Живое сияние

«...сначала там мигали только две или три зеленые точки, плавно скользившие среди деревьев.
Но постепенно их становилось больше, и вот уже вся роща освещена фантастическим зеленым заревом.
Никогда нам не доводилось видеть такого огромного скопления светлячков.
Они носились облаком среди деревьев, ползали по траве, кустам и стволам...
Потом сверкающие потоки светлячков поплыли над заливом...»

Дж.Даррелл. «Моя семья и другие звери»

Слышал о светлячках, наверное, каждый. Многие их видели. Но что мы знаем о биологии этих удивительных насекомых?

Светлячки, или светляки, – представители отдельного семейства Lampyridae в отряде жуков. Всего их насчитывается около 2000 видов, и распространены они практически по всему свету. Размеры разных видов светлячков составляют от 4 до 20 мм. У самцов этих жуков сигарообразное тело и довольно крупная голова с большими полусферическими глазами и короткими антеннами, а также весьма надежные и крепкие крылья. А вот самки светлячков обычно бескрылы, мягкотелы и своим внешним видом напоминают личинок. Правда, в Австралии есть виды, у которых крылья развиты как у самцов, так и у самок.

Все виды светляков обладают удивительной способностью испускать в темноте мягкий фосфоресцирующий свет. Их орган свечения – фотофор – чаще всего располагается на конце брюшка и состоит из трех слоев. Нижний слой выполняет роль рефлектора – цитоплазма его клеток заполнена микроскопическими кристалликами мочевой кислоты, отражающими свет. Верхний слой представлен прозрачной, пропускающей свет кутикулой – словом все, как в обычном фонаре. Собственно фотогенные, вырабатывающие свет клетки, расположены в среднем слое фотофора. Они густо оплетены трахеями, по которым поступает воздух с необходимым для реакции кислородом, и содержат огромное количество митохондрий. Митохондрии вырабатывают энергию, необходимую для окисления особого вещества люциферина при участии соответствующего фермента – люциферазы. Зримым результатом этой реакции и является биолюминесценция – свечение.

Коэффициент полезного действия фонариков светлячков необыкновенно высок. Если в обычной электрической лампочке в видимый свет превращается лишь 5% энергии (а остальная рассеивается в виде тепла), то у светлячков в световые лучи переходит от 87 до 98% энергии!

Свет, испускаемый этими насекомыми, относится к довольно узкой желто-зеленой зоне спектра и имеет длину волны 500–650 нм. Ультрафиолетовых и инфракрасных лучей в биолюминесцентном свете светлячков нет.

Процесс свечения находится под нервным контролем. Многие виды способны по своему желанию уменьшать и увеличивать силу света, а также испускать прерывистый свет.

Обладают светящимся органом как самцы, так и самки светлячков. Более того, светятся, хотя и гораздо слабее, личинки, куколки, и даже отложенные этими жуками яички.

Свет, испускаемый многими тропическими видами светлячков, очень яркий. Первые европейцы, поселившиеся в Бразилии, при отсутствии свечей освещали свои дома светлячками. Ими же наполняли лампады перед иконами. Индейцы, путешествуя ночью через джунгли, до сих пор привязывают к большим пальцам на ногах крупных светлячков. Их свет не только помогает видеть дорогу, но и, возможно, отпугивает змей.

Энтомолог Эвелин Чисман в 1932 г. писала, что некоторые эксцентричные дамы Южной Америки и Вест-Индии, где водятся особенно крупные светлячки, перед вечерними праздниками украшали этими насекомыми свои прическу и платье, и живые украшения на них сверкали подобно бриллиантам.

Мы с вами не можем полюбоваться свечением ярких тропических видов, но и у нас в стране живут светлячки.

Наш наиболее обычный большой светляк (Lampyris noctiluca ) известен еще под названием «иванов червячок ». Такое название получила самка этого вида, имеющая удлиненное бескрылое тело. Именно ее довольно яркий фонарик мы обычно замечаем по вечерам. Самцы иванова червячка – маленькие (около 1 см) бурые жучки с хорошо развитыми крыльями. У них тоже есть органы свечения, но заметить их обычно можно, только взяв насекомое в руки.

В книге Джеральда Даррелла, строки из которой взяты в качестве эпиграфа к нашей статье, упоминается, скорее всего, летающий светлячок - жук люциола мингрелика Luciola mingrelica , встречающийся не только в Греции, но и на побережье Черного моря (в том числе в районе Новороссийска), и часто устраивающий там похожие фантастические представления.

Photinus pyralis в полёте

А в Приморье можно встретить редкого и малоизученного светлячка пироцелию (Pyrocaelia rufa ). И самцы и самки этого вида активно светятся в темные августовские ночи.

