Bioluminiscenca: kaj je, kako deluje in primeri v naravi

Bioluminiscenca: kaj je, kako deluje in primeri v naravi — od luciferaze in simbioze do osupljivih svetlečih organizmov; odkrijte mehanizme in primere v naravnem svetu.

Bioluminiscenca je sposobnost živih bitij, da proizvajajo svetlobo. Pogosto se pojavlja v obliki simbioze, kjer večji organizem v posebnem organu gosti mikroorganizme, ki proizvajajo svetlobo. Tudi nekatere evkariontske protiste imajo posebne organele za svetlenje, svetlobo pa proizvajajo tudi določene bakterije. Bioluminiscenca je rezultat kemičnih reakcij, pri katerih se sproščena energija oddaja kot vidna svetloba. Ta lastnost se je v toku evolucije pojavila neodvisno večkrat in je razširjena med različnimi skupinami organizmov.

Kako deluje bioluminiscenca

Osnovni mehanizem bioluminiscence temelji na oksidaciji molekule, imenovane luciferin, ki jo katalizira encim luciferaza ali v nekaterih primerih fotoproteini. V mnogih sistemih sodeluje tudi kisik; v določenih primerih (npr. pri mnogih žuželkah) je v reakciji vključen tudi ATP (adenozin trifosfat). Tipična potekla reakcije je taka: encim luciferaza povzroči oksidacijo luciferina, pri čemer nastane vznemirjeno (eksitirano) stanje produkta. Ko ta iz ekscitiranega stanja preide v osnovno stanje, se sprosti foton — vidna svetloba.

Obstaja veliko različic luciferin–luciferaza sistemov; nekateri ne potrebujejo ATP, nekateri so odvisni od dodatnih kofaktorjev ali ionov. Poleg tega nekateri organizmi uporabljajo fotoproteine (npr. aequorin pri meduzah), pri katerih se svetloba sproži z vezavo kalcija. Pri nekaterih morskih vrstah se sproščena energija prenese na fluorescenčen protein (npr. GFP), ki spremeni valovno dolžino svetlobe in tako vpliva na barvo emisije.

Vloge bioluminiscence v naravi

Bioluminiscenca ima številne ekološke funkcije, med najpogostejšimi so:

• Pridobivanje plena: nekatere ribe in mehkužci uporabljajo svetlobne vabice, da privabijo manjše organizme.
• Obramba: bliskanje ali trajna svetloba lahko prestraši plenilce ali opozori na strupenost.
• Komunikacija in parjenje: svetilkajoče žuželke (kresnice) uporabljajo svetlobo za medsebojno sporazumevanje in privabljanje partnerjev.
• Kamuflaža (counterillumination): globokomorske vrste oddajajo svetlobo na spodnji strani telesa, da se zameglijo proti svetlemu površinskemu svetlu in postanejo manj opazne za plenilce pod njimi.
• Simbioza: morske živali, kot so nekatere lignje in ribe, gostijo bioluminiscentne bakterije, ki živali zagotavljajo svetlobo v zameno za hranila in zatočišče.
• Metabolna vloga: pri bakterijah je verjetno ena prvotnih funkcij reakcije odstranjevanje odvečnega kisika in ščit pred oksidativnim stresom.

Primeri v naravi

• Kresnice (družina Lampyridae) — najbolj znani kopenski primer, kjer svetloba služi predvsem za iskanje partnerja.
• Dinoflagelati (morski enocelični organizmi) — povzročajo morske "sijaje" ob valovanju, pogosto vidne kot svetleče valove ob obali.
• Globokomorske ribe — številne vrste (npr. anglerfish) uporabljajo svetlobne izrastke kot vabice za plen.
• Bioluminiscentne bakterije (npr. rodu Vibrio) — sodelujejo v simbiozi z nekaterimi lignji in ribami; občasno povzročijo tudi pojav "milky seas", ko ogromne površine morja svetijo zaradi gostih kolonij bakterij.
• Gobe — obstajajo tudi bioluminiscentne vrste gob (pogosto imenovane "foxfire" ali "svetloba lesa"), ki svetijo v temnih gozdovih.

Barve, valovne dolžine in okoljski vplivi

Večina bioluminiscentnih emisij v morju je modro-zelenih (približno 440–520 nm), ker voda bolje prenese te valovne dolžine. Kopenski organizmi, kot so kresnice, lahko svetijo rumeno do zeleno. Barva je odvisna od strukture luciferina, oblike luciferaze in morebitnih prenosov energije na fluorescenčne proteine.

Regulacija in merjenje

Svetlenje je pogosto strogo regulirano — lahko je nadzorovano živčno, hormonsko ali kemično (npr. kvorum senzinga pri bakterijah). Pri kresnicah so signali urejeni s cirkadianim ritmom in živčnimi izbruhi, pri dinoflagelatih pa mehanski dražljaji (turbulenca vode) sprožijo kratek svetlobni odziv.

