Πίνακας περιεχομένων:

Riddles of Nature: Bioluminescence
Riddles of Nature: Bioluminescence
Anonim

Η βιοφωταύγεια είναι η ικανότητα των ζωντανών οργανισμών να λάμπουν με τις δικές τους πρωτεΐνες ή με τη βοήθεια συμβιωτικών βακτηρίων.

Σήμερα είναι γνωστά περίπου 800 είδη φωτεινών ζωντανών πλασμάτων. Οι περισσότεροι από αυτούς ζουν στη θάλασσα. Αυτά είναι βακτήρια, μονοκύτταρα μαστιγωτά φύκια, ακτινοβόλα, μύκητες, πλαγκτονικά και προσκολλημένα ομογενή, σιφωνοφόρα, φτερά θάλασσας, κενοφόρα, εχινόδερμα, σκουλήκια, μαλάκια, καρκινοειδή, ψάρια.

Μερικά από τα πιο λαμπερά ζώα είναι τα πυροσώματα (σκαθάρια της φωτιάς). Μεταξύ των βιοφωταυγών ειδών του γλυκού νερού, είναι γνωστό το γαστερόποδα μαλάκιο της Νέας Ζηλανδίας Latia neritoides και μια σειρά από βακτήρια. Μεταξύ των χερσαίων οργανισμών, λάμπουν ορισμένα είδη μυκήτων, γαιοσκώληκες, σαλιγκάρια, χιλιόποδες και έντομα.

Σε επίπεδο μικρόκοσμου, μια πολύ αδύναμη λάμψη, την οποία μπορούμε να καταγράψουμε μόνο με τη βοήθεια εξαιρετικά ευαίσθητων φωτομέτρων, είναι μια παρενέργεια της εξουδετέρωσης των ενεργών ειδών οξυγόνου από ένζυμα, τα οποία είναι απαραίτητα, αλλά τοξικά για τα κύτταρα που συμμετέχουν σε τη διαδικασία οξείδωσης της γλυκόζης. Παρέχουν επίσης την ενέργεια που απαιτείται για τη χημειοφωταύγεια σε διάφορες πρωτεΐνες φωσφόρου.

Βιοφωταύγεια
Βιοφωταύγεια

Ένας από τους πρώτους βακτηριακούς λαμπτήρες - μια φιάλη με καλλιέργεια φωτεινών βακτηρίων - διασκέδασε πριν από περισσότερα από εκατό χρόνια ο Ολλανδός βοτανολόγος και μικροβιολόγος Martin Beijerinck. Το 1935, τέτοιοι λαμπτήρες φώτισαν ακόμη και τη μεγάλη αίθουσα του Ωκεανολογικού Ινστιτούτου του Παρισιού και κατά τη διάρκεια του πολέμου ο σοβιετικός μικροβιολόγος A. A. Η Egorova χρησιμοποίησε φωτεινά βακτήρια για πεζούς σκοπούς - για να φωτίσει το εργαστήριο.

Και μπορείτε να πραγματοποιήσετε ένα παρόμοιο πείραμα: βάλτε ωμό ψάρι ή κρέας σε ένα ζεστό μέρος, περιμένετε μια ή δύο εβδομάδες και στη συνέχεια ανεβείτε το βράδυ (από την πλευρά του ανέμου!) Και δείτε τι συμβαίνει - είναι πιθανό τα βακτήρια να κατοικούν το θρεπτικό μέσο θα λάμπει με ένα απόκοσμο φως. Βακτήρια, κυρίως του γένους Photobacterium και Vibrio, και πολυκύτταροι πλαγκτονικοί οργανισμοί (στη φωτογραφία) λάμπουν στη θάλασσα, αλλά η κύρια πηγή φωτός είναι ένας από τους μεγαλύτερους (έως 3 mm!) και πολύπλοκους μονοκύτταρους οργανισμούς - μαστιγωτά φύκια της νύχτας φως.

