ФЭНДОМ


Биолюминесценция на улицах города

Использование биолюминесценции в освещении города

Биолюминесценция — способность живых организмов светиться, достигаемая самостоятельно или с помощью симбионтов. Биолюминесценция основывается на химических процессах, при которых освобождающаяся энергия выделяется в форме света.

Использование биолюминесцентности растений в хозяйственной деятельности человека началось в середине XXI века, когда благодаря генной инженерии были выведены устойчивые виды биолюминесцентных деревьев для освещения улиц.

Биолюминесценция в природе

«Биолюминесценция» — это нетепловое свечение в живой системе. В природе существует множество различных биолюминесцентных систем, которые независимо развились у бактерий и грибов, кишечнополостных и членистоногих.

Известно около 800 видов светящихся живых существ. Большинство из них обитают в море. Это бактерии, одноклеточные жгутиконосные водоросли, радиолярии, грибы, планктонные и прикрепленные кишечнополостные, сифонофоры, морские перья, гребневики, иглокожие, черви, моллюски, ракообразные, рыбы.

Природа предусмотрела целый ряд полезных функций свечения. Одно из применений биолюминесценции является привлечение другого объекта, как добычи, так и представителей противоположного пола. Следующие использование этого свойства – отражение нападений хищников, которые могут потерять «хватку» при виде светящегося объекта. Организмы также используют биолюминесценцию, чтобы осветить окружающее их пространство. Черный Dragonfish, например, воспроизводит красное свечение, что позволяет ему видеть красно-пигментированные сегменты добычи, которые обычно невидимы в глубоководной среде океана, где красный свет отфильтровывается под толщей воды. Наконец, выработка света может быть необходима организма в качестве маскировка на фоне естественных источников света и взаимодействия с другими представителями вида.
Aequorea Victoria

За выработку зеленого флуоресцирующего белка (GFP), впервые найденного в организме медузы Aequorea Victoria

У бактерий люминофорные белки рассеяны по всей клетке, у одноклеточных эукариотических (имеющих клеточное ядро) организмов они находятся в окруженных мембраной пузырьках в цитоплазме. У многоклеточных животных свет обычно излучают специальные клетки — фотоциты, часто сгруппированные в особые органы — фотофоры.

Фотоциты кишечнополостных и других примитивных животных, как и фотофоры, работающие за счет симбиотических фотобактерий, светятся непрерывно или в течение нескольких секунд после механического или химического раздражения.

У животных с более-менее развитой нервной системой она управляет работой фотоцитов, включая и выключая их в ответ на внешние раздражители или при изменении внутренней среды организма. Кроме внутриклеточного, у глубоководных креветок, осьминогов, каракатиц и кальмаров встречается свечение секреторного типа: смесь продуктов секреции двух разных желез выбрасывается из мантии или из-под панциря и расплывается в воде как сияющее облако, ослепляя противника.

Технология

Светящиеся растения

Светящиеся растения

Светящихся растений в природе не бывает. Сделать их искусственно пытались и раньше: ген люциферазы светлячков был внесен в растения табака еще в 1980-х годах. А в 2010 году биологам из Кембриджа удалось использовать весь «светоносный комплекс» светлячка, получив стабильно светящиеся ГМ-бактерии. Фактически нужно заставить работать такую систему (обычно она включает фермент люциферазу и необходимые для ее работы молекулы люциферина) в растении и при этом не вредить ему.

Растения светятся все время, непрерывно, но яркость может колебаться. Они начинают светиться ярче, если, например, положить рядом банановую кожуру. Она выделяет этилен, растительный гормон, который, с одной угнетает рост растений, а с другой — способствует созреванию плодов.

Интенсивность свечения колеблется в зависимости от времени суток, пик яркости приходится примерно на середину ночи. Молодые побеги светятся ярче, старые тусклее. Ярко светятся цветы. А если листу пора умирать, там включатся какая-то биохимия, и он вспыхивает перед тем, как погибнуть окончательно.

