Ali Majdfar/Getty Images
Bioluminiscența – de la povești cu zâne până la Premiul Nobel34 min read
Bioluminiscența este lumina produsă natural de organisme precum licurici, ciuperci, bacterii sau pești abisali. Deși pare magie, e rezultatul unei reacții chimice precise, prezentă în natură și folosită azi în cercetare, medicină sau protecția mediului.
„Licărul ce trece-n zbor
Îl vezi noaptea călător.
E un bec pentru furnici?
Felinar e? Tu ce zici?”
Sigur ți-a fugit gândul la licurici, micuțele licăriri pe care le poți întâlni în nopțile de vară prin pădure. Dar te-ai întrebat vreodată cum de niște „simple” insecte pot lumina? Ei bine, ele prezintă fenomenul numit de specialiști bioluminiscență.
Bioluminiscența este un fenomen natural fascinant, prin care unele organisme își produc propria lumină. Este o formă de chemoluminiscență, adică producerea de lumină, rezultată în urma unei reacții chimice. Lumina astfel obținută nu este una caldă, ca de la un bec clasic, cu incandescență, ci una „rece”, pentru că se bazează pe o reacție chimică cu randament foarte ridicat, care nu irosește energie sub formă de căldură.
Să fie lumină
Această „lumină rece” poate fi întâlnită la numeroase organisme, de la bacterii, fungi, plante, unele nevertebrate și până la pești. Cel mai des apare în mediul marin, în special la organismele abisale, acolo unde domnește întunericul veșnic. Dar nici mediul terestru nu duce lipsă de spectacole bioluminiscente.
Mecanismul de bază al bioluminiscenței presupune oxidarea luciferinei (un pigment care emite lumina) de către o enzimă numită luciferază. Pentru inițierea reacției este necesară energia furnizată de ATP (adenozin trifosfat – molecula de energie a celulei) și prezența ionilor de magneziu.
Luciferina este o moleculă care, atunci când este oxidată, eliberează energie sub formă de lumină. Există mai multe tipuri de luciferine, iar fiecare specie bioluminiscentă prezintă o formă specifică. Luciferaza este o enzimă care acționează ca un catalizator, adică accelerează reacția de oxidare a luciferinei. La fel ca luciferinele, și luciferazele sunt specifice fiecărei specii în parte. În natură sunt întâlnite mai multe astfel de sisteme chimice luciferină-luciferază.
Lamprohiza splendidula. Foto: Jasius/Getty Images.
Lămpi naturale, colorate
Poate cel mai cunoscut exemplu de bioluminiscență este lumina produsă de licurici, mici insecte (coleoptere) cuprinse în familia Lampyridae, care preferă pădurile umede și zonele mlăștinoase.
Această familie cuprinde peste 2.000 de specii, împărțite în numeroase genuri și subfamilii. Morfologia lor este tipică coleopterelor, cu un exoschelet dur din chitină și aripile anterioare transformate în elitre.
Toate stadiile de dezvoltare ale unor licurici (ou, larvă, pupă, adult) emit lumină, dar există și specii la care adulții nu luminează. Speciile de licurici active ziua, precum cele din genul Ellychnia, nu folosesc lumina, ci se bazează pe semnale chimice (feromoni) pentru comunicare și atragerea partenerilor.
Bioluminiscența licuricilor este produsă în organe specializate, numite fotofori, aflate de obicei pe abdomenul indivizilor. Reacția implică luciferina și luciferaza specifice licuricilor.
Lumina produsă poate avea culori variate, de la galben și verde, până la roșu pal, cu lungimi de undă între 510 și 670 de nanometri. Se pare că bioluminiscența licuricilor s-a dezvoltat la larve ca semnal de avertizare pentru potențialii prădători: le transmit că nu sunt bune de mâncat.
Acest caracter a fost adaptat de-a lungul evoluției pentru comunicarea sexuală la adulți. Adulții folosesc semnalele luminoase pentru atragerea partenerilor: masculii emit un model unic de licărire în timpul zborului, iar femelele, de obicei imobile, răspund cu un semnal specific. După fecundare și depunerea ouălor, femelele nu mai emit lumină – scopul semnalelor luminoase a fost îndeplinit.