В Японии обитают Luciola parva и Luciola vitticollis .

Считается, что биолюминесценция светлячков – средство межполового общения: световыми сигналами партнеры дают знать друг другу о своем местонахождении. И если наши светлячки светятся постоянным светом, то многие тропические и североамериканские формы мигают своими фонариками, причем в определенном ритме. Некоторые виды исполняют для своих партнеров настоящие серенады, причем хоровые, вспыхивая и затухая в унисон всей стаей, собравшейся на одном дереве.

А жуки, расположившиеся на соседнем дереве, тоже вспыхивают согласованно, но не в такт с светлячками, сидящими на первом дереве. Также, в своем собственном ритме, светятся жучки и на других деревьях. Очевидцы говорят, что это зрелище настолько яркое и красивое, что затмевает иллюминацию крупных городов.

Час за часом, неделями и даже месяцами, жучки мигают на своих деревьях все в том же ритме. Ни ветер, ни сильный дождь не могут изменить интенсивности и частоты вспышек. Только яркий свет луны способен на некоторое время притушить эти уникальные природные фонарики.

Можно нарушить синхронность вспышек, если осветить дерево яркой лампой. Но, когда внешний свет погаснет, светлячки опять, словно по команде, начинают мигать. Сначала те, что в центре дерева, приспосабливаются к одному ритму, потом соседние жуки подключаются к ним и постепенно волны вспыхивающих в унисон огоньков распространяются по всем ветвям дерева.

Самцы разных видов светлячков летают в поисках вспышек определенной интенсивности и частоты – сигналов, испускаемых самкой своего вида. Как только огромные глаза улавливают нужный световой пароль, самец опускаются рядом, и жуки, посияв друг для друга огнями, совершают таинство бракосочетания. Впрочем, эта идиллическая картина может иногда нарушаться самым кошмарным образом по вине самок некоторых видов, принадлежащих к роду Photuris . Эти самки испускают сигналы, привлекающие самцов других видов. А потом попросту закусывают ими. Подобное явление носит название агрессивной мимикрии .

"Он с важностью водрузил мерцающую и подмигивающую банку на ночной столик, взял карандаш и стал усердно писать что-то в своем блокноте.
Светлячки горели, умирали, снова горели и снова умирали, в глазах мальчика вспыхивали и гасли три десятка переменчивых зеленых огоньков, а он все писал — десять минут, двадцать, черкал, исправлял строчку за строчкой, записывал и вновь переписывал сведения, которые так жадно, второпях копил все лето.
Том лежал и как завороженный не сводил глаз с крохотного живого костра, что вздрагивал, полыхал и замирал в банке, и наконец так и уснул, опершись на локоть, а Дуглас все писал и писал..."

Мой интерес к светлячкам возник внезапно и был вызван именно этим абзацем после недавнего прочтения замечательной книги Рэя Бредребри "Вино из одуванчиков".
Мне стало любопытно, а действительно ли светлячки могут светиться в банке
так долго? Да и почему вообще они светятся?
Перечитав много разной информации об этом на разных сайтах, я собрала все наиболее интересное, на мой взгляд, в своем посте, чем с вами и делюсь!

************************************************

Летом, по вечерам, когда уже стемнеет, в поле, словно маленькие молнии, мелькают светлячки. Каждый в детстве собирал этих уникальных насекомых в банку и любовался тем, как они светятся. И, конечно, задавался вопросом, а почему они светятся?

Всего известно около 2000 видов светлячков и каждый из них обладает способностью излучать фосфорецирующий свет. Чаще всего орган свечения этих жуков — фотофор — располагается на конце брюшка.

Фотофор состоит из 3-х слоев. Нижний слой, зеркальный, способен отражать свет. Верхний — представляет собой светопрозрачную кутикулу. В среднем слое находятся фотогенные клетки, вырабатывающие свет. Как видно, по своему устройству фотофор напоминает обычный фонарик.

Подобный вид свечения называется биолюминисценцией, которая возникает в результате соединения внутриклеточного кислорода с кальцием, молекулой аденозинтрифосфата (АТФ) и пигментом люциферином в присутствии фермента лоюциферазы.

Свет, излучаемый светлячками — холодный. В отличие от обычной электрической лампы, где основная часть энергии переходит в бесполезное тепло, а КПД составляет 5% — 10 %, светлячки переводят в световое излучение 87% — 98% затраченной энергии.

Свечение этих насекомых относится к видимой желто-зеленой части спектра, соответствующей длинам волн от 500 до 600 нм.
Многие виды светлячков в состоянии по своему желанию уменьшать и увеличивать интенсивность свечения или излучать прерывистый свет. Когда нервная система жука подает сигнал о «включении» света, в фотофор начинает интенсивно поступать кислород, а для «выключения» достаточно прекратить подачу.

