Биолуминесценция: природа, механизми и роли на светещите организми

Открийте природата, механизми и роли на биолуминесценцията — от луциферин и луцифераза до симбиоза, еволюция и екологични функции на светещите организми.

Биолуминесценцията е способността на живите организми да произвеждат светлина. Този феномен се наблюдава при бактерии, водорасли, гъби, насекоми и много морски животни. Често светлината се появява във връзка със симбиоза — по-големият организъм носи в специализирани структури (светлинни органи) микроорганизми, които сами произвеждат светлина. При някои еукариотни протисти има специални органели, които светят, а при други групи (например при насекомите) светлината се произвежда от самите клетки на организма. Биолуминесценцията е резултат от химични реакции, при които част от освободената енергия се отделя като видима светлина. Този феномен се е появявал многократно и независимо по време на еволюцията.

Механизъм на светене

Основният химичен принцип е окислението на молекула, наречена луциферин, под действието на ензим, наречен луцифераза. Общият механизъм може да се опише опростено така: луциферин се окислява от кислород до възбудена форма на продукта (оксулуциферин или друг оксид), която при връщане в основно състояние излъчва фотон (видима светлина).

Различните биолуминесцентни системи използват различни варианти на тези компоненти и cofactors. Например:

• При светулките (и много наземни насекоми) реакцията изисква АТФ, кислород и специфична лусиефраза, и води до жълто-зелена светлина.
• При много морски бактерии (люциферазни системи) необходимите субстрати включват редуцирано FMN (FMNH2), кислород и алдехид; тази система обикновено не използва ATP като директен кофактор.

В обобщение: luciferin + O2 (+/– ATP или други кофактори) → възбуден оксид → фотон + оксидирана молекула. Количеството отделена светлина (фотоните) зависи от ефективността на ензимната система и от условията в клетката.

Регулация и контрол

Организмите контролират кога и колко да светят. Механизмите включват нервна и хормонална регулация (например при светулките), химическа регулация (промени в pH, наличието на субстрати) и генна регулация. При някои бактерии синтезът на ензимите за светење се управлява чрез quorum sensing (популационно сигнализиране) — щом плътността на популацията достигне праг, включва се експресията на lux-гени и колонията започва да свети синхронизирано.

Разнообразие и спектър

Цветът на биолуминесценцията варира в широк диапазон, но в морската среда най-често срещаните дължини на вълната са сини и синьо-зелени (~440–500 nm), защото тези дължини се предават най-далеч във водата. Наземните видове често дават жълто-зелена светлина. Интензитетът, пулсацията и пространствената организация (фотофори, светлинни огледала, рефлектори) също са разнообразни и адаптирани към екологичните функции.

Екологични роли и функции

Биолуминесценцията изпълнява множество роли в природата. Сред основните функции са:

• Примамване на плячка — някои видове (например риби-хищници от дълбокото море) използват светлинни примамки, за да привлекат дребни животни.
• Комуникация и размножаване — светлинни сигнали при светулките служат за намиране на партньор; при някои морски организми светлината предава социална информация.
• Отпугване и защита — изблесване може да дезориентира хищници или да сигнализира за токсичност; някои организми изпускат светящ материал като отбрана.
• Камуфлаж (counterillumination) — много мезопелагични (средни водни) риби и костенурки използват долно излъчване, за да се слеят с надолу падащата светлина и така да станат по-малко видими за хищниците под тях.
• Симбиоза — светлината на бактериални симбионти може да служи за привличане на плячка или за комуникация за гостоприемника (например светлинният орган на някои риби и калмари в симбиоза с Vibrio).

Примери и еволюция

Биолуминесценцията се е развила независимо при много таксономични групи: бактерии (особено сред някои гама-протеобактерии), дизлъкни водорасли (диноглавелати), гъби, много насекоми (светулки, някои бръмбари), ракообразни и множество риби от дълбокото море. Ролята на гама-протеобактериите в производството на светлина е разгледана подробно в справочниците — примерите включват родове като Vibrio и Photobacterium, които участват както като свободноживеещи видове, така и като симбионти в светлинни органи.

