Светящиеся растения
Свечение растений в темноте - явление довольно необычное и не многим известное. Но если вы в конце лета после теплого дождя окажетесь ночью в редком смешанном лесу или на поляне со старыми пнями сосны, ели, березы, осины или ольхи, где неоднократно собирали опята, то сможете воочию налюбоваться этой сказочной картиной. Присмотритесь внимательнее - и в таинственной тишине среди темных силуэтов перешептывающихся деревьев во мраке летней ночи увидите волшебные "огоньки", светящиеся фосфорическим светом. Попробуйте ударить легким топориком по гнилому пию или отколоть тонкий слой коры: как искры разлетятся в стороны "огоньки"-гнилушки. В домашних условиях такая гнилушка светится недолго.
На обнаженной древесине такой гнилушки нетрудно заметить черные прожилки или разветвленные темно-бурые "шнуры" (ризоморфы), заканчивающиеся тонкими беловатыми нитями - мицелием. Это грибница поселившихся на древесине широко известных грибов - опенка осеннего или летнего. У этих грибов светятся не шляпка и не ножка, а мицелий, оплетающий, как тонкой паутиной, разрушенную древесину. А создается впечатление, что светится весь пень или гнилое дерево!
Находящиеся в почве споры опят не боятся резкой смены температуры. Кроме плодовых тел в грибнице появляются разрастающиеся ризоморфы, которые заражают корни деревьев и через них переходят на стволы, поднимаясь на высоту до 2,5-3 м (рис. 12). Появление грибницы на живом дереве (чаще всего через травмированную кору) приводит к разрушению древесины и его гибели.
Рис. 12. Опенок на стволе дерева, пораженного его ризоморфами
Как видите, эти съедобные грибы доставляют не только удовольствие в виде свежеприготовленной или заготовленной впрок пищи, но и причиняют вред лесному хозяйству.
Имеются сведения, что в некоторых случаях свечением обладает еще один распространенный в Нечерноземье гриб - масленик настоящий, особенно когда его плодовое тело уже перезрело и начинает разрушаться.
Водная поверхность чанов и поддоны цветочных горшков в оранжереях и теплицах часто покрываются видимой лишь под микроскопом так называемой золотой водорослью (Chromophyton Rosanoffii), зооспоры которой при направленном освещении дают эффектный золотистый отблеск. Благодаря наличию в каждой зооспоре хроматофора и ее способности ориентироваться отражающей сферической поверхностью в, сторону потока света, наиболее интенсивное отсвечивание происходит при рассматривании зеркала воды под наименьшим острым углом к ней. Если же смотреть на воду сверху перпендикулярно, налет водорослей кажется бесцветным и совершенно не дает блеска. Но этот эффект происходит уже не за счет собственного свечения, а только благодаря улавливанию света и направленному отражению его.
Свечение растений в темноте - явление довольно необычное и не многим известное. Но если вы в конце лета после теплого дождя окажетесь ночью в редком смешанном лесу или на поляне со старыми пнями сосны, ели, березы, осины или ольхи, на которых растут опята, то сможете воочию налюбоваться этой сказочной картиной. Присмотритесь внимательнее - и в таинственной тишине среди темных силуэтов перешептывающихся деревьев во мраке летней ночи увидите волшебные "огоньки", светящиеся фосфорическим светом. Попробуйте ударить легким топориком по гнилому пию или отколоть тонкий слой коры: как искры разлетятся в стороны "огоньки"-гнилушки. В домашних условиях такая гнилушка светится недолго.
На обнаженной древесине такой гнилушки нетрудно заметить черные прожилки или разветвленные темно-бурые "шнуры" (ризоморфы), заканчивающиеся тонкими беловатыми нитями - мицелием. Это грибница поселившихся на древесине широко известных грибов - опенка осеннего или летнего. У этих грибов светятся не шляпка и не ножка, а мицелий, оплетающий, как тонкой паутиной, разрушенную древесину. А создается впечатление, что светится весь пень или гнилое дерево.
