Физики объяснили механизм свечения морских волн

Наверняка многие из нас видели, как колонии фотосинтезирующих микроорганизмов, называемых динофлагеллятами (также известны как динофитовые водоросли), устраивают незабываемые световые шоу на побережьях по всему миру, придавая волнам красивое и таинственное синие свечение. И команда ученых из Кембриджского университета при поддержке коллег из Германии и Франции решила выяснить, от чего зависит такой эффект. Их исследование опубликовано в журнале Physical Review Letters.

«Одной из характерных особенностей многих морских динофлагеллят считается их биолюминесценция, которая освещает ночные волны. В то время как внутренняя биохимия производства света этими микроорганизмами хорошо известна, механизм, который вызывает биолюминесценцию, все еще плохо изучен», — пишут авторы работы. Подобная биолюминесценция в океане — не просто красивое явление: динофлагелляты используют свет, чтобы отпугнуть хищников.

При помощи микроманипуляции и высокоскоростной визуализации исследователям удалось воссоздать производство света одноклеточными организмами Pyrocystis lunula, когда их клеточная стенка деформируется под действием механических сил. По итогу экспериментов физики выяснили, что яркость «вспышки» обусловлена одновременно глубиной деформации и скоростью, с которой она возникает.

Такой тип поведения, называемый «вязкоупругим откликом», встречается, например, у жидкостей с суспендированными полимерами. Что касается Pyrocystis lunula, этот механизм, по словам исследователей, связан с ионными каналами — специализированными белками, распределенными на клеточной мембране. Когда она нагружена, каналы прикрываются и позволяют кальцию перемещаться по клетке, вызывая так называемый биохимический каскад, или сигнальный путь. Он и производит свет.

Ученые обнаружили, что когда деформация клеточной стенки не так серьезна, интенсивность света низкая — вне зависимости от того, насколько быстро происходит давление. И свечение будет незначительным, когда силы, действующие на клетку, велики, но сдавливание производится медленно. Свет станет интенсивнее только в том случае, если будут велики и амплитуда сдавливания, и скорость. 

«Наши результаты отображают физический механизм, с помощью которого поток жидкости запускает производство света, и показывают, насколько элегантным может быть принятие решений на уровне одной клетки», — отметил Мазияр Джалаал, ведущий автор работы.

Недавно зоологи обнаружили, что цветовые сигналы, которыми общаются глубоководные кальмары, отличаются высокой сложностью, а для большей надежности коммуникаций дополняются клетками «подсветки».