Στα βακτήρια, οι πρωτεΐνες του φωσφόρου είναι διάσπαρτες σε όλο το κύτταρο· στους μονοκύτταρους ευκαρυωτικούς (με πυρήνα κυττάρου) οργανισμούς, βρίσκονται σε κυστίδια που περιβάλλονται από μια μεμβράνη στο κυτταρόπλασμα. Στα πολυκύτταρα ζώα, το φως εκπέμπεται συνήθως από ειδικά κύτταρα - φωτοκύτταρα, συχνά ομαδοποιημένα σε ειδικά όργανα - φωτοφόρα.

Τα φωτοκύτταρα συνεντερικών και άλλων πρωτόγονων ζώων, καθώς και φωτοφόρα που λειτουργούν λόγω συμβιωτικών φωτοβακτηρίων, λάμπουν συνεχώς ή για αρκετά δευτερόλεπτα μετά από μηχανική ή χημική διέγερση. Σε ζώα με περισσότερο ή λιγότερο ανεπτυγμένο νευρικό σύστημα, ελέγχει τη λειτουργία των φωτοκυττάρων, ενεργοποιώντας και απενεργοποιώντας τα ως απόκριση σε εξωτερικά ερεθίσματα ή όταν αλλάζει το εσωτερικό περιβάλλον του σώματος.

Εκτός από την ενδοκυτταρική, στις γαρίδες βαθέων υδάτων, τα χταπόδια, τις σουπιές και τα καλαμάρια, υπάρχει ένας εκκριτικός τύπος λάμψης: ένα μείγμα προϊόντων έκκρισης δύο διαφορετικών αδένων εκτοξεύεται από τον μανδύα ή κάτω από το κέλυφος και εξαπλώνεται στο νερό σαν λαμπερό σύννεφο που τυφλώνει τον εχθρό.

Βιοφωταύγεια
Βιοφωταύγεια

Ένα άλλο κλασικό παράδειγμα βιοφωταύγειας είναι η σήψη του ξύλου. Δεν είναι το ίδιο το δέντρο που λάμπει μέσα τους, αλλά το μυκήλιο του συνηθισμένου μύκητα μελιού.

Και στους ανώτερους μύκητες του γένους Mycena, που αναπτύσσονται επίσης σε ένα δέντρο που σαπίζει, αλλά σε θερμές περιοχές όπως η Βραζιλία και η Ιαπωνία, τα καρποφόρα σώματα λάμπουν - αυτά που συνήθως ονομάζονται μανιτάρια (αν και μούχλα, ζυμομύκητες και άλλοι μύκητες είναι επίσης μανιτάρια, μόνο χαμηλότερα). Ένα από τα είδη αυτού του γένους ονομάζεται M. lux-coeli, "μυκήνας - ουράνιο φως".

Βιοφωταύγεια
Βιοφωταύγεια

Η πιο εντυπωσιακή εφαρμογή της βιοφωταύγειας είναι η δημιουργία διαγονιδιακών φυτών και ζώων. Το πρώτο ποντίκι με το γονίδιο GFP που έχει εισαχθεί στα χρωμοσώματα δημιουργήθηκε το 1998.

Απαιτούνται λαμπερές πρωτεΐνες για την επεξεργασία τεχνικών εισαγωγής ξένων γονιδίων στα χρωμοσώματα διαφόρων οργανισμών: εάν λάμπει, σημαίνει ότι η μέθοδος λειτουργεί, μπορείτε να τη χρησιμοποιήσετε για να εισάγετε ένα γονίδιο στόχο στο γονιδίωμα. Το πρώτο φωτεινό ψάρι - το διαγονιδιακό ψάρι ζέβρα (Brachydanio rerio) και το ιαπωνικό ψάρι ρυζιού medaka (Orizias latipe) - κυκλοφόρησαν το 2003.

Λαμπερή θάλασσα

Όσοι έχουν την τύχη να κολυμπούν στη θάλασσα τη νύχτα κατά τη διάρκεια της λάμψης της, θα θυμούνται αυτό το μαγευτικό θέαμα για μια ζωή. Τις περισσότερες φορές, η αιτία της λάμψης είναι τα μαστιγωτά φύκια του νυχτερινού φωτός (Noctiluca). Κάποια χρόνια ο αριθμός τους αυξάνεται τόσο πολύ που λάμπει ολόκληρη η θάλασσα. Αν είστε άτυχοι και βρεθείτε στις όχθες ζεστών θαλασσών τη λάθος στιγμή, δοκιμάστε να ρίξετε θαλασσινό νερό σε ένα βάζο και προσθέστε λίγη ζάχαρη εκεί.