Находящиеся в почве споры опят не боятся резкой смены температуры. Кроме плодовых тел в грибнице появляются разрастающиеся ризоморфы, которые заражают корни деревьев и через них переходят на стволы, поднимаясь на высоту до 2,5-3 м (рис. 12). Появление грибницы на живом дереве (чаще всего через травмированную кору) приводит к разрушению древесины и его гибели. Эти съедобные грибы не только доставляют удовольствие в виде свежеприготовленной или заготовленной впрок пищи, но и могут причинять вред лесному хозяйству.
Имеются сведения, что в некоторых случаях свечением обладает еще один распространенный в Нечерноземье гриб - масленик настоящий, особенно когда его плодовое тело уже перезрело и начинает разрушаться.
Всего известно около 16 таких видов, причем большинство их принадлежит к всем известному типу шляпных грибов, состоящих из ножки (пенька) и шляпки - к семейству Agaricaceae, к подроду Pleurotus. Среди сумчатых грибов существуют в роде Xylaria. У одних светятся плоды, особенно нижняя поверхность шляпки, у других только вегетативные, служащие для питания гриба органы, так называемый мицелий. Грибы первой категории живут лишь на юге - в южной Европе, и еще больше их в странах жарких и тропических. Как сила, так и окраска испускаемого грибами света различна. Интенсивность фосфоресценции меняется не только с видом гриба, но неодинакова у одного и того же в разное время жизни. У некоторых, напр. у Pl. Gardneri, свет так силен, что при нем легко можно читать.
Водная поверхность чанов и поддоны цветочных горшков в оранжереях и теплицах часто покрываются видимой лишь под микроскопом так называемой золотой водорослью (Chromophyton Rosanoffii), зооспоры которой при направленном освещении дают эффектный золотистый отблеск. Благодаря наличию в каждой зооспоре хроматофора и ее способности ориентироваться отражающей сферической поверхностью в, сторону потока света, наиболее интенсивное отсвечивание происходит при рассматривании зеркала воды под наименьшим острым углом к ней. Если же смотреть на воду сверху перпендикулярно, налет водорослей кажется бесцветным и совершенно не дает блеска. Но этот эффект происходит уже не за счет собственного свечения, а только благодаря улавливанию света и направленному отражению его.
Кажущиеся на первый взгляд безобидными такие растения, как зверобой продырявленный, якорцы наземные, горец почечуйный, гречиха посевная, просо посевное, клевер луговой, люцерна посевная, иногда могут причинить неприятность. Оказывается, что животные светлой масти, "полакомившись" зеленой массой этих растений, могут серьезно заболеть. Но не вследствие отравления какими-либо ядовитыми алкалоидами, а в результате внутреннего солнечного ожога. Дело в том, что у травоядных животных в желудочно-кишечном тракте из хлорофилла зеленых растений вырабатывается сильно флюоресцирующий пигмент - филлоэритрин, обладающий свойством изменять длину волны солнечных лучей и превращать лучи химически неактивные в химически активные. Обычно филлоэритрин, всасываясь из тонких кишок в кровь, попадает с ней в печень, откуда с желчью поступает обратно в кишечник и выделяется с каловыми массами. При поедании же животными зверобоя, горца почечуйного и некоторых других растений возможные нарушения функций желудочно-кишечного тракта и печени приводят к задержке филлоэритрина в организме и поступлению его в общий круг кровообращения. Достигнув непигментированных участков кожи, этот пигмент делает их болезненно чувствительными к прямым солнечным лучам и косвенно вызывает у животных общее заболевание организма.
Животные темной масти такой болезнью обычно не страдают. Не заболевают коровы, овцы, свиньи и при поедании зеленой массы зверобоя, гречихи, клевера, проса в пасмурную погоду или при скармливании этих кормов в помещениях, где животные изолированы от прямого действия солнечного света. Все это дает основание полагать, что пигмент кожи и густой шерстный покров защищают ее от вредного действия ультрафиолетовых лучей.
