Согласно результатам нового исследования ученых Смитсоновского национального музея естественной истории, биолюминесценция впервые возникла у животных по меньшей мере 540 миллионов лет назад в группе морских беспозвоночных, называемых октокоралами.

Результаты, опубликованные 23 апреля в журнале Труды Королевского общества B: Биологические наукиотодвинет предыдущий рекорд самого старого датированного появления светящегося признака у животных почти на 300 миллионов лет и может однажды помочь ученым понять, почему вообще развилась способность производить свет.

Биолюминесценция — способность живых существ производить свет посредством химических реакций — независимо развивалась в природе по меньшей мере 94 раза и участвует в огромном спектре поведения, включая маскировку, ухаживание, общение и охоту. До сих пор считалось, что самое раннее датированное происхождение биолюминесценции у животных произошло около 267 миллионов лет назад у мелких морских ракообразных, называемых остракодами.

Но для свойства, которое буквально освещает, происхождение биолюминесценции остается неясным.

«Никто точно не знает, почему он впервые появился у животных», — сказала Андреа Кваттрини, куратор кораллов музея и старший автор исследования.

Но чтобы Кваттрини и ведущий автор Даниэль ДеЛео, научный сотрудник музея и бывший научный сотрудник, смогли в конечном итоге решить более широкий вопрос о том, почему возникла биолюминесценция, им нужно было знать, когда эта способность впервые появилась у животных.

В поисках самого раннего происхождения этой черты исследователи решили заглянуть в историю эволюции октокораллов, эволюционно древней и часто биолюминесцентной группы животных, в которую входят мягкие кораллы, морские веера и морские загоны.

Как и твердые кораллы, октокораллы представляют собой крошечные колониальные полипы, которые выделяют каркас, который становится их убежищем, но в отличие от своих каменных родственников, эта структура обычно мягкая. Восьмикораллы, которые светятся, обычно светятся только в том случае, если их ударить или потревожить иным образом, поэтому точная функция их способности излучать свет остается немного загадочной.

«Мы хотели выяснить время возникновения биолюминесценции, а октокоралы — одна из старейших групп животных на планете, известных биолюминесценцией», — сказал ДеЛео. «Итак, вопрос был в том, когда они развили эту способность?»

Не случайно Кваттрини и Кэтрин Макфадден из колледжа Харви Мадда в 2022 году завершили чрезвычайно подробное и хорошо обоснованное эволюционное древо октокораллов. Кваттрини и ее коллеги создали эту карту эволюционных взаимоотношений, или филогении, используя генетические данные 185 видов октокораллов. .

Используя это эволюционное древо, основанное на генетических данных, ДеЛео и Кваттрини затем расположили внутри дерева две окаменелости восьмикораллов известного возраста в соответствии с их физическими особенностями. Ученым удалось использовать возраст окаменелостей и их соответствующие позиции на эволюционном древе октокораллов на сегодняшний день, чтобы примерно выяснить, когда линии октокораллов разделились на две или более ветви.

Затем команда наметила ветви филогении, в которых представлены живые биолюминесцентные виды.

Датировав эволюционное дерево и пометив ветви, содержащие светящиеся виды, команда затем использовала ряд статистических методов для выполнения анализа, называемого реконструкцией наследственного состояния.

«Если мы знаем, что эти виды октокораллов, живущих сегодня, являются биолюминесцентными, мы можем использовать статистику, чтобы сделать вывод, с высокой ли вероятностью их предки были биолюминесцентными или нет», — сказал Кваттрини. «Чем больше живых видов имеют общую черту, тем выше вероятность того, что, когда вы вернетесь во времени, эти предки, вероятно, тоже обладали этой чертой».

Исследователи использовали множество различных статистических методов для реконструкции состояния своих предков, но все пришли к одному и тому же результату: около 540 миллионов лет назад общий предок всех октокораллов, скорее всего, был биолюминесцентным. Это на 273 миллиона лет раньше, чем светящиеся ракообразные-остракоды, которые ранее носили звание самых ранних эволюционистов биолюминесценции у животных.

ДеЛео и Кваттрини заявили, что тысячи живых представителей октокораллов и относительно высокая частота биолюминесценции позволяют предположить, что эта черта сыграла роль в эволюционном успехе группы. Хотя это еще раз ставит вопрос о том, для чего именно октокораллы используют биолюминесценцию, исследователи говорят, что тот факт, что она сохранялась так долго, подчеркивает, насколько важной стала эта форма общения для их приспособленности и выживания.

Теперь, когда исследователи знают, что общий предок всех октокораллов, вероятно, уже обладал способностью производить собственный свет, они заинтересованы в более тщательном учете того, какие из более чем 3000 ныне живущих видов группы все еще могут светиться, а какие утратили эту способность. . Это может помочь сосредоточиться на ряде экологических обстоятельств, которые коррелируют со способностью биолюминесценции и потенциально освещают ее функцию.

С этой целью ДеЛео сказала, что она и некоторые из ее соавторов работают над созданием генетического теста, чтобы определить, есть ли у октокораллов функциональные копии генов, лежащих в основе люциферазы, фермента, участвующего в биолюминесценции. Для видов неизвестной светимости такой тест позволит исследователям быстрее и проще получить ответ тем или иным способом.

Помимо того, что это исследование проливает свет на происхождение биолюминесценции, оно также предлагает эволюционный контекст и понимание, которые могут помочь в мониторинге и управлении этими кораллами сегодня. Восьмикораллам угрожают изменение климата и деятельность по добыче ресурсов, особенно рыболовство, добыча нефти и газа и разливы, а в последнее время — добыча морских полезных ископаемых.

Это исследование поддерживает музейный Центр наук об океане, целью которого является распространение и обмен знаниями об океане со всем миром. ДеЛео и Кваттрини говорят, что еще многое предстоит узнать, прежде чем ученым удастся понять, почему впервые развилась способность производить свет, и хотя их результаты указывают на то, что ее происхождение происходит глубоко в эпоху эволюции, остается вероятность того, что будущие исследования обнаружат, что биолюминесценция еще более древняя. .

В этом исследовании участвуют авторы, связанные с Международным университетом Флориды, Научно-исследовательским институтом аквариумов Монтерей-Бей, Университетом Нагои, Колледжем Харви Мадда и Калифорнийским университетом в Санта-Крус.