Bioluminescencija – kas tai, mechanizmai ir ekologinė reikšmė

Bioluminescencija – tai gyvų organizmų gebėjimas skleisti šviesą. Ji pasireiškia labai įvairiai: nuo mikroskopinių mikroorganizmų iki vabzdžių, medūzų ir žuvų. Dažnai šviesos gamyba vyksta simbiozės būdu – didesniame organizme, dažnai specialiame organe, gyvena šviesą gaminančios bakterijos. Taip pat eukariotiniai protistai ir kai kurie grybai turi savo mechanizmus šviesai gaminti, o atskirose gyvūnų grupėse (pvz., vabzdžiuose) šis gebėjimas yra savarankiškai išvystytas. Bioluminescencija yra cheminių reakcijų rezultatas, kai išsiskirusi energija pasireiškia kaip matoma šviesa. Šis bruožas evoliucijos metu atsirado daug kartų nepriklausomai įvairiose grupėse.

Biocheminiai mechanizmai

Pagrindinis principas – reakcija tarp šviesą gaminančios molekulės, vadinamos luciferinu, ir fermento luciferazės arba fotoproteino. Tačiau detalės labai skiriasi tarp organizmų. Kai kuriuose sistemose, pvz., žibutėse (vabzdžiuose), reakcija tikrai apima ATP, kuris aktyvina luciferiną prieš oksidaciją. Kitose, ypač bakterijų atveju, pagrindiniai reagentai yra redukuotas FMN (FMNH2), aldehidas ir deguonis – čia ATP dalyvauja ne visada.

Trumpai reakcijos eiga:

• luciferinas + (kai kuriais atvejais) ATP → aktyvuotas luciferinas;
• aktyvuotas luciferinas + deguonis, katalizuojant luciferazei → sužadinama molekulė;
• sužadinta molekulė grįžta į žemesnę energijos būseną, išskirdama fotoną (šviesos kvantą).

Įvairovė: kas gamina šviesą ir kaip

Skirtingos organizmų grupės naudoja skirtingus luciferinus ir luciferazes. Pavyzdžiai:

• Bakterijos (pvz., Vibrio ir Photobacterium) – jų šviesos sintezė dažnai susijusi su medžiagų apykaita ir vykdoma per specifinius genų rinkinius (pvz., lux operoną); čia reagentai dažnai yra FMNH2 ir aldehidas. Gama proteobakterijų vaidmuo gaminant šviesą plačiai aprašytas literatūroje.
• Vabzdžiai (žibutės) – naudoja ATP priklausomą luciferiną/luciferazę; šviesa dažniausiai geltona–žalia.
• Dinoflagelatai (pvz., Noctiluca) – uniceliariai protistai, kurių žybsniai matomi prie kranto naktimis.
• Medūzos ir kiti jūros gyvūnai – daugelis naudoja fotoproteinus (pvz., aequorin), kuriuos aktyvina Ca2+ jonų tekėjimas; energija kartais perduodama kitoms gulėms (pvz., GFP), keisdama šviesos spalvą.
• Grybai (kelios rūšys, pvz., kai kurios Mycena) – žemės ekosistemose pastebima žalsva švytėjimo vilnis.

Ekologinė reikšmė ir funkcijos

Bioluminescencija atlieka daug skirtingų funkcijų, priklausomai nuo rūšies ir gyvenamosios aplinkos:

• Komunikacija ir poravimasis: pvz., žibutės naudoja šviesą signalams pritraukti poras.
• Nuodingumo demonstravimas arba gynyba: šviesa gali atitraukti plėšrūną arba įspėti apie nuodingumą.
• Medžiojimas ir luringas: kai kurie gyvūnai naudoja šviesą pritraukti grobį (pvz., kai kurios giluminių žuvų kandikės).
• Maskavimas (counter-illumination): gyvūnai, pvz., kai kurios žuvys, šviečia iš pilvo pusės, taip sumažindami siluetą ir slėpdamossi nuo plėšrūnų žiūrint iš apačios.
• Simbiozė: šeimininkas suteikia bakterijoms maistines medžiagas ir apgyvendinimo vietą (pvz., specialūs šviesos organai), o bakterijos gamina naudingą šviesą – klasikinis pavyzdys yra kalmaro Euprymna scolopes ir Vibrio fischeri partnership.
• Ekosistemos indikatorius: dinoflagelatų žibėjimas arba „milky sea“ reiškiniai gali rodyti didelius masinius žydėjimus ar bakterinį aktyvumą.

Evoliucija, genetika ir reguliacija

Bioluminescencija evoliucijos metu atsirado daug kartų nepriklausomai. Bakterijose šviesos sintezė dažnai reguliuojama per genų rinkinius (pvz., luxCDABE operoną), kurie leidžia šviesai būti įjungtai, kai bakterijų tankis yra pakankamai didelis (quorum sensing). Daugelyje gyvūnų šviesos gamyba reguliuojama nervinių impulsų, hormonų arba dienos ritmo (cirkadinės) mechanizmų – tai leidžia taupyti energiją ir šviesti tik reikalingu metu.

Spalva, intensyvumas ir energetika

Dažniausiai jūrinėje aplinkoje sklindančios bioluminescencijos bangos ilgis yra mėlynos–žalios (apie 440–500 nm), nes tokia šviesa geriausiai sklinda vandenyje. Šviesos spalvą lemia luciferazoje esančios aminorūgštys, luciferino struktūra ir vietinis pH ar jonų koncentracija. Nors šviesos gamyba reikalauja biocheminių sąnaudų, daug sistemų yra gana efektyvios energijos atžvilgiu – didžioji dalis sąnaudų eina į substratų sintezę ir regeneraciją.

