Светулките използват химическа реакция, която отделя светлина, за да си сигнализират една на друга в тъмнината на нощта.

Това е един от типичните признаци на настъпването на лятото - светулките. Способността на светулките да произвеждат собствена светлина се нарича биолуминесценция, която се среща при отделни животни, бактерии и гъбички по целия свят. Повечето от тези същества живеят в пещери или океани. Но има и такива, които живеят там, където могат да ги видят хората, включително повече от 2000 вида насекоми, които съставляват семейството на светулките.

Така че знаем как се нарича ефектът. Но как светулките (семейство Lampyridae), създават тези красиви присветващи картина?

Основата на тяхната светлина е химична реакция е съединение, наречено луциферин, обяснява Тимъти Фалън (Timothy Fallon), биохимичен генетик в Калифорнийския университет в Сан Диего. Името произлиза от името на Луцифер, означава "носещ светлина".

Луциферинът отделя светлина заради загубата на електрони – процес, наречен окисление – в присъствието на аденозин трифосфат (АТФ), молекула, която осигурява енергия за клетките, и магнезий. Тази реакция се медиира от ензима луцифераза. Светулките имат светлинни органи в корема си, където се случват тези реакции, които съдържат слой от кристализирана пикочна киселина, която помага за отразяването и усилването на светлината. Почти цялата енергия в реакцията се превръща в светлина. Реакцията е 80% до 90% ефективна. Като сравнение, електрическата крушка конвертира само около 10% от своята енергия в светлина.

Тази система за използване на луциферин и луцифераза е еволюирала независимо няколко пъти в биолуминесцентни животни, включително в друга група светещи насекоми, наречени Sinopyrophoridae.

Едва през последните няколкостотин години учените започнаха да разбират как някои живи същества могат да създават светлина. Един от първите, които постигат напредък в това отношение, е член на Кралското общество от 17-ти век в Оксфорд, който откри, че въздухът е от съществено значение за светенето на биолуминесцентна гъба.

Наистина, кислородът е една от основните съставки за биолуминесценцията на светулките.

Близък план на светулка със светещото ѝ фенерче.Светулките се нуждаят от луциферин, луцифераза, аденозин трифосфат (АТФ) и магнезий, за да светят. Кредит: terry priest | Flickr (CC BY-SA 2.0 DEED)

Какавидите - и дори яйцата - на светулките са способни да произвеждат светлина, вероятно като сигнал за хищниците, че не стават за ядене, тъй като някои от тях са отровни заради химични вещества, наречени луцибуфагини, които те синтезират от храната си. Когато светулките завършат с метаморфозата си и достигнат зряла възраст, те побразуват нови светлинни органи. Но цялостната система е същата, като светлината идва от вътрешните специални клетки, намиращи се в светлинните органи от долната страна на някои светулки, оцветявайки ги в жълто, оранжево, зелено или дори синьо.

Тези клетки са пълни с луциферин и луцифераза, както и с необичайно голям брой митохондрии. Тези малки органели изпомпват аденозин трифосфата (АТФ) на светулките, от които се нуждаят, за да задействат химичната реакция. Светулките включват и изключват светлината си чрез потока кислород към тези клетки. Липсата на кислород означава тъмнина. Много кислород? Сияние.

Този ключ за включване и изключване е важен за светулките, които използват мигащи сигнали като възрастни, за да намерят правилния партньор за размножаване. Намирането на партньори може да бъде трудно и всеки мигащ вид е развил своя собствена светлинна последователност, за да се разграничи от другите. Това превръща биолуминесценцията в "любовна песен на Морзова азбука в светлина", коментира Лин Фауст (Lynn Faust) от Университета на Тенеси с 35 години теренна работа и изследвания, фокусирани върху светулките. "Изключително краткия им живот на зряла възраст ги кара да се  надпреварват с времето", за да си намерят половинка.

Макар да е направено много за изследването на биолуминесценцията на светулките, безброй видове светулки остават недокументирани в Азия и Африка и изследователите все още се опитват да разберат как насекомите за първи път са развили своята способност да светят в тъмното преди 130 милиона до 140 милиона години според изследване, публикувано в базата данни за препринти BioRxiv.

"Най-големите въпроси без отговор са например какви са гените, които участват в биолуминесценцията?", отбелязва Фалън.

Големият пробив идва през 1985 г., когато изследователите откриват гена, отговорен за производството на луцифераза. Този ензим сега се използва в биомедицински изследвания за изкуствено осветяване на специфични протеини в растения и животни.

През 2024 г. изследователи в Ухан, Китай откриват още два гена в рядката водна светулка Aquatica leii, за които подозират, че участгват в позиционирането на светещия орган на възрастната светулка - в корема и да активират гени, генериращи светлината, като на луциферазата.

Освен дешифрирането на биолуминесценцията на светулките, учените все още проучват какво кара светулките да примигват в дивата природа. Например, в ято светулки, в което всяко насекомо мига практически независимо едно от друго, след известно време се образуват формации (клъстери), в които всички мигат синхронно.

IFrameВ ято светулки, в което всяко насекомо мига практически независимо едно от друго, след известно време се образуват формации (клъстери), в които всички мигат синхронно. Видео на фотографа Винсент Брейди (Vincent Brady)

През последните години броят на светулките намалява поради леката популация, загубата на местообитания и изменението на климата.

"Ние знаем толкова малко за светулките в естествената им среда", коментира Фауст. "Как, за бога, можем да опазим и ги защитим, ако едва разбираме най-основните им изисквания?“

Справка:

Firefly bioluminescence outshines aerial predators; Gareth S. Powell, Natalie A. Saxton, Yelena M. Pacheco, Kathrin F. Stanger-Hall, Gavin J. Martin, Dominik Kusy, Ladislav Bocak, Marc A. Branham, Seth M. Bybee; doi: https://doi.org/10.1101/2021.11.22.469605

Cloning of firefly luciferase cDNA and the expression of active luciferase in Escherichia coli.; J R de Wet, K V Wood, D R Helinski, and M DeLuca; Proc Natl Acad Sci U S A. 1985 Dec; 82(23): 7870–7873. doi: 10.1073/pnas.82.23.7870

Fu, X., Zhu, X. Key homeobox transcription factors regulate the development of the firefly’s adult light organ and bioluminescence. Nat Commun 15, 1736 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-45559-7

Източник: How do fireflies light up?, Live Science