Lampyris noctiluca. Foto: Richard Packwood/Getty Images
Doamnele licurici: niște „femei fatale” nemiloase
Licuriciul comun (Lampyris noctiluca) este cea mai întâlnită specie din Europa (dar poate fi admirat și în Africa și Asia) și emite o lumină galben-verzuie. Unele specii de licurici, precum „fantoma albastră” din estul SUA (Phausis reticulata), pot părea alb-albăstrui de la distanță, dar de aproape lumina lor este de un verde strălucitor.
Femelele din genul Photuris sunt cunoscute drept un fel de „femmes fatales” în lumea licuricilor. Folosesc o strategie înșelătoare pentru a atrage masculii altor specii, mai exact din genul Photinus. Ele imită modelul de licărire specific, iar masculii cred că au găsit o parteneră pentru împerechere și vin la ele. Însă femelele Photuris îi prind și îi mănâncă.
Armillaria Mellea. Foto: M. Fatih Beser/Getty Images
Ciuperci luminoase
Prin păduri se întâlnesc și specii de ciuperci care strălucesc în întuneric, ca niște adevărate veioze biologice și care întregesc tabloul feeric al nopților de vară. Lumina lor este rezultatul unei reacții chimice similare cu cea de la licurici, în care sunt implicate luciferina și luciferaza. Deși scopul evolutiv exact al acestei abilități la ciuperci este încă studiat, cel mai probabil ele folosesc lumina pentru atragerea insectelor care ajută la dispersarea sporilor sau pentru alungarea potențialilor amatori ai unei gustări.
Se pare că numeroase specii de ciuperci (între 80 și 100) luminează în întuneric. Dintre acestea, merită menționată Armillaria mellea (ghebe) care poate fi întâlnită în pădurile Americii de Nord, Europei și Asiei, și poate fi recunoscută după lumina verde‑gălbuie slabă pe care o emite.
Specia se găsește și în pădurile din România, unde este cunoscută sub numele de gheabă. Este comestibilă doar după preparare termică, altfel poate fi toxică.
Omphalotus olearius. Foto: Paul Starosta/Getty Images
Omphalotus olearius (buretele portocaliu) este o ciupercă otrăvitoare cu o luminiscență verde‑pal a lamelor, prezentă în estul Americii de Nord, în regiunea mediteraneană, dar și în România.
Mycena chlorophos. Foto: ICHIRO/Getty Images
Poate cea mai spectaculoasă este Mycena chlorophos originară din regiunile subtropicale ale Asiei, care impresionează cu o lumină verde‑albăstruie intensă.
Toate aceste specii de ciuperci nu sunt deloc spectaculoase la lumina zilei, dar odată cu lăsarea întunericului începe adevăratul spectacol, atunci când corpul lor emite o lumină rece, ușor stranie, în nuanțe de verde. O adevărată feerie luminoasă care, împreună cu luminile zburătoare ale licuricilor, a stat cu siguranță la baza miturilor și poveștilor cu zâne.
Un ocean strălucitor
Cele mai impresionante spectacole de lumini „vii” au loc însă în locuri unde nu pot fi admirate cu adevărat. Adâncurile oceanelor, vaste și întunecate, găzduiesc specii de animale nebănuite, multe dintre ele capabile să își producă singure lumina. Cele mai multe specii de animale bioluminiscente sunt întâlnite în oceane, de la pești, moluște, pene de mare și corali la meduze, bureți marini, stele de mare, viermi și // „Bioluminescence in the Ocean: Origins of Biological, Chemical, and Ecological Diversity”, science.org //
Lumina emisă este, de obicei, albastră, pentru că această lungime de undă se propagă cel mai bine prin apă și permite semnalelor să fie vizibile pe o suprafață mai mare.
Printre aceste animale marine, unul dintre cele mai cunoscute este peștele undițar, popularizat de filmul animat cu peștișorul Nemo. Denumirea populară cuprinde specii dintr-un întreg ordin de pești (Lophiiformes) care folosesc aceeași metodă pentru a-și prinde prada.
La unele specii, înotătoarea dorsală este transformată într-un fel de undiță (illicium) cu momeală (esca), folosită pentru a atrage prada. În cazul peștilor undițari abisali, această momeală este luminiscentă, dar lumina nu e produsă de pește, ci de bacterii bioluminiscente. Femelele au o relație de simbioză cu aceste bacterii, pe care le găzduiesc, le hrănesc și le atrag cu ajutorul luminii emise. Mecanismele acestor simbioze sunt încă cercetate și rămân, în mare parte, neînțelese.