Uporaba pri ljudeh

Bioluminiscenca ima pomembno vlogo v znanstvenih in tehnoloških aplikacijah: encimi in genetski konstrukti luciferaze se uporabljajo kot reporterji v molekularnih testih, za spremljanje genne ekspresije, v biomedicinskem slikanju, pri razvoju biosenzorjev ter pri inženiringu sistemov za zaznavo kontaminantov. Poleg tega so bioluminiscentni organizmi navdih za umetnost in izobraževanje.

Vloga gama proteobakterij pri proizvodnji svetlobe je podrobno obravnavana v referenčnih delih. Sposobnost proizvajanja svetlobe je razširitev običajne presnove: pri vseh kemijskih reakcijah nastane nekaj fotonov. Vidna svetloba nastane, ko se proizvodnja fotonov poveča. V primeru bakterij je bila prvotna funkcija reakcije verjetno razstrupljanje odvečnega kisika.

Funkcije bioluminiscence

Za seznam glejte spletno stran Biolum.

Kamuflaža s protisvetlobo

Pri nekaterih vrstah lignjev se bakterijska bioluminiscenca uporablja za protisvetlobo, tako da se žival ujema z zgornjo svetlobo okolja, ki jo vidi od spodaj. Pri teh živalih svetlobni organi nadzorujejo kontrast te osvetlitve, da se doseže optično ujemanje. Običajno so ti svetlobni organi ločeni od tkiva, ki vsebuje bioluminiscenčne bakterije.

Privlačnost

Bioluminiscenco kot vabo za privabljanje plena uporabljajo številne globokomorske ribe, kot je na primer morska riba. Viseča vaba na glavi ribe privablja manjše živali, ki so ji na dosegu roke. Nekatere ribe pa uporabljajo nebioluminiscenčno vabo.

Morski pes za maskiranje uporablja bioluminiscenco, vendar majhna zaplata na njegovem spodnjem delu trebuha ostaja temna in se velikim plenilskim ribam, kot sta tuna in skuša, ki plavajo pod njim, zdi kot majhna riba. Ko te ribe poskušajo pojesti "majhno ribo", jih morski pes ugrizne in iz gostiteljev izdolbe majhne okrogle koščke mesa v obliki piškotov.

Dinoflagelati imajo zanimiv preobrat v tem mehanizmu. Ko z gibanjem v vodi zaznajo plenilca planktona, dinoflagelati svetijo. To privabi še večje plenilce, ki požrejo morebitnega plenilca dinoflagelata.

Pomembna funkcija bioluminiscence je privabljanje partnerjev. To je vidno pri ognjenicah, ki v času parjenja z občasnim utripanjem trebuha privabljajo partnerje. V morskem okolju je to dobro dokumentirano le pri nekaterih malih škržatkih, vendar je lahko precej razširjeno.

Repulsion

Nekateri lignji in mali raki uporabljajo bioluminiscenco, tako kot mnogi lignji uporabljajo črnilo. Oblak luminiscence se izloča in zmede ali odvrne potencialnega plenilca, medtem ko lignji ali raki pobegnejo na varno. Vsaka vrsta svetlika ima ličinke, ki svetijo, da bi odvrnile plenilce.

Samica Lampyris noctiluca, navadnega svetlečega črva.


Ličinka ognjiča

Biotehnologija

Bioluminiscenčni organizmi so tarča na številnih področjih raziskav. Luciferazni sistemi se pogosto uporabljajo na področju genskega inženiringa. Uporabljajo se tudi v biomedicinskih raziskavah, saj nekaterim celicam dajejo vidne oznake. Luciferin lahko dodamo molekulam in celicam, da postanejo vidne pod mikroskopom. "Ta trg je zdaj vreden približno 20 milijard funtov. Če pridete v bolnišnico in opravite krvni test, ki meri virusne beljakovine, beljakovine raka, hormone, vitamine, bakterijske beljakovine, zdravila, bo skoraj zagotovo uporabljena ta tehnika."

Industrijski oblikovalci raziskujejo strukturo fotofor, organov za proizvajanje svetlobe v bioluminiscenčnih organizmih.

Umetniška upodobitev bioluminiscenčnega antarktičnega krila

Vprašanja in odgovori

V: Kaj je bioluminiscenca?

V: Kako deluje bioluminiscenca?

V: Kateri organizmi proizvajajo bioluminiscenčno svetlobo?

V: Od kod izvira sposobnost proizvajanja bioluminiscenčne svetlobe?

V: Kakšna je bila prvotna funkcija proizvajanja bioluminiscenčne svetlobe pri bakterijah?

V: Kaj sta luciferin in luciferaza?

Išči po črki