Enigmele naturii: Bioluminiscența

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Modificat ultima dată: 2023-12-16 16:15

Bioluminiscența este capacitatea organismelor vii de a străluci cu propriile proteine sau cu ajutorul bacteriilor simbiotice.

Astăzi, sunt cunoscute aproximativ 800 de specii de viețuitoare luminoase. Cei mai mulți dintre ei trăiesc în mare. Acestea sunt bacterii, alge flagelate unicelulare, radiolari, ciuperci, celenterate planctonice și atașate, sifonofore, pene de mare, ctenofore, echinoderme, viermi, moluște, crustacee, pești.

Unele dintre cele mai strălucitoare animale sunt pirozomii (gândacii de foc). Printre speciile bioluminiscente de apă dulce, sunt cunoscute moluște gasteropode din Noua Zeelandă Latia neritoides și o serie de bacterii. Printre organismele terestre, anumite specii de ciuperci, râme, melci, milipede și insecte strălucesc.

La nivelul microcosmosului, o strălucire foarte slabă, pe care o putem înregistra doar cu ajutorul fotometrelor extrem de sensibile, este un efect secundar al neutralizării speciilor reactive de oxigen de către enzime, care sunt necesare, dar toxice pentru celule, care participă la procesul de oxidare a glucozei. Ele furnizează, de asemenea, energia necesară pentru chemiluminiscență diverselor proteine fosforice.

Una dintre primele lămpi bacteriene - un balon cu o cultură de bacterii luminoase - a fost întreținută în urmă cu mai bine de o sută de ani de botanistul și microbiologul olandez Martin Beijerinck. În 1935, astfel de lămpi au iluminat chiar sala mare a Institutului Oceanologic din Paris, iar în timpul războiului microbiologul sovietic A. A. Egorova a folosit bacterii luminoase în scopuri prozaice - pentru a ilumina laboratorul.

Și puteți efectua un experiment similar: puneți pește sau carne crudă într-un loc cald, așteptați o săptămână sau două, apoi veniți noaptea (din partea vântului!) Și vedeți ce se întâmplă - este probabil ca bacteriile care locuiesc mediul nutritiv va străluci cu o lumină de altă lume. Bacteriile, în principal din genurile Photobacterium și Vibrio, și organismele planctonice pluricelulare (în imagine) strălucesc în mare, dar principala sursă de lumină este una dintre cele mai mari (până la 3 mm!) și organisme unicelulare complexe - algele flagelate ale nopții ușoară.

La bacterii, proteinele fosfor sunt împrăștiate în întreaga celulă; în organismele eucariote unicelulare (cu nucleu celular), acestea sunt situate în vezicule înconjurate de o membrană în citoplasmă. La animalele pluricelulare, lumina este de obicei emisă de celule speciale - fotocite, adesea grupate în organe speciale - fotofore.

Fotocitele celenteratelor și ale altor animale primitive, precum și fotoforele care funcționează datorită fotobacteriilor simbiotice, strălucesc continuu sau timp de câteva secunde după stimularea mecanică sau chimică. La animalele cu un sistem nervos mai mult sau mai puțin dezvoltat, controlează activitatea fotocitelor, pornindu-le și oprindu-le ca răspuns la stimuli externi sau atunci când mediul intern al corpului se modifică.

Pe lângă cea intracelulară, la creveții de adâncime, caracatițe, sepie și calmari, există un tip de strălucire secretorie: un amestec de produse de secreție a două glande diferite este ejectat din manta sau de sub coajă și se răspândește în apa ca un nor strălucitor, orbind inamicul.

Un alt exemplu clasic de bioluminiscență este putregaiul lemnului. Nu copacul în sine strălucește în ele, ci miceliul ciupercii obișnuite de miere.

Și în ciupercile superioare din genul Mycena, care cresc de asemenea pe un copac putrezit, dar în regiuni calde precum Brazilia și Japonia, corpurile fructifere strălucesc - ceea ce se numesc de obicei ciuperci (deși mucegaiurile, drojdiile și alte ciuperci sunt și ele ciuperci, doar cele inferioare).). Una dintre speciile acestui gen se numește M. lux-coeli, „mycene – lumină cerească”.

Cea mai frapantă aplicație a bioluminiscenței este crearea de plante și animale transgenice. Primul șoarece cu gena GFP inserată în cromozomi a fost creat în 1998.

Proteinele strălucitoare sunt necesare pentru a elabora tehnici de introducere a genelor străine în cromozomii diferitelor organisme: dacă strălucește, înseamnă că metoda funcționează, o puteți folosi pentru a introduce o genă țintă în genom. Primul pește luminos - peștele zebră transgenic (Brachydanio rerio) și peștele de orez medaka japonez (Orizias latipes) - a fost pus în vânzare în 2003.

Mare strălucitoare

Cei care au norocul să înoate în mare noaptea în timpul strălucirii sale își vor aminti această priveliște încântătoare pentru toată viața. Cel mai adesea, cauza strălucirii este algele flagelate ale luminii de noapte (Noctiluca). În unii ani, numărul lor crește atât de mult încât toată marea strălucește. Dacă ai ghinion și te afli pe țărmurile mărilor calde la momentul nepotrivit, încearcă să torni apă de mare într-un borcan și să adaugi acolo puțin zahăr.