Pești sau lanterne?
Speciile de bacterii bioluminiscente simbionte variază între speciile de pești undițari, dar mecanismul chimic de producere a luminii este similar celui de la licurici: implică oxidarea unei luciferine în prezența luciferazei. Același mecanism îl prezintă și bacteriile bioluminiscente libere, întâlnite cu precădere în mediul marin, dar și dulcicol sau // „Bacterial bioluminescence: its control and ecological significance”, pmc.ncbi.nlm.nih.gov //
Există însă și pești care își produc singuri lumina, fără a avea nevoie de ajutoare. Aici se încadrează speciile din familia Myctophidae, sau peștii-lanternă, care cuprind pești de talie mică spre medie. Majoritatea măsoară mai puțin de 15 centimetri lungime. Au corpul alungit, iar ochii mari sunt adaptați pentru condiții de lumină scăzută. Sunt caracterizați prin prezența fotoforilor, organe mici, producătoare de lumină, aranjate în modele specifice pe partea ventrală a corpului.
De la acești fotofori le vine și denumirea populară. Structurile le permit să-și producă propria lor lumina pe care o folosesc în comunicare, pentru a atrage prada, dar și pentru a se camufla. Ei folosesc lumina fotoforilor ca să se confunde cu lumina slabă din apă, ceea ce îi face mai greu de observat de prădătorii aflați dedesubt.
Mollisquama mississippiensis. Foto: Jesse Wicker/NOAA FISHERIES/Wikimedia Commons
Rechinul cu buzunar
Un alt pește cu fotofori la purtător este un simpatic rechin, de-a dreptul „pitic”, din genul Mollisquama. Cea mai recent descoperită specie este Mollisquama mississippiensis, colectată pentru prima oară în 2010 din Golful Mexic, de la aproximativ 3000 metri adâncime, și // „A new Western North Atlantic Ocean kitefin shark (Squaliformes: Dalatiidae) from the Gulf of Mexico”, biotaxa.org //
Deși seamănă cumva cu un cașalot, mamifer acvatic de dimensiuni impresionante, rechinul nostru măsoară doar 14 centimetri de la cap și până în vârful cozii.
Pe lângă dimensiunile sale liliputane și aspectul simpatic, acest rechin mai și strălucește în întuneric. Pe suprafața corpului are dispuși numeroși fotofori grupați în diferite zone strategice. Mai mult, posedă și două glande, ca niște buzunare la baza înotătoarelor pectorale, care secretă o substanță fluorescentă de ajutor în atragerea și prinderea prăzii. De la aceste „buzunărașe” i se trage numele de „rechin cu buzunar”. Dar dacă se ține cont de dimensiunile sale reduse, poate că merită să fie pomenit mai degrabă ca „rechinul de buzunar”.
Euprymna scolopes. Foto: Steven Trainoff Ph.D./Getty Images
Molusca orbitoare
Nici moluștele nu se lasă mai prejos când vine vorba de bioluminiscență. Euprymna scolopes este o specie de sepie care poate fi întâlnită în apele puțin adânci din jurul Insulelor Hawaii. Atunci când se simte amenințată poate elibera un nor luminos pentru a-și orbi urmăritorul și a scăpa de pericol, la fel cum alte sepii eliberează cerneală.
Sepia nu depășește zece centimetri lungime ca adult și trăiește în simbioză cu bacterii din specia Aliivibrio fischeri pe care le găzduiește într-un organ luminos complex și cărora le asigură o masă copioasă alcătuită din aminoacizi și // „An Exclusive Contract: Specificity in the Vibrio fischeri-Euprymna scolopes Partnership”, pmc.ncbi.nlm.nih.gov //
Și poate cel mai fascinant spectacol de lumini este cel oferit la suprafață, atunci când valurile mării se sparg la țărm și împrăștie peste tot sclipiri fantomatice. Luminile albastre care se văd uneori în mare sunt provocate de dinoflagelate bioluminiscente, precum Noctiluca scintillans, o specie care reacționează la cele mai mici mișcări. Aceste organisme unicelulare produc o lumină vizibilă uneori și în Marea Neagră, cum s-a întâmplat în toamna trecută, când fenomenul a stârnit uimire printre privitori.