Οι νυχτερινοί θα αντιδράσουν σε αυτό αυξάνοντας τη δραστηριότητα της πρωτεΐνης λουσιφερίνης. Ανακινήστε το νερό και θαυμάστε τη γαλαζωπή λάμψη. Και όταν σταματήσετε να θαυμάσετε, μπορείτε να θυμηθείτε ότι κοιτάζετε ένα από τα άλυτα μυστήρια της φύσης: η έλλειψη σαφήνειας των εξελικτικών μηχανισμών της εμφάνισης της ικανότητας να λάμπει σε διάφορα taxa σημειώθηκε σε ξεχωριστό κεφάλαιο του The Origin of Species» του Δαρβίνου, και από τότε οι επιστήμονες δεν μπόρεσαν να ρίξουν αυτό το ερώτημα είναι το φως της αλήθειας.

Η φωταύγεια θα μπορούσε να έχει αναπτυχθεί σε οργανισμούς που ζουν σε καλές συνθήκες φωτός, με βάση ενώσεις χρωστικής που εκτελούν λειτουργία προστασίας από το φως.

Αλλά η σταδιακή συσσώρευση ενός χαρακτηριστικού - ένα φωτόνιο ανά δευτερόλεπτο, δύο, δέκα - τόσο για αυτούς όσο και για τους νυχτερινούς συγγενείς τους και τους συγγενείς τους στα βαθιά νερά δεν θα μπορούσε να επηρεάσει τη φυσική επιλογή: μια τόσο αδύναμη λάμψη δεν γίνεται αισθητή ούτε από τα πιο ευαίσθητα μάτια, και Η εμφάνιση έτοιμων μηχανισμών έντονης λάμψης στη γυμνή θέση φαίνεται επίσης αδύνατη. Και ακόμη και οι λειτουργίες της λάμψης σε πολλά είδη παραμένουν ακατανόητες.

Βιοφωταύγεια
Βιοφωταύγεια

Γιατί λάμπουν;

Λαμπερές βακτηριακές αποικίες και μύκητες προσελκύουν έντομα που μεταδίδουν μικρόβια, σπόρια ή μυκήλια. Οι εντομοφάγες προνύμφες του κουνουπιού Arachnocampa της Νέας Ζηλανδίας υφαίνουν ένα δίχτυ παγίδευσης και το φωτίζουν με το δικό τους σώμα, προσελκύοντας έντομα.

Οι λάμψεις φωτός μπορούν να τρομάξουν τα αρπακτικά από μέδουσες, ζελέ χτενίσματος και άλλα αβοήθητα και ευγενικά πλάσματα. Για τον ίδιο σκοπό, τα κοράλλια και τα άλλα αποικιακά ζώα που αναπτύσσονται σε ρηχά νερά λάμπουν ως απόκριση στη μηχανική διέγερση και οι γείτονές τους, που κανείς δεν άγγιξε, αρχίζουν επίσης να τρεμοπαίζουν. Τα κοράλλια βαθέων υδάτων μετατρέπουν το αδύναμο φως μικρού μήκους κύματος που φτάνει σε αυτά σε ακτινοβολία με μεγαλύτερο μήκος κύματος, πιθανώς για να επιτρέψουν στα συμβιωτικά φύκια που κατοικούν στους ιστούς τους να φωτοσυνθέσουν.

Βιοφωταύγεια
Βιοφωταύγεια

Καλάμι ψαρέματος με λάμπα

Η τάξη των πεσκανδρών (Lophiiformes) είναι η πιο ποικιλόμορφη (16 οικογένειες, πάνω από 70 γένη και πάνω από 225 είδη) και, ίσως, η πιο ενδιαφέρουσα από τα ψάρια βαθέων υδάτων. (Πολλοί είναι εξοικειωμένοι με τους ψαράδες της θάλασσας όχι από το σχολικό βιβλίο της ζωολογίας, αλλά από το κινούμενο σχέδιο "Finding Nemo").

