Физики выяснили, почему светятся волны прибоя

Учёные объяснили, как морские волны заставляют микробов испускать яркий свет. Этот вопрос много лет не давал покоя физикам.

Достижение описано в научной статье, опубликованной в журнале Physical Review Letters группой во главе с Рэймондом Гольдштейном (Raymond Goldstein) из Кембриджского университета.

Свечение ночного моря – завораживающее зрелище. Биологи давно знают, что этот свет испускают динофлагелляты – одноклеточные организмы, живущие в воде. Хорошо изучена цепочка химических процессов, стоящая за этим явлением. Известно также, что её каким-то образом запускают морские волны. Но как они это делают?

"Несмотря на десятилетия научных исследований, в основном в области биохимии, физический механизм, с помощью которого поток жидкости запускает генерацию света, остаётся неясным", – констатирует Гольдштейн.

Чтобы разгадать эту загадку, авторы нового исследования разработали целый набор новых экспериментальных методов, позволяющий измерять деформацию отдельных клеток.

Учёные сосредоточились на динофлагеллятах вида Pyrocystis lunula. В результате многочисленных экспериментов исследователи выяснили, как удары волн заставляют этих одноклеточных светиться.

Оказалось, что дело в деформации клеточной мембраны под напором волны. Как полагают эксперты, из-за такой деформации в оболочке клетки открываются каналы, которые впускают внутрь ионы кальция (всегда присутствующие в морской воде). Кальций-то и запускает цепочку реакций, приводящую к свечению.

Художественное изображение светящихся микроорганизмов (показаны оранжевым) в потоках морской воды.
Иллюстрация Maziyar Jalaal/University of Cambridge.

Однако далеко не на каждый толчок динофлагелляты отвечают светом. Как показали опыты, роль здесь играет и глубина деформации клеточной мембраны, и её скорость. Свечение запускается, только если клетка деформировалась достаточно быстро и вместе с тем достаточно сильно.

Физики разработали математическую модель, прогнозирующую, какое воздействие заставит клетку светится, а какое нет. С помощью экспериментов авторы убедились, что она работает.

Учёные полагают, что динофлагелляты неспроста столь разборчивы. Свет этим одноклеточным нужен для того, чтобы отпугивать хищников. Поэтому с эволюционной точки зрения динофлагеллятам выгодно светиться в ответ на достаточно резкое воздействие, похожее на нападение. В то же время на свечение, очевидно, расходуется энергия, получаемая из пищи. Поэтому не годится растрачивать силы, отвечая светом на каждое нежное поглаживание со стороны внешнего мира.

Под давлением естественного отбора микробы усвоили, что отвечать свечением нужно только на сильные и быстрые удары. Видимо, совершенно случайно под эти критерии подпали не только нападения хищников, и игра прибрежных волн.