А вот еще один пример. Около 50 лет тому назад завезли в Нечерноземье с Дальнего Востока интересное растение - борщевик Сосновского. В дикорастущем состоянии в центре России он не встречается. (Не спутайте его с безобидным широко распространенным в Нечерноземье на лугах борщевиком сибирским). Растение с огромными рассеченными листьями, высоким стеблем, завершающимся под стать ему соцветием - зонтиком, болезнями не страдает, никакими насекомыми не повреждается. Заинтересовало это растение ученых своей высокой урожайностью. Все бы хорошо, да есть у этого растения один серьезный порок: в клеточном соке его содержатся особые вещества - фурокумарины, которые при попадании на кожный покров или слизистые оболочки тела человека, подобно зверобою, вызывают при солнечном освещении сильные ожоги, трудно поддающиеся лечению. Достаточно дотронуться обнаженной частью тела до покрытой колючими волосками нижней поверхности его листа, как "щедрая душа" этого растения сразу же одарит вас своим "бальзамом". Правда, при силосовании происходит распад фурокумаринов и корм не опасен ни для животных, ни для человека, но обращение с этим растением при заготовке силоса требует большой осторожности и только механизированной уборки.
Представьте себе растение, которое светилось бы как фонарик, позволяя читать в темноте, не тратя ни копейки на электричество. Эти растения можно выращивать всюду для того, чтобы обеспечить мягкое ночное освещение без громоздких фонарей и проводов. Эта прекрасная фантазия может стать реальностью уже в ближайшем будущем: группа исследователей из MIT хочет воплотить ее в жизнь . Но как можно заставить растение светиться?
Биологическое свечение (биолюминесценция) часто встречается в дикой природе. Ученым из Массачусетского технологического института удалось заставить некоторые растения светиться с помощью фермента светлячков, называемого люциферазой. У насекомых она связывается с другим химическим веществом, люциферином, что и вызывает реакцию, излучающую свет. Исследователи выяснили, как имплантировать оба этих компонента в листья растений, что и в самом деле заставило последних испускать тусклое свечение.
Исследователи полагают, что они смогут улучшить эту реакцию до такой степени, что растения будут в состоянии освещать целые комнаты. Они считают, что со временем светящиеся деревья смогут заменить уличные фонари, что позволит сэкономить электроэнергию и деньги. Это не первый подобный проект: несколько лет назад стартап од названием Glowing Plants запустил кампанию на Kickstarter, чтобы создать растения, которые могли бы светиться в темноте, используя ту же реакцию люциферазы. Спустя 4 года и $500 000 собранных долларов ученые выяснили, что на самом деле вывести светящиеся растения намного сложнее, чем это казалось в теории, а потому проект закрылся. Хотя исследователям и удалось заставить растения испускать свет, он был слишком слабым, чтобы его можно было использовать для практических целей.
В MIT методика совершенно иная. Если команда Glowing Plants опиралась на генетические модификации, то в данном случае ученые хотят просто интегрировать светоносные белки прямо в растения. Согласно их прогнозам, в ближайшее время они смогут увеличить яркость растений и улучшить текущий метод имплантации белков. Сейчас белки попадают в листву после замачивания в растворе, полном наночастиц, под высоким давлением, а также в напылении и специальном окрашивании.
Конечно, в настоящее время светящиеся растения не смогли бы составить конкуренцию огромному рынку технологий освещения. Однако в будущем, если проект удастся и у него получится выйти на рынок, многие любители экологически чистых технологий (и просто те, кто не любит платить за свет) смогут оценить светильники-растения по достоинству.
Светящиеся в темноте растения, как будто появившиеся из мерцающих лесов фильма «Аватар», уже готовы поселиться в вашем саду. Выращивание светящегося дерева, конечно же, потребует некоторого времени, но вы можете заказать светящиеся в темноте семена арабидопсиса, небольшого цветкового растения из семейства крестоцветных, уже сейчас.
Согласно информации от кампании Kickstarter, запустившей компанию в прошлом году, сайт Glowingplant планировал начать поставку семян уже на следующей неделе. Но, по словам компании, релиз был отложен до осени – не из-за производственных сбоев или неудач со свечением самих растений, а по причине того, что проект собрал больше денег, чем они изначально ожидали.
