Bioluminiscence — kas ir dzīvo organismu gaisma: definīcija un mehānisms

Atklāj bioluminiscences definīciju un mehānismu — kā dzīvie organismi, baktērijas un protisti ar luciferāzi rada gaismu un evolūcijas nozīmi.

Bioluminiscence ir dzīvo organismu spēja radīt gaismu. Bieži vien tas notiek simbiozes ceļā — lielākā organismā, bieži vien īpašā orgānā, atrodas mikroorganismi, kas rada gaismu. Eikarijotiem protistiem ir īpašas organellas, un arī dažas baktērijas spēj radīt redzamu starojumu. Bioluminiscence ir ķīmisku procesu rezultāts — saražotā enerģija izdalās kā redzama gaisma. Šī spēja evolūcijas gaitā ir parādījusies vairākas reizes, un tā sastopama gan jūrā (plašāk), gan uz sauszemes (piemēram, sarkanošu ierāmjogām un dažiem sēņu veidiem).

Ķīmiskais mehānisms

Bioluminiscences centrālais ķīmiskais mehānisms parasti ietver molekulu, ko sauc par luciferīnu, un fermentu luciferāzi. Klasiskajā skaidrojumā ATP (adenozīna trifosfāts), bioloģiskais enerģijas avots, ar luciferīna fermenta luciferāzes palīdzību reaģē ar luciferīnu, veidojot starpposma kompleksu. Šis komplekss savienojas ar skābekli, veidojot ļoti ķīmiski luminiscējošu (spilgti mirdzošu) savienojumu, kas atbrīvo enerģiju gaismas veidā.

Ir svarīgi zināt, ka pastāv vairākas sistēmas:

• Dažiem organismiem reakcija tieši prasa ATP (piem., bioluminiscence noteiktos kukaiņos).
• Citos gadījumos izmantotas fotoproteīnu sistēmas (piemēram, aequorīns jūras medūzās), kur gaismas izdalīšanos regulē kalcija joni, nevis atkārtota ATP piegāde.
• Luciferīnu veidi atšķiras starp organismiem — baktēriju luciferīns, ugunmutīšu (firefly) luciferīns, koelenterazīns u. c. — un tas nozīmē, ka molekulu mehānismi un gaismas krāsa var atšķirties.

Bioloģiskā loma un pielietojums

Bioluminiscence pilda daudz dažādu funkciju atkarībā no sugas un vides. Galvenie pielietojumi dabā ir:

• Predatoru atbaidīšana — spēcīga gaisma var izbiedēt plēsējus vai novērst uzmanību no būtiskiem ķermeņa orgāniem.
• Pievelkšana — citi organismi (piem., daži dziļūdens zivju veidi) izmanto gaismu, lai pievilinātu upuri.
• Komunikācija un pārošanās signāli — piemēram, ugunmutītes izmanto gaismas mirgošanu, lai piesaistītu partnerus.
• Kamuflāža (counterillumination) — dažas jūras sugas izstaro gaismu uz vēdera, lai saplūstu ar apkārtējo ūdens spilgtumu un kļūtu mazāk pamanāmas no zemāk esošiem plēsējiem.
• Simbioze — organisma un gaismu ražojošu baktēriju sadarbība (slavenākais piemērs ir bobtail squid un Vibrio baktērijas) palīdz maskēties vai piesaistīt barību.

Ekoloģija un evolūcija

Gamma proteobaktēriju loma gaismas radīšanā ir sīki aplūkota atsauces darbos. Spēja ražot gaismu bieži vien ir kā vielmaiņas paplašinājums: visas ķīmiskās reakcijas rada dažus fotonus, un redzamā gaisma rodas, kad fotonu ražošana palielinās līdz redzamam līmenim. Baktēriju gadījumā reakcijas sākotnējā funkcija, iespējams, bija detoksikēt lieko skābekli vai nodrošināt citus ķīmiskus labumus, un tikai vēlāk sniedzās pielietojums signālos vai kamuflāžā. Tā kā bioluminiscence ir parādījusies vairākas reizes neatkarīgi, tā ir labs piemērs konverģentai evolūcijai.

Krāsa, efektivitāte un vides ietekme

Lielākā daļa jūras bioluminiscences ir zilganzaļā diapazonā, jo šīs viļņu garumas gaisma vislabāk izplatās ūdenī. Bioluminiscence ir arī ļoti efektīva enerģijas ziņā — salīdzinot ar elektroluminiscenci vai termisku apgaismojumu, liela daļa ķīmiskās enerģijas tiek pārveidota tieši gaismā, nevis siltumā.

Cilvēka izmantošana

Bioluminiscence ir kļuvusi par svarīgu rīku molekulārajā bioloģijā un medicīnā. Lucifērāzes gēni un luciferīnreakcijas tiek izmantotas kā:

• biomarkeri un reportieri, lai sekotu gēnu ekspresijai vai šūnu dzīvotspējai;
• diagnostikas sensoru sastāvdaļas un vides piesārņojuma noteikšanai;
• klīniskās un laboratorijas attēlveidošanas metodes, kur nepieciešama ļoti jutīga un tieša signāla detektēšana.

