Химия свечения грибов

В живой природе свечение всегда возникает в ходе химических превращений. Вещества гриба реагируют друг с другом и с окружающим воздухом, отдавая избыток химической энергии в форме квантов видимого света. Нагревания при этом практически не происходит, поэтому биологи называют такое явление холодным свечением.

Главную роль в этом процессе выполняют два ключевых компонента. Первый компонент — люциферин, небольшая органическая молекула, способная отдавать энергию. Второй компонент — люцифераза, особый белок-фермент, который во много раз ускоряет окисление люциферина. Без фермента молекулы реагировали бы с кислородом невероятно медленно, и никакого заметного сияния увидеть бы не удалось.

Для запуска реакции клеткам гриба требуются определенные химические условия:

  • Постоянный приток свободного растворенного кислорода из окружающего воздуха или влажной древесины.
  • Определенный уровень кислотности внутриклеточной среды, при котором фермент сохраняет правильную форму.
  • Наличие энергии в виде молекул аденозинтрифосфата для предварительной подготовки веществ к окислению.
  • Достаточная влажность субстрата, предотвращающая высыхание грибницы и разрушение белковых цепочек.

Когда кислород соединяется с молекулой люциферина, образуется промежуточное соединение в возбужденном электронном состоянии. Буквально за доли секунды молекула возвращается в спокойное состояние, сбрасывая излишек энергии в виде вспышки зеленого фотона с длиной волны около 520–530 нанометров. Человеческий глаз воспринимает эту часть спектра лучше всего.

Как российские ученые разгадали химическую формулу грибного люциферина

Строение люциферина у светлячков и глубоководных рыб химики установили еще в двадцатом веке. Химическая структура светящегося вещества грибов оставалась загадкой вплоть до недавнего времени, потому что в тканях грибов люциферин содержится в микроскопических долях процента и очень быстро разрушается на воздухе.

В 2015 году группа исследователей под руководством Ильи Ямпольского из Института биоорганической химии Российской академии наук расшифровала формулу грибного люциферина. Оказалось, грибы вырабатывают вещество гиспидин, распространенное среди многих растительных организмов. Специальный фермент превращает гиспидин в 3-гидроксигиспидин, который и выступает непосредственным топливом для свечения.

В 2017 году эта же научная группа полностью описала весь каскад ферментов грибного свечения. Ученые выделили четыре гена, отвечающих за весь замкнутый цикл. В этом цикле отработанный окисленный продукт возвращается обратно в цепочку реакций и восстанавливается до исходного предшественника, благодаря чему гриб может мягко светиться круглые сутки на протяжении нескольких дней.

Зачем грибам светиться

Создание сложных молекул вроде ферментов требует от любого организма огромных затрат питательных веществ. Никакой биологический вид не тратит ресурсы просто так, свечение несет в себе четкие экологические задачи.

Привлечение ночных переносчиков спор

У большинства высших грибов споры созревают в пластинках или трубочках под шляпкой. Грибам выгодно расселять споры на новые гниющие бревна и деревья, однако под густым лесным пологом по ночам почти нет ветра. Зеленый свет привлекает ночных жуков, мух, комариков и мокриц. Насекомые ползают по светящимся шляпкам, собирают на свои лапки миллионы микроскопических спор и разносят их по округе.

Защита клеток от токсичных радикалов

Вторая гипотеза биологов связывает свечение с внутренним метаболизмом грибницы. Древесные грибы перерабатывают прочный лигнин древесины с помощью сильных окислителей. При этом образуются ядовитые формы кислорода, способные повредить ДНК и белки гриба. Реакция люциферина с кислородом связывает опасные свободные радикалы, работая природным антиоксидантом, а свечение оказывается побочным продуктом этой клеточной защиты.

Самые известные светящиеся грибы

В мире известно свыше ста видов светящихся грибов. Большинство из них обитает во влажных тропических лесах Юго-Восточной Азии, Южной Америки и Австралии, но отдельные виды встречаются и в наших умеренных широтах.

Наиболее изученными считаются следующие представители:

  • Опенок осенний часто растет на старых пнях в российских лесах, при этом светится не сама шляпка на ножке, а белые нити грибницы внутри полусгнившей древесины, создавая знаменитый эффект светящихся гнилушек.
  • Мицена хлорофос обитает в Японии и Бразилии, выпуская в сезон дождей яркие шляпки, которые в темноте освещают пространство вокруг себя на несколько десятков сантиметров.
  • Омфалот масличный растет на юге Европы и в Крыму на корнях дубов и маслин, внешне сильно напоминает обычную лисичку, содержит яд мускарин и излучает мягкое желто-зеленое сияние пластинками под шляпкой.
  • Панеллюс вяжущий встречается в Северной Америке и Евразии на древесине берез и дубов, образуя плотные гроздья мелких веерообразных шляпок.

Чем грибное свечение отличается от свечения светлячков

Хотя общее название веществ одинаковое — люциферин и люцифераза — химическое строение этих молекул у разных царств живой природы сильно различается. Эволюция изобретала способность светиться независимо более тридцати раз.

Светлячки используют свечение для брачной сигнализации. Они включают и выключают фонарики на брюшке за доли секунды, регулируя подачу нервных импульсов и кислорода в световые органы. Грибы лишены нервной системы, поэтому их свечение непрерывное, ровное и меняется очень плавно в зависимости от температуры, зрелости плодового тела и суточных биоритмов.

Частые вопросы

Можно ли увидеть свечение грибов днем?

Днем заметить грибной свет невозможно, потому что солнечные лучи в тысячи раз ярче слабого зеленого свечения клеток. Чтобы увидеть светящуюся шляпку или гнилушку, нужно зайти в полностью темную комнату или густой ночной лес и подождать пять минут, пока глаза привыкнут к темноте.

Все ли светящиеся грибы ядовиты?

Среди светящихся грибов встречаются как ядовитые виды вроде омфалота масличного, так и съедобные, например опенок осенний. Само по себе свечение указывает только на протекание биохимической реакции окисления и никак не связано с наличием или отсутствием грибных токсинов.

Светится ли сорванный гриб?

Сорванное плодовое тело продолжает испускать свет до тех пор, пока его клетки остаются живыми и в них сохраняется влага с запасом веществ. По мере высыхания тканей и разрушения ферментов свечение постепенно угасает и полностью прекращается через несколько часов.

Используют ли светящиеся грибы в науке?

Гены грибной люциферазы сейчас активно встраивают в геномы растений и животных. В лабораториях уже созданы генетически модифицированные светящиеся табак и комнатные петунии, которые светятся в темноте без добавления химических реактивов прямо на окне.