Има хипотези за първични функции на светещите реакции: при бактериите началната роля може да е била детоксикация на реактивни кислородни видове (като израз на нормален метаболизъм) — окисляването на някои субстрати би могло да помогне за премахване на излишен кислород или токсични продукти. По-късно тази химична възможност е била кооптирана за комуникация, примамване и други адаптации.

Изследване и приложения

Биолуминесценцията е важен инструмент в науката и технологиите. Ензимите и гените, отговорни за светеенето (напр. lux-гените, luc-гените), се използват като биосензори и маркери в молекулярната биология, позволявайки наблюдение на експресия на гени, проследяване на клетки и диагностика. Биолуминесцентни метрики се прилагат и в екологичния мониторинг, медицинското изображение и фармацевтичните тестове.

Заключение

Биолуминесценцията е многолико явление—химично, биологично и еволюционно адаптирана способност, която изпълнява важни роли в естествените екосистеми и има широки приложения в човешката наука и техника. Макар основните принципи да са добре изяснени, разнообразието от системи и техните екологични функции продължават да бъдат предмет на интензивни изследвания.

Функции на биолуминесценцията

За списък вижте уебстраницата на Biolum.

Камуфлаж с контрасветкавица

При някои видове калмари бактериалната биолуминесценция се използва за контрасветкавица, така че животното да съответства на горната светлина на околната среда, която се вижда отдолу. При тези животни светлинните органи контролират контраста на това осветление, за да създадат оптично съвпадение. Обикновено тези светлинни органи са отделени от тъканта, съдържаща биолуминесцентните бактерии.

Привличане

Биолуминесценцията се използва като примамка за привличане на плячка от някои дълбоководни риби, като например рибата въдичар. Висяща примамка на главата на рибата привлича малки животни на близко разстояние. Някои риби обаче използват небиолуминесцентна примамка.

Акулата кукери използва биолуминесценция за камуфлаж, но малък участък от долната част на корема ѝ остава тъмен и изглежда като малка рибка на плуващите под нея големи хищни риби като риба тон и скумрия. Когато тези риби се опитат да консумират "малката риба", те биват ухапани от акулата, която издълбава малки кръгли парчета месо с формата на "бисквитка" от своите гостоприемници.

При динофлагелатите този механизъм има интересен обрат. Когато чрез движението си във водата усетят хищник от планктона, динофлагелатите започват да луминисцират. Това от своя страна привлича още по-големи хищници, които изяждат бъдещия хищник на динофлагелата.

Привличането на партньори е важна функция на биолуминесценцията. Това се наблюдава при светулките, които използват периодично мигане на коремчетата си, за да привличат партньори в сезона на чифтосване. В морската среда това е добре документирано само при някои малки ракообразни, но може да е доста разпространено.

Отблъскване

Някои калмари и малки ракообразни използват биолуминесценция, както много калмари използват мастило. Изхвърля се облак от луминесценция, който обърква или отблъсква потенциалния хищник, докато калмарът или ракообразното бягат на безопасно място. Всеки вид светулка има ларви, които светят, за да отблъскват хищниците.

Женска на Lampyris noctiluca, обикновения светещ червей.


Ларва на светулка

Биотехнологии

Биолуминисцентните организми са обект на много области на изследване. Луциферазните системи се използват широко в областта на генното инженерство. Те се използват и в биомедицинските изследвания, за да придадат на някои клетки видими етикети. Луциферинът може да се добавя към молекули и клетки, за да ги направи видими под микроскоп. "Този пазар сега е на стойност около 20 млрд. Ако отидете в болница и си направите кръвен тест, който измерва вирусни протеини, ракови протеини, хормони, витамини, бактериални протеини, лекарства, почти сигурно ще се използва тази техника".

Структурата на фотофорите - светлинните органи в биолуминесцентните организми - се изследва от индустриалните дизайнери.

Художествено представяне на биолуминесцентен антарктически крил

Въпроси и отговори

В: Какво представлява биолуминесценцията?

В: Как работи биолуминесценцията?

В: Кои организми произвеждат биолуминесцентна светлина?

В: Откъде идва способността за производство на биолуминесцентна светлина?

В: Каква е била първоначалната функция на производството на биолуминесцентна светлина при бактериите?

В: Какво представляват луциферинът и луциферазата?

Търсене по буква