У насекомых нет легких, а кислород передается посредством специальных трубочек — трахеол. Запас кислорода находится в митохондриях. Для быстрого выделения необходимого количества кислорода, организм светлячка вырабатывает окись азота, которая, поступая в митохондрии, вытесняет из них кислород.

Биолюминисценция для светлячков является средством межполового общения. Насекомые не только сигнализируют о своем местоположении, но и отличают своего партнера по особой частоте мерцания. Тропические и североамериканские виды светлячков иногда исполняют целые хоровые серенады для своих партнерш, одновременно вспыхивая и затухая всей стайкой. Стайка самок отвечает им такой же светомузыкой.

Конечно, интересно, зачем природа наделила светляков такой интересной особенностью. Ведь свечение не помогает им в поисках пищи, не отпугивает собак и больших кошек. Большинство ученых склоняется к предположению, что таким своеобразным образом жуки привлекают особей противоположного пола для спаривания. Поскольку разные виды светлячков светят по-разному, мерцают с разной периодичностью, это позволяет им быть уверенными, что спаривание внутривидовое.

Некоторые экзотические виды светляков способны синхронно излучать свет. Так, например, в Таиланде можно наблюдать такую картину - светляки собираются на одном дереве в большом количестве. Сначала каждое насекомое испускает вспышки света в своем определенном ритме. Но спустя некоторое время пара жуков начинает мигать синхронно, а затем и остальные присоединяются к их ритму. В результате дерево выглядит как новогодняя елка, мигающая ежесекундно, словно украшенная гирляндами огней.

Ученым даже удалось выделить ген, отвечающий за свечение. Он был успешно транспортирован в растения, в результате получились целые светящиеся по ночам плантации.

Свет, испускаемый многими тропическими видами светлячков, очень яркий. Первые европейцы, поселившиеся в Бразилии, при отсутствии свечей освещали свои дома светлячками. Ими же наполняли лампады перед иконами. Индейцы, путешествуя ночью через джунгли, до сих пор привязывают к большим пальцам на ногах крупных светлячков. Их свет не только помогает видеть дорогу, но и, возможно, отпугивает змей.

Энтомолог Эвелин Чисман в 1932 г. писала, что некоторые эксцентричные дамы Южной Америки и Вест-Индии, где водятся особенно крупные светлячки, перед вечерними праздниками украшали этими насекомыми свои прическу и платье, и живые украшения на них сверкали подобно бриллиантам.

Британские генетики из университета Хартфордшира (University of Hertfordshire) придумали, как с помощью генной инженерии заставить ёлочные иголки излучать собственный свет. Для этого они собираются пересадить ели два гена, взятые у медуз и светлячков. Один из них отвечает за производство зелёного флуоресцентного белка, а второй вырабатывает фермент люциферазу.

Молодой побег планируется заразить безобидной бактерией, которая несёт необходимые гены и встраивает их в ДНК дерева. Затем с помощью химического вещества люцеферина, включённого в состав удобрений, будет активирован фермент, который в свою очередь «включит» светящийся белок. В итоге модифицированная хвоя будет светиться как в темноте, так и при дневном освещении.

Какой бы фантастической не казалась эта идея, при её разработке учёные опирались на предыдущие успешные научные работы. Ранее подобным путём были созданы светящийся в темноте шёлк, картофель и даже мыши и поросята.

Светящийся шелк

Свиньи с генами светящейся медузы

Единственной проблемой, которую видят авторы проекта, является цена удивительной ёлки. По их подсчётам такое дерево будет стоить около $320 и окажется по карману далеко не всем. Однако они полагают, что такой необычный товар в любом случае будет пользоваться спросом.

Идея имеет потенциал для развития. Ведь не так давно в природе были открыты синий и красный флуоресцентные белки. Так что в будущем можно создать рождественские и новогодние деревья, которые будут излучать разноцветное свечение.

А эта фотография похожа на звездное небо, правда?!

Пещеры Вайтомо (Waitomo Caves) - одноименная деревня и знаменитые карстовые пещеры, являющиеся главной достопримечательностью юга Области Вайкато (Waikato), на Северном острове Новой Зеландии, в 12 километрах к северо-западу от городка Те Куити (Te Kuiti).

Это пещера Glowworm, Новая Зеландия. Она заселена удивительными существами — Arachnocampa Luminosa. Это светлячки, которых можно встретить только в Новой Зеландии. Их зелёно-голубое свечение делает свод пещеры похожим на звёздное небо в морозную ночь.

Именно так выглядят потолки пещеры с личинками светлячков Arachnocampa luminosa, которые, по утверждению учёных, светятся преимущественно от голода. Причём чем острее голод — тем ярче свечение.

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.

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.