Noctylistii vor reacționa la acest lucru prin creșterea activității proteinei luciferinei. Agitați apa și admirați strălucirea albăstruie. Și când te oprești să admiri, îți poți aminti că te uiți la unul dintre misterele nerezolvate ale naturii: lipsa de claritate a mecanismelor evolutive ale apariției capacității de a străluci în diverși taxoni a fost remarcată într-un capitol separat al Originea speciilor” de Darwin, iar de atunci oamenii de știință nu au reușit să arunce asupra acestei întrebări este lumina adevărului.

Luminescența s-ar fi putut dezvolta în organismele care trăiesc în condiții bune de lumină, bazată pe compuși pigmentari care îndeplinesc o funcție de protecție a luminii.

Dar acumularea treptată a unei trăsături - un foton pe secundă, doi, zece - atât pentru ei, cât și pentru rudele lor nocturne și de adâncime nu ar putea afecta selecția naturală: o strălucire atât de slabă nu este simțită nici măcar de cei mai sensibili ochi, iar apariția unor mecanisme gata făcute de strălucire intensă pe locația goală pare imposibilă. Și chiar și funcțiile strălucirii la multe specii rămân de neînțeles.

De ce strălucesc?

Coloniile bacteriene strălucitoare și ciupercile atrag insecte care răspândesc germeni, spori sau miceliu. Larvele insectivore ale țânțarului din Noua Zeelandă Arachnocampa țes o plasă de capcană și o luminează cu propriul corp, atrăgând insectele.

Flashurile de lumină pot speria prădătorii de meduze, jeleu de pieptene și alte creaturi neputincioase și blânde. În același scop, coralii și alte animale coloniale care cresc în apă puțin adâncă strălucesc ca răspuns la stimularea mecanică, iar vecinii lor, pe care nimeni nu i-a atins, încep și ei să pâlpâie. Coralii de adâncime transformă lumina slabă de lungime de undă scurtă care ajunge la ei în radiații cu o lungime de undă mai mare, posibil pentru a permite algelor simbiotice care locuiesc în țesuturile lor să facă fotosinteza.

Undița cu bec

Ordinul peștilor de mare (Lophiiformes) este cel mai divers (16 familii, peste 70 de genuri și peste 225 de specii) și, poate, cel mai interesant dintre peștii de adâncime. (Mulți sunt familiarizați cu pescarii de mare nu din manualul de zoologie, ci din desenul animat „Finding Nemo”).

Femelele pescariști sunt prădători cu guri mari, dinți puternici și un stomac foarte distensibil. Uneori se găsesc pești morți la suprafața mării, sufocându-se cu pești de peste două ori dimensiunea lor: prădătorul nu-l poate elibera din cauza structurii dinților săi. Prima rază a aripioarei dorsale este transformată într-o „undiță” (illicium) cu un „vierme” luminos (eska) la capăt. Este o glandă plină de mucus care conține bacterii bioluminiscente. Datorită extinderii pereților arterelor care hrănesc escu cu sânge, peștele poate provoca în mod arbitrar luminescența bacteriilor care au nevoie de aport de oxigen pentru aceasta, sau o oprește, îngustând vasele.

De obicei, strălucirea apare sub forma unei serii de fulgere, individuale pentru fiecare specie. Illicium din specia Ceratias holboelli este capabil să se deplaseze înainte și să se retragă într-un canal special pe spate. Ademenind prada, acest pescar mută treptat momeala luminoasă la gură până când înghite prada. Și Galatheathauma axeli are momeala chiar în gură.

Locația fosforilor și chiar natura clipirii punctelor strălucitoare pot servi pentru comunicare - de exemplu, pentru a atrage un partener. Iar femelele licuriciului american Photuris versicolor, după împerechere, încep să „elimine codul Morse” al femelelor din altă specie, atrăgându-și masculii nu în scopuri amoroase, ci în scopuri gastronomice.

În largul coastei Japoniei, nunțile în masă sunt sărbătorite de umitoharu (licuricii de mare) - crustacee minuscule, lungi de 1-2 mm, din genul Cypridina - și de calmarul Watasenia scintellans. Corpurile de Vatazenia de aproximativ 10 cm lungime, împreună cu tentacule, sunt presărate cu perle fotoforice și luminează o zonă de 25-30 cm în diametru – imaginați-vă cum arată marea cu o întreagă școală din acești calmari!

La multe cefalopode de adâncime, corpul este vopsit cu un model de pete de lumină multicolore, iar fotoforele sunt foarte complexe, ca un reflector care strălucește doar în direcția corectă cu reflectoare și lentile (uneori duble și colorate).

Mulți creveți planctonici de adâncime au capacitatea de a străluci. Pe membre, de-a lungul lateralelor și pe partea ventrală a corpului, au până la 150 de fotofori, uneori acoperiți cu lentile. Locația și numărul fotoforelor pentru fiecare specie este strict constantă și în întunericul adâncurilor oceanului îi ajută pe masculi să găsească femele și toți împreună - să se adune în stoluri.