Бобров А.А., факультет почвоведения МГУ имени М.В.Ломоносова

Федотов Г.Н., институт экологического почвоведения МГУ имени М.В.Ломоносова

Фотонные кристаллы – это наноструктуры с периодически меняющимся коэффициентом преломления. Последние годы исследований наноструктур в природе показали, что они встречаются у разных групп организмов – диатомовых водорослей, губок, моллюсков, жуков и бабочек. Основной эффект, который вызывают фотонные кристаллы у этих организмов – изменение окраски, играющее важное значение в меж- и внутривидовых отношениях.

Нами впервые были определено существование фотонных кристаллов у одной из важнейших групп простейших - раковинных амеб. Раковинные амебы от других групп простейших отличаются наличием раковинки, играющей защитную роль. Альвеолярная структура органических раковинок давно описана и изучена. Это относится в первую очередь к видам рода Arcella, а также Difflugia, Netzelia, Zivkovichia и некоторым видам из рода Centropyxis. Эта структура рассматривалась исключительно только с точки зрения архитектоники раковинки, увеличивающая ее прочность. Но исследования последних 10 лет в области наноструктур полимерных материалов позволяют по новому оценить особенности альвеолярной структуры. У некоторых видов, в первую очередь у облигатных гидробионтов, раковинка представляет собой фотонный кристалл. При переходе к наземным местообитаниям этот признак утрачивается даже внутри одного рода, например у видов рода Arcella. Он по мере освоения новых типов местообитаний становится избыточным, и эволюция идет в направлении увеличения механической прочности раковинки.

Мы предполагаем, что виды с органической раковинкой, сферической и радиальной типами симметрии эволюционно более древние по сравнению с другими таксонами. Местообитания, в которых жили эти раковинки, представляли собой мелководные пресноводные водоемы. Предположительно в то же время, около 750 млн. лет назад, при ином составе атмосферы по сравнению с современной на них воздействовало более жесткое солнечное излучение. Фотонный кристалл в зависимости от размеров чередующихся участков с различным коэффициентом преломления света пропускает только часть светового спектра. На сегодняшний день можно высказать несколько гипотез о функциональном назначении фотонных кристаллов у простейших. В основе их лежит представление о защитной функции фотонных кристаллов. Не исключено, что ограничение жесткой части спектра солнечного излучения важно для симбиотических микроорганизмов, которые встречаются у видов рода Arcella. Мы предполагаем также, что кроме бактерий в качестве симбионтов в клетке раковинных амеб могут находиться нанобактерии или наноформы органического состава. Другая, возможно более вероятная гипотеза предполагает защитную функцию фотонных кристаллов, которая обеспечивает целостность внутриклеточных структур, в первую очередь, ядра простейших.

В настоящее время не представляется возможным получить однозначный и точный ответ на вопрос, зачем простейшим нужны раковинки, сформированные по типу фотонных кристаллов, поскольку данное исследование находится только на начальном этапе. Ясно одно - в эволюции биосферы они играли и играют важную роль. Расчеты по разрешенным и запрещенным зонам для фотонных кристаллов раковинных амеб позволят дать количественные характеристики солнечного излучения на ранних этапах эволюции Земли.