Regulācija un kontrole

Organismi regulē gaismas ražošanu dažādi: nervu impulsi, hormoni, kalcija līmeņa izmaiņas vai baktēriju quorum sensing sistēmas. Piemēram, bioluminiscējošām baktērijām bieži nepieciešama noteikta populācijas blīvuma robeža, lai aktivizētu gaismas izstarošanu, kas ļauj izvairīties no nevajadzīgas enerģijas tērēšanas.

Apkopojot — bioluminiscence ir daudzveidīgs, efektīvs un evolūcijas gaitā vairākkārt attīstījies bioķīmisks risinājums, kas nodrošina organismiem gan izdzīvošanas, gan saziņas priekšrocības, kā arī sniedz plašu spektru tehnisko un zinātnisko pielietojumu cilvēku darbībā.

Bioluminiscences funkcijas

Sarakstu skatīt Biolum tīmekļa vietnē.

Pretgaismas kamuflāža

Dažām kalmāru sugām bakteriālā bioluminiscence tiek izmantota pretgaismojumam, lai dzīvnieks atbilstu vides gaismai, kas redzama no apakšas. Šiem dzīvniekiem gaismas orgāni kontrolē šī apgaismojuma kontrastu, lai radītu optiski atbilstošu izgaismojumu. Parasti šie gaismas orgāni ir atdalīti no audiem, kas satur bioluminiscējošās baktērijas.

Pievilkšana

Bioluminiscenci kā lamatas, lai piesaistītu upuri, izmanto vairākas dziļūdens zivis, piemēram, jūrasvelns. Uz zivs galvas uzkarināts luminiscējošais māneklis piesaista nelielus dzīvniekus, kas atrodas tuvāk par to. Tomēr dažas zivis izmanto nebioluminiscējošu ēsmu.

Kukaiņhaizivs izmanto bioluminiscenci, lai maskētos, bet neliels plankums zem tās vēdera paliek tumšs un zem tās peldošajām lielajām plēsīgajām zivīm, piemēram, tunzivīm un makrelēm, izskatās kā maza zivtiņa. Kad šīs zivis mēģina apēst "mazo zivtiņu", haizivs tās sakoda, un tās izgrauž no saviem saimniekiem mazus apaļus "cepumu griezēja" formas gaļas gabaliņus.

Dinoflagelātiem šis mehānisms ir interesants pavērsiens. Kad planktona plēsējs jūt kustību ūdenī, dinoflagelāts sāk luminiscēt. Tas savukārt piesaista vēl lielākus plēsējus, kas apēd dinoflagelāta potenciālo plēsēju.

Biolaminācijai ir svarīga funkcija piesaistīt partnerus. To var novērot pie ugunsputniņām, kuras pārošanās sezonā izmanto periodisku mirgošanu vēderā, lai piesaistītu partnerus. Jūras vidē tas ir labi dokumentēts tikai dažiem maziem vēžveidīgajiem, bet, iespējams, tas ir diezgan izplatīts.

Atgrūšana

Daži kalmāri un mazie vēžveidīgie izmanto bioluminiscenci, tāpat kā daudzi kalmāri izmanto tinti. Luminiscences mākonis tiek izkliedēts, mulsinot vai atbaidot potenciālo plēsēju, kamēr kalmārs vai vēžveidīgais aizbēg uz drošu vietu. Katrai ugunspārņu sugai ir kāpuri, kas spīd, lai atbaidītu plēsējus.

Lampyris noctiluca , parastā spīdekļa, mātīte.


Sārtgalvītes kāpurs

Biotehnoloģija

Bioluminiscējoši organismi ir mērķis daudzās pētniecības jomās. Luciferāzes sistēmas plaši izmanto gēnu inženierijas jomā. Tās tiek izmantotas arī biomedicīnas pētījumos, lai dažām šūnām piešķirtu redzamus marķējumus. Luciferīnu var pievienot molekulām un šūnām, lai padarītu tās redzamas mikroskopā. "Šā tirgus vērtība šobrīd ir aptuveni 20 miljardi sterliņu mārciņu. Ja jūs ieejat slimnīcā un veicat asins analīzes, kurās nosaka vīrusu olbaltumvielas, vēža olbaltumvielas, hormonus, vitamīnus, baktēriju olbaltumvielas, zāles, tad gandrīz noteikti tiks izmantota šī metode."

Rūpnieciskie dizaineri pēta fotoforu - bioluminiscējošo organismu gaismas ražošanas orgānu - struktūru.

Bioluminiscējoša Antarktīdas krila mākslinieciskais atveidojums

Jautājumi un atbildes

J: Kas ir bioluminiscence?

J: Kā darbojas bioluminiscence?

J: Kādi organismi rada bioluminiscējošu gaismu?

J: No kurienes radās spēja ražot bioluminiscējošu gaismu?

J: Kāda bija sākotnējā funkcija, kas baktērijām radīja bioluminiscējošu gaismu?

J: Kas ir luciferīns un luciferāze?

Meklēt pēc burta