Очень ярко светятся корни, особенно точки их ветвления. Если отрезать побег, на этом месте начинает вырастать новый, и это место тоже светится очень ярко. Срезанная часть растения будет светиться до тех пор, пока она не засохнет.

Биолюменисцентная мышь

Генномодифицированная биолюминесцентная мышь

Самое яркое применение биолюминесценции — создание трансгенных растений и животных. Первую мышь с геном GFP, внедренным в хромосомы, создали в 1998 году. Светящиеся белки нужны для отработки методик внедрения чужих генов в хромосомы самых разных организмов: светится — значит, метод работает, можно использовать его для введения в геном целевого гена. Первые светящиеся рыбки — трансгенные данио (Brachydanio rerio) и японская рисовая рыбка медака (Orizias latipes) — появились в продаже в 2003 году. В 2014 году китайские ученые вывели светящихся свиней.

Применение искусственной биолюминесценции

Применение технологии биолюминесценции стало возможным лишь благодаря решению трех ключевых проблем: растения должны самостоятельно производить энергию, прекрасно адаптированы к условиям городской среды и самостоятельно восстанавливаться при повреждениях.

Растение-светлячок Starlight Avatar

Растение-светлячок Starlight Avatar

Потенциальных задач для такой искусственной биолюминесцентной системы очень много. Например, можно её использовать для выращивания растений-детекторов, которые будут светиться в ответ на стрессы — высокую температуру, высокую соленость, болезни и т.д. С другой стороны они могли выполнять чисто декоративную функцию для благоустройства домов и городских улиц.

Первые устойчивые виды биолюминесцентных растений использовались в качестве ночника в жилые дома[1] — низкие затраты на воспроизведение, приспособленность к домашней среде и экзотичный вид предопределили быстрое распространение технологии по всему миру в середине 2030-х годах. Моду быстро подхватили цветочные магазины, которые стали продавать светящиеся цветы и растения. Впрочем, выделявшийся свет был недостаточным для промышленного применения данных растений.

Биолюминесцентные деревья

Биолюминесцентные деревья в городском парке

Альтернативой стало применение биолюминесцентной краски, в основе которой лежат биолюминесцентные бактерии. Её использовали для окраски листвы и веток деревьев, кустов, цветов и прочих растений, что позволяло им светиться в темноте. Даже при отсутствии солнца днем, после наступления вечера растения излучали свет на протяжении восьми часов. Такие бактерии не наносили существенного вреда деревьям и были практически незаметны днём.

Существенное увеличение яркости позволило расширить сферу применения биотехнологии. Поскольку на освещение улиц и квартир тратится до 20% производимого электричества, то одним из вариантов снижения этих энергозатрат стало использование биолюминесцентных растений. Первые светящиеся деревья появились на улицах города Дубаи, где их высадили ещё до завершения испытаний на безопасность. Впрочем, свечение от подобных деревьев было сравнительно тусклым, поэтому в качестве полноценных источников света для городских улиц они использоваться не могли. Тем не менее, парки, в которых были высажены биолюминесцентные растения быстро становились точками притяжения городских жителей и туристов.

07 fluori cat.original

Биолюминесцентный кот

Биолюминесцентность стала применятся в измерении уровня загрязнения водоёмов, уровня радиации выпадающих осадков, а также наличия определенных веществ в составе продуктов. Кроме того, учёные-биологи из Канады вывели растения, которые позволяют выявлять содержание ртути в атмосфере. Применение таких растений-индикаторов стало крайне полезным в системах водоснабжения и на опасных производствах.

Технологии биолюминесценции в Альтернативном будущем

Примечания

  1. Ещё в начале века появились генномодифицированные домашние рыбки, которые обладали биолюминесцентностью.
Материалы сообщества доступны в соответствии с условиями лицензии CC-BY-SA , если не указано иное.