BIOLUMINESCENCJA - ŻYWE LATARKI

Świecenie żywych organizmów jest z pewnością najdawniej i najpowszechniej znanym przykładem F chemiluminescencji. Zarówno chrząszczy - świetlików, jak i bakterii (świecące próchno, tzw. "fosforencencja morza", a również psujące się mięso). Dostępna literatura chemiczna podaje dwa mechanizmy zjawiska: w grę może wchodzić enzymatyczne utlenianie lucyferyny katalizowane lucyferazą:

jak i enzymatyczne utlenianie prostych aldehydów alifatycznych, zawierających kilka-kilkanaście atomów węgla. 

FMNH₂ +  RCHO +  O₂  =  FMN +  H₂O +  RCOOH +  hv (490 nm)

W reakcji bierze udział zredukowany flawinomononukleotyd (FMNH₂) oraz ATP. Wydajność kwantowa osiąga zawrotną wartość kilkudziesięciu procent. Być może, u organizmów wyższych (chrząszczy) istotną rolę odgrywa pierwszy proces, natomiast u bakterii - drugi. U świecących robaków substratem jest izowalerylo-3-aminopropanal

(CH₃)₂CH CO NH CH₂CH₂ CHO 

Wiele organizmów wyższych do produkcji światła wykorzystuje zdolności bakterii osiadłych na niektórych fragmentach ich ciała. Musi jednak istnieć interesujący dodatkowy mechanizm sterowania taką zdolnością "gości", ponieważ nawet w tych przypadkach, świecenie następuje impulsami (czasem w postaci oślepiających błysków). Barwa bioluminescencji jest z reguły żółtozielonkawa lub niebieskawa, jedynie u organizmów głębinowych spotyka się światło koloru czerwonego. Poniższe zdjęcia pochodzą z czasopisma "National Geographic Magazine"; pierwsze przedstawia makrofotografię chrząszcza, a drugie - wykorzystanie świetlików jako "żywej latarki" podczas czytania mapy:

O naszych popularnych świetlikach Phausis splendidula L. można przeczytać w popularnym Małym Atlasie chrząszczy:

"Świecenie świetlików powstaje w wyniku przemiany chemicznej enzymu lucyferazy w skomplikowany związek fucyferynę. Reakcja chemiczna przebiega na spodniej stronie niektórych segmentów odwłoka. [---] Tylko samce mają skrzydła i pokrywy i mogą latać. Samice są robakowate, podobne do larw i charakteryzują się powolnymi, ociężałymi ruchami".

Warto zwrócić uwagę na oczywisty błąd w pierwszym zdaniu cytatu...

Nie jest do końca wyjaśniona etiologia bioluminescencji. Początkowo przypisywano jej funkcję seksualną (np. u świetlików). Ostatnio okazało się, że pełnić ona może rolę czynnika agregacyjnego (przy skupianiu) drobnoustrojów, lub funkcję prawdziwego reflektora podczas polowania, a wreszcie - czynnika kamuflującego. Niezwykle piękny film poświęcony życiu w największych głębinach oceanów (w tym przykładów bioluminescencji ryb i jamochłonów morskich) pokazano niedawno w telewizji. Przy obserwacji "świecących" ryb akwariowych, np. neonków, trzeba zwrócić uwagę na to, że tutaj efekt powstaje na skutek fluorescencji, lub niezwykle skutecznego odbicia i skupienia światła rozproszonego, a nie chemiluminescencji. Jeśli chce się jednoznacznie rozstrzygnąć naturę takiego świecenia, trzeba obserwacje prowadzić w zupełnej ciemności (przesłonięcie okna firanką jest niewystarczające). Poniżej zamieszczam zdjęcie płytki z hodowlą bakterii Photobacterium phosphoreum na podłożu agarowym, wykonane w półmroku. Bakterie te są przyczyną tzw. fosforescencji morza w strefie podzwrotnikowej. 

Przypominam że zjawisko świecenia na zimno, na skutek reakcji chemicznej nazywa się chemiluminescencją. A zjawiska fluorescencji i fosforescencji są typowymi zjawiskami fizycznymi i nie mają nic wspólnego z chemiluminescencją! Świecenie białego fosforu jest więc chemiluminescencją a nie fosforescencją...

Kolejne zdjęcie: antarktyczny świecący kryl Euphausia superba (ze strony: http://www.ecoscope.com/krill.htm )

Ostatnio, w niektórych badaniach biochemicznych sięgnięto do techniki wszczepiania genów stymulujących świecenie komórek.

Niezwykłość efektu bioluminescencji wypada zaliczyć do tej samej grupy zjawisk, które są dowodem rozrzutnego przepychu żywych organizmów, podobnie jak wyrafinowany kształt kwiatów orchidei, żywość barw kolibra, wspaniałość wzoru ogona pawia, śpiew słowika... 

W popularnej literaturze spotyka się czasem przepis na "wyhodowanie" świecących kolonii bakteryjnych na skrawkach specjalnie spreparowanego, rozkładającego się mięsa wołowego. Przepisy te są jednak mało wiarygodne. Osoby mające pozytywne rezultaty proszone są o kontakt...

Podziękowanie:
Panu dr hab. Tadeuszowi Kaczorowskiemu z Katedry Mikrobiologii U.G.   F  http://microbiology.univ.gda.pl dziękuję za udostępnienie hodowli bakteryjnych, oraz za pomoc literaturową.

 

LITERATURA
http://www.interscience.wiley.com/jpages/0884-3996/  [Journal of Bioluminescence]
Wiedza i Życie Nr.3, 1996   [kilka artykułów o bioluminescencji http://www.wiedzaizycie.pl/96031300.HTM ]
http://www.herper.com/Bioluminescence.html  
http://lifesci.ucsb.edu/~biolum/organism/photo.html  [oficjalna strona bioluminescencji (w tym zdjęcia)]
http://mcb.harvard.edu/hastings/Images/bioluminescence.html  [zdjęcia świecących organizmów]
http://bmbiris.bmb.uga.edu/wampler/biolum/index.html#index  [zdjęcia]
http://www.luxgene.com/  [zdjęcia]
http://www.biobay.com/island_adventures/index.html [zdjęcia kajaków w świecącej wodzie] L (strona nieczynna)
http://www.inclinehs.org/smb/Xenorhabdus.htm  [o chemizmie świecenia ]
http://bmbiris.bmb.uga.edu/wampler/biolum/worm/sld008.htm  [chemizm świecenia robaków]
http://www.worthington-biochem.com/priceList/L/Luciferase.html  [lucyferaza: odczynnik handlowy] L (strona nieczynna)
http://www.calzyme.com/catalog/lucifera.html  [oznaczanie aktywności lucyferazy] L (strona nieczynna)
http://www.ultranet.com/~jkimball/BiologyPages/B/Bioluminescence.html  [bioluminescencja]
http://www.biology.pl/bakterie_sw/index_en.html [strona o bakteriach świecących]
National Geographic Magazine,  lipiec 1962, s.48; lipiec 1971, s.45.
J.R.Winkler, F.Severa, Mały atlas chrząszczy. PWRiL, Warszawa 1972, s.88.

 

Tomasz Pluciński
nowy adres:  tomasz.plucinski@ug.edu.pl