Несколько месяцев назад мы поинтересовались у наших инвесторов, хотят ли они, чтобы мы начали отправлять семена вовремя, или же нам следует использовать оставшуюся часть средств на улучшение светимости, – объясняет Энтони Эванс, генеральный директор начинающей компании синтетической биологии, создавшей биолюминесцентную флору.
И подавляющее большинство посоветовало нам поработать над улучшением светимости.
Для того чтобы создать биолюминесцентное растение, ученые искусственно скрестили арабидопсис и светящуюся морскую бактерию Vibrio fischeri. Простая вставка ДНК бактерии в растение не сработала бы – для корректной работы в растении генам требуется ряд изменений – и поэтому команда учёных использовала синтетический подход.
Во-первых, исследователи собрали гены виртуально, используя программное обеспечение под названием генетический компилятор, который позволяет ученым собирать ДНК новых форм жизни на компьютерах. После этого они переслали генные характеристики занимающимся сборкой ДНК компаниям, которые и построили реальное ДНК.
Для импорта свежесобранных генов в арабидопсис, команда учёных использовала бактерию – Agrobacterium tumefaciens. В природе А. tumefaciens является патогенным организмом, который вставляет свои гены в клетки растений, вызывая онкологические новообразования. Но его нейтрализованная версия может доставлять синтезированный ДНК в растение-хозяина, не нанося ему вреда.
Исследователи вставили полученные гены в листья и провели оценку того, насколько хорошо растение адаптировалось и сколько света оно производит. Благодаря дополнительному финансированию, в настоящее время учёные экспериментирует с диапазоном слегка различных последовательностей ДНК для получения наилучшего свечения.
Мы планируем проверить около 1500 последовательностей, – отмечает Эванс.
Когда учёные подберут наилучшую последовательности ДНК, они создадут коммерческий арабидопсис светящийся в темноте, используя инструмент под названием «генная пушка», который будет бомбардировать растение наночастицами, призванными доставить ДНК внутрь.
При цветении арабидопсис будет производить семена, которые сохранят новые гены, и его потомство также будет светиться в темноте. Сейчас команда учёных проводит тестирование способности светиться второго поколения арабидопсиса.
Когда, в конечном итоге, семена поступят в широкую продажу, то это будет крупнейшим в мире релизом генно-инженерного растения – концепция, которая приходится откровенно не по душе некоторым экологам.
В современной науке синтетическая биология и генетически модифицированные организмы (ГМО) являются крайне спорными концепциями. Существуют опасения, что ГМО представляют опасность для людей или и вовсе могут стать инвазивными видами.
Когда компания «Glowing Plant» впервые выложила свой проект на Kickstarter, группа противников синтетической биологии их Канады запустила ответную кампанию «kickstopper», призванную остановить этот проект. Эта инициатива собрала всего $ 2274. Тогда как команда Эванса остановилась всего в паре долларов от полумиллиона, превысив свою первоначальную цель больше чем в семь раз.
Кристина Холмс, изучающая последствия биотехнологий и инноваций в селекции растений для человечества в Университете Далхаузи в Канаде, отмечает, что риски различаются в каждом конкретном случае.
Грубо говоря, не все ГМО одинаковы, – утверждает Холмс. – Многое зависит от того, какое растение вы используете, какие гены вы задействовали, и, наконец, для какой цели.
Риск повышается, если рассматриваемые растения предназначены для употребления человеком в пищу. Но арабидопсис – это просто сорняк. С точки зрения инвазивной опасности видов, риски также необходимо рассматривать непосредственно для каждого конкретного случая. Это зависит отчасти от того, насколько легко обсуждаемое растение распространяет свою пыльцу и, следовательно, его гены на другие растения.
В случае с арабидопсисом опасения необоснованны, потому что это растение является, прежде всего, самоопыляющейся травой, – отмечает Кайл Тейлор, молекулярный биолог и ботаник компании «Glowing Plant».
