «Отже, питання полягало в тому, коли вони розвинули цю здатність?»

Не випадково у 2022 році Кваттріні та Кетрін Макфедден із коледжу Харві Мадда завершили надзвичайно детальне, добре обґрунтоване еволюційне дерево восьмикоралів . Кваттріні та її співробітники створили цю карту еволюційних зв’язків або філогенії, використовуючи генетичні дані 185 видів восьмикоралових.

Завдяки цьому еволюційному дереву, заснованому на генетичних доказах, ДеЛео та Кватріні потім розташували дві скам’янілості восьмикоранців відомого віку всередині дерева відповідно до їхніх фізичних особливостей. Вчені змогли використати вік скам’янілостей і їх відповідні позиції в еволюційному дереві октокоралів на сьогодні, щоб приблизно з’ясувати, коли лінії октокоралів розпалися на дві або більше гілок. Далі команда намітила гілки філогенезу, які містять живі біолюмінесцентні види.

Датувавши еволюційне дерево та позначивши гілки, які містили сяючі види, команда потім використала серію статистичних методів для проведення аналізу під назвою реконструкція стану предків.

«Якщо ми знаємо, що ці види октокоралів, що живуть сьогодні, є біолюмінесцентними, ми можемо використовувати статистичні дані, щоб зробити висновок, чи були їхні предки з високою ймовірністю біолюмінесцентними чи ні», — сказав Кваттріні. «Чим більше живих видів зі спільною ознакою, тим вища ймовірність того, що, коли ви рухатиметеся назад у часі, ці предки, ймовірно, також мали цю рису».

Дослідники використовували безліч різних статистичних методів для реконструкції стану предків, але всі дійшли до одного результату: близько 540 мільйонів років тому загальний предок усіх октокоралів, швидше за все, був біолюмінесцентним. Це на 273 мільйони років раніше, ніж сяючі ракоподібні остракоди, які раніше носили звання найбільш ранньої еволюції біолюмінесценції у тварин.

ДеЛео та Кваттріні сказали, що тисячі живих представників октокоралів і відносно висока частота біолюмінесценції свідчать про те, що ця особливість зіграла роль в еволюційному успіху групи. Хоча це ще більше викликає питання про те, для чого саме октокорали використовують біолюмінесценцію, дослідники кажуть, що той факт, що вона зберігалася так довго, підкреслює, наскільки важливою стала ця форма спілкування для їх здоров’я та виживання.

Майбутні напрямки досліджень і збереження

Тепер, коли дослідники знають, що загальний предок усіх октокоралів, ймовірно, вже мав здатність виробляти власне світло, вони зацікавлені в більш ретельному обліку того, які з понад 3000 живих видів групи все ще можуть світити, а які втратили властивість. Це може допомогти зосередитися на низці екологічних обставин, які корелюють зі здатністю до біолюмінесценції та потенційно висвітлюють її функцію.

З цією метою ДеЛео сказала, що вона та деякі з її співавторів працюють над створенням генетичного тесту, щоб визначити, чи є у восьмикоральних видів функціональні копії генів, що лежать в основі люциферази, ферменту, який бере участь у біолюмінесценції. Для видів із невідомою світністю такий тест дозволив би дослідникам отримати відповідь у той чи інший спосіб швидше й легше.

Крім проливання світла на походження біолюмінесценції, це дослідження також пропонує еволюційний контекст і розуміння, які можуть інформувати про моніторинг і управління цими коралами сьогодні. Октокорали знаходяться під загрозою зміни клімату та діяльності з видобутку ресурсів, зокрема рибальства, видобутку та розливів нафти та газу, а останнім часом і морського видобутку корисних копалин.

Це дослідження підтримує Музейний науковий центр про океан, який має на меті поширювати та ділитися знаннями про океан зі світом. ДеЛео та Кваттріні сказали, що ще багато чого потрібно навчитися, перш ніж вчені зможуть зрозуміти, чому вперше виникла здатність виробляти світло, і хоча їхні результати поміщають її походження глибоко в еволюційний час, залишається ймовірність того, що майбутні дослідження виявлять, що біолюмінесценція є ще давнішою.