Τα θηλυκά ψαρά είναι αρπακτικά με μεγάλα στόματα, δυνατά δόντια και πολύ εκτεινόμενο στομάχι. Μερικές φορές νεκρή πεσκανδρίτσα βρίσκονται στην επιφάνεια της θάλασσας, πνίγοντας ψάρια πάνω από το διπλάσιο του μεγέθους τους: το αρπακτικό δεν μπορεί να το απελευθερώσει λόγω της δομής των δοντιών του. Η πρώτη ακτίνα του ραχιαίου πτερυγίου μετατρέπεται σε «καλάμι ψαρέματος» (illicium) με ένα φωτεινό «σκουλήκι» (έσκα) στο άκρο. Είναι ένας αδένας γεμάτος βλέννα που περιέχει βιοφωταύγεια βακτήρια. Λόγω της επέκτασης των τοιχωμάτων των αρτηριών που τροφοδοτούν το Escu με αίμα, τα ψάρια μπορούν αυθαίρετα να προκαλέσουν τη φωταύγεια βακτηρίων που χρειάζονται παροχή οξυγόνου για αυτό ή να το σταματήσουν, στενεύοντας τα αγγεία.

Συνήθως, η λάμψη εμφανίζεται με τη μορφή μιας σειράς αναλαμπές, μεμονωμένων για κάθε είδος. Το Illicium στο είδος Ceratias holboelli είναι σε θέση να κινείται προς τα εμπρός και να ανασύρεται σε ένα ειδικό κανάλι στο πίσω μέρος. Δελεάζοντας το θήραμα, αυτός ο ψαράς μετακινεί σταδιακά το φωτεινό δόλωμα στο στόμα του μέχρι να καταπιεί το θήραμα. Και ο Galatheathauma axeli έχει το δόλωμα ακριβώς στο στόμα.

Η θέση των φωσφόρων και ακόμη και η φύση του που αναβοσβήνουν τα λαμπερά σημεία μπορεί να χρησιμεύσει για επικοινωνία - για παράδειγμα, για να προσελκύσει έναν σύντροφο. Και τα θηλυκά της αμερικανικής πυγολαμπίδας Photoris versicolor, μετά το ζευγάρωμα, αρχίζουν να «χτυπούν τον κώδικα Μορς» των θηλυκών άλλου είδους, προσελκύοντας τα αρσενικά τους όχι για ερωτικούς, αλλά για γαστρονομικούς σκοπούς.

Στα ανοικτά των ακτών της Ιαπωνίας, μαζικούς γάμους γιορτάζουν οι umitoharu (θαλάσσιες πυγολαμπίδες) - μικροσκοπικά, μήκους 1-2 mm, καρκινοειδή του γένους Cypridina - και το καλαμάρι Watasenia scintellans. Σώματα Vatazenia μήκους περίπου 10 cm, μαζί με πλοκάμια, είναι διάστικτα με φωτοφόρα μαργαριτάρια και φωτίζουν μια περιοχή διαμέτρου 25-30 cm - φανταστείτε πώς μοιάζει η θάλασσα με ένα ολόκληρο κοπάδι από αυτά τα καλαμάρια!

Βιοφωταύγεια
Βιοφωταύγεια

Σε πολλά κεφαλόποδα βαθέων υδάτων, το σώμα είναι βαμμένο με ένα μοτίβο από πολύχρωμα φωτεινά σημεία και τα φωτοφόρα είναι πολύ περίπλοκα, όπως ένας προβολέας που λάμπει μόνο προς τη σωστή κατεύθυνση με ανακλαστήρες και φακούς (μερικές φορές διπλούς και έγχρωμους).

Πολλές πλαγκτονικές γαρίδες βαθέων υδάτων έχουν την ικανότητα να λάμπουν. Στα άκρα, κατά μήκος των πλευρών και στην κοιλιακή πλευρά του σώματος, έχουν έως και 150 φωτοφόρα, μερικές φορές καλυμμένα με φακούς. Η θέση και ο αριθμός των φωτοφόρων για κάθε είδος είναι αυστηρά σταθερός και στο σκοτάδι του βάθους των ωκεανών βοηθά τα αρσενικά να βρουν θηλυκά και όλα μαζί - να συγκεντρωθούν σε κοπάδια.