Спросите у любого биолога, работающего с арабидопсисом, легко ли заставить эти растения осуществить перекрестное опыление, и они ответят вам, что это совершенно нетривиальная задача.
Тейлор также добавил, что гибриду будет намного сложнее выжить, поскольку производство света потребует дополнительной энергии, и приведёт к ослаблению растения. Гибрид даже может спутать свой собственный свет с солнечным, что может негативно сказаться на его метаболизме.
Если поставить обычный арабидопсис рядом со светящимся, – признаётся Тейлор, – то светящееся растение выглядит менее счастливым.
Холмс утверждает, что никогда нельзя знать заранее, как будет вести себя новый вид, но световая модификация уж точно «не придаст ему большей силы как сорняку» – по сравнению, скажем, с рапсом, который генетически модифицирован таким образом, чтобы противостоять гербицидам.
По прогнозам Эванса светящееся растение должно сделать концепцию синтетической биологии интересной и близкой для людей.
Причина, по которой многие испытывают недоверие к биотехнологиям, заключается в том, что они их не понимают, – убеждён Эванс. – Мы же верим, что нам удастся изменить отношение к биотехнологии, создав нечто осязаемое, то, что люди смогут понять.
Так неужели мы и вправду увидим лес, наполненный деревьями с Пандоры, которые заменят уличные фонари, сократят потребление электроэнергии и выбросы CO2?
Для того чтобы добраться до такого уровня, потребуется немало потрудиться, – признаётся Тейлор.
Это биология, так что всегда могут всплыть какие-то нюансы, которые мы не до конца понимаем. Но у нас есть пара идей, как добиться желаемого.
Кембриджские разработчики биолюминесценции, свои первые заметные результаты, перспективы создания светящихся растений, получили в 2010 году, хотя разработкой начали заниматься значительно ранее.
Разработчики-экспериментаторы генной инженерии сумели внедрить модифицированный генный материал, добытый из известных всем светлячков,
в бактерии и выделить отдельные компоненты, которые теоретически можно внедрить в любой геном.
Стандартная винная бутылка, заполненная светящимися бактериями, давала приличное количество света, что можно было читать газету. Исследователи сообщили, что они видят перспективу создания светящихся растений, хотя пока еще есть некоторые проблемы, над преодолением которых ведутся работы.
Коллектив проекта считает, что сегодня появилась возможность создавать не только растения, излучающие свет различных цветов, но такие, которые будут светиться по заранее заданной программе, например, при прикосновении или после стрижки или обрезки стебля, или только в темное время суток.
Видя будущие перспективы, участники разработки создали проект Glowing Plants (в переводе «Светящиеся растения») и запустили инвестиционную компания, которая получила большую поддержку, и за первую неделю уже было собрано более половины суммы 400000 долларов, намеченной в качестве конечной цели. Количество желающих поддержать проект перевалило за 3500 человек и продолжает увеличиваться.
В чем ценность кампании Светящихся растений?
Энтони Эванс, координатор этого проекта, сообщает, что запуск инвестиционной кампании на Kickstarter, был вызван новыми возможностями для развития, так как это дает возможность развивать науку иным, более открытым путем.
Glowing Plants не планирует организовывать промышленное производство светящихся деревьев для использования в качестве светильников. Однако, в качестве поощрения, они предлагают генетический материал для самостоятельного использования, обучение и поощрительные призы всем, кто поддержит их проект материально.
Например, одно из поощрительных предложений организаторов этого проекта, – семена генетически модифицированного светящегося растения Arabidopsis thaliana. Эти семена будут высланы всем тем, кто пожертвует $40 на благо проекта. Примерная дата, когда инвесторы смогут получить свои семена – июнь следующего года, или на месяц раньше, если взнос составит $120. Живое светящееся растение, которым можно похвастаться перед друзьями и использовать в качестве ночника доставят за $150.
При суме взноса $5000 и более, представитель команды проведет однодневный семинар по проблемам биолюминесценции. А имя того, кто внесет $10000 и более, будет увековечено в ДНК светящихся растений. Известно, что на сегодняшний день уже даже нашелся один такой спонсор проекта.