Žmonių panaudojimas ir stebėjimo pavyzdžiai

Bioluminescencijos tyrimai suteikė naudingų įrankių biologijoje ir medicinoje: genetiniai reporteriai (luciferazės genai) leidžia stebėti genų raišką, ląstelių procesus ir gyvūnų elgesį. Taip pat bioliuminescencija naudojama aplinkos monitoringo, diagnostikos ir bioinžinerijos srityse. Gamtoje gerai žinomi reiškiniai – naktiniai dinoflagelatų žybsniai prie pakrantės, kalmarų ir žuvų giluminių vandenų šviesos organai bei kai kurios „švytinčios“ pelkių ar miškų vietos, kur auga švytintys grybai.

Pabaigai: gebėjimas gaminti šviesą yra sudėtingas ir įdomus biologinis fenomenas, kurio mechanizmai, evoliucinė istorija ir ekologinės funkcijos yra įvairios bei pritaikomos pagal organizmo gyvenimo būdą. Bioluminescencijos tyrimai tebeatveria naujas žinias apie tarpusavio ryšius gamtoje ir suteikia praktinių sprendimų mokslo bei technologijų srityse.

Bioluminescencijos funkcijos

Sąrašą rasite "Biolum" tinklalapyje.

Prieššviesinis maskavimas

Kai kurių rūšių kalmarų bakterijų bioliuminescencija naudojama kontršviesai, kad gyvūnas atitiktų iš apačios matomą aplinkos šviesą. Šių gyvūnų šviesos organai kontroliuoja šio apšvietimo kontrastą, kad būtų pasiektas optinis atitikimas. Paprastai šie šviesos organai yra atskirti nuo audinio, kuriame yra bioliuminescencinių bakterijų.

Pritraukimas

Kai kurios giliavandenės žuvys, pvz., meškėnai, naudoja bioliuminescenciją kaip masalą grobiui privilioti. Ant žuvies galvos kabantis masalas pritraukia smulkius gyvūnus, esančius per atstumą nuo jos. Tačiau kai kurios žuvys naudoja nebioluminescencinį masalą.

Rykliai maskuojasi naudodami bioliuminescenciją, tačiau nedidelė dėmė ant jų pilvo lieka tamsi ir po jais plaukiojančioms didelėms plėšrioms žuvims, pavyzdžiui, tunams ir skumbrėms, atrodo kaip maža žuvelė. Kai šios žuvys bando suvalgyti "mažą žuvelę", ryklys jas suėda ir iš šeimininkų išgraužia mažus apvalius "sausainių pjaustytuvo" formos mėsos gabalėlius.

Dinoflagelatai turi įdomų šio mechanizmo posūkį. Kai planktono plėšrūnas pajunta judesį vandenyje, dinoflagelatas ima švytėti. Tai savo ruožtu pritraukia dar didesnius plėšrūnus, kurie suvalgo būsimą dinoflagelato grobuonį.

Svarbi bioluminescencijos funkcija - privilioti partnerius. Tai matyti iš ugniaplaukių, kurios poravimosi sezono metu periodiškai mirksi pilvuku, kad pritrauktų partnerius. Jūrų aplinkoje tai gerai užfiksuota tik kai kurių mažų vėžiagyvių, tačiau gali būti gana paplitęs reiškinys.

Atstūmimas

Kai kurie kalmarai ir maži vėžiagyviai naudoja bioliuminescenciją, kaip ir daugelis kalmarų naudoja rašalą. Skleidžiamas švytėjimo debesis suklaidina arba atbaido potencialų plėšrūną, o kalmaras ar vėžiagyvis pabėga į saugią vietą. Kiekvienos rūšies ugniaplaukiai turi lervų, kurios švyti, kad atbaidytų plėšrūnus.

Lampyris noctiluca , paprastojo žibuoklinio slieko, patelė.


Ugniaplaukių lervos

Biotechnologijos

Bioluminescenciniai organizmai yra daugelio mokslinių tyrimų objektas. Luciferazės sistemos plačiai naudojamos genų inžinerijos srityje. Jos taip pat naudojamos biomedicininiuose tyrimuose, siekiant kai kurioms ląstelėms suteikti matomų etikečių. Luciferino galima pridėti į molekules ir ląsteles, kad jos taptų matomos per mikroskopą. "Šios rinkos vertė šiuo metu siekia apie 20 mlrd. svarų sterlingų. Jei ateisite į ligoninę ir atliksite kraujo tyrimą, kuriuo matuojami virusų baltymai, vėžio baltymai, hormonai, vitaminai, bakterijų baltymai, vaistai, jame beveik neabejotinai bus naudojamas šis metodas".

Pramonės dizaineriai tyrinėja fotoforų - šviesą gaminančių bioliuminescencinių organizmų organų - struktūrą.

Bioluminescencinių Antarktidos krilių meninis atvaizdavimas

Klausimai ir atsakymai

K: Kas yra bioliuminescencija?

K: Kaip veikia bioliuminescencija?

K: Kokie organizmai skleidžia bioliuminescencinę šviesą?

K: Iš kur atsirado gebėjimas gaminti bioliuminescencinę šviesą?

K: Kokia buvo pirminė bakterijų bioluminescencinės šviesos gamybos funkcija?

K: Kas yra liuciferinas ir liuciferazė?

Paieška pagal raidę