Mituri și vrăjitorii
Studiul bioluminiscenței are o istorie îndelungată, care se întinde de la simplele observații din Antichitate până la cercetările avansate din prezent, care au dus la câștigarea Premiului Nobel.
Încă din cele mai vechi timpuri, oamenii au fost fascinați de luminile misterioase pe care le observau ocazional în natură. Bioluminiscența, prin natura ei misterioasă, a inspirat nenumărate mituri, legende și povești de-a lungul timpului, mai ales în culturi care trăiau aproape de natură: în păduri, pe malul oceanelor sau în jungle tropicale.
În multe culturi asiatice, licuricii sunt văzuți ca spirite ale morților sau suflete rătăcitoare. Pescarii din Caraibe credeau că dacă apa scânteiază în jurul bărcii, este un semn că spiritele din mare sunt active și ar trebui să fie respectate, pe când în India se credea că mările care strălucesc noaptea sunt binecuvântate de zeii sau zeițele mării, și vor aduc recolte bogate de pește.
În Europa, în folclorul celtic și germanic, luminițele din pădure (uneori produse de ciuperci sau licurici) erau atribuite zânelor pădurii, care ademeneau călătorii pentru a-i testa sau pedepsi. Tot în Europa, pescarii povesteau că un pește care „arde în mână” sau scânteiază noaptea era fie un mesager al adâncurilor, fie un avertisment de furtună sau moarte.
În Evul Mediu, unele reacții de bioluminiscență (datorate bacteriilor de pe lemnul putrezit, observate la ciuperci sau pești) erau considerate semne de vrăjitorie sau de blestem. Așadar, pentru că bioluminiscența era destul de rar observată, în același timp frumoasă și inexplicabilă pentru cei care o întâlneau, era văzută ca semn divin, magie, sau prezență supranaturală.
Cu toate acestea, învățați curioși și dornici să înțeleagă natura și legile acesteia au început să facă observații obiective ale acestui fenomen. Filosofi precum Aristotel (sec. al IV-lea î.Hr.) și Pliniu cel Bătrân (sec. I d.Hr.) au făcut primele observații documentate.
Ei au descris cum carnea de pește uscat și anumite materiale lemnoase (care erau, de fapt, ciuperci luminescente) emiteau o strălucire ciudată. Deși nu înțelegeau mecanismul, au remarcat că lumina era „rece”, spre deosebire de lumina focului.
Primele experimente științifice
Un moment crucial în istoria științifică a bioluminiscenței a avut loc în secolul al XVII-lea, datorită fizicianului irlandez Robert Boyle, care a realizat un experiment simplu, dar genial, cu ajutorul unei pompe de vid inventată de Robert Hooke, om de știință englez din // Cunoscut pentru descoperirea celulei și pentru observațiile făcute cu ajutorul microscopului. //
Boyle a așezat un pește luminiscent într-un recipient sigilat din care a extras treptat aerul. El a observat cum lumina peștelui se estompa pe măsură ce aerul era scos din recipient, pentru ca apoi să devină din ce în ce mai puternică atunci când aerul era reintrodus. Acest experiment a fost prima dovadă concretă că bioluminiscența este un proces chimic care necesită oxigen.
La sfârșitul anilor 1880, chimistul și medicul francez Raphaël Dubois a pus bazele biochimiei bioluminiscenței. A fost primul care a demonstrat că bioluminiscența se datorează unei reacții chimice de tip enzimă-substrat care are ca rezultat emiterea de lumină.
Cu ajutorul a două extracte apoase din Pyrophorus, o specie de gândac luminos din Indiile de Vest, Dubois a realizat un experiment care a demonstrat că bioluminiscența are două componente care a avut ca rezultat o suspensie luminoasă. Luminescența acestei suspensii a scăzut treptat și, în cele din urmă, a dispărut complet.
Celălalt extract a fost preparat după ce organele luminoase au fost tratate inițial cu apă fierbinte, ceea ce a oprit imediat emisia de lumină, iar apoi extractul a fost răcit. Însă când a amestecat cele două extracte, soluția a produs din nou lumină. Dubois a observat același fenomen și la scoica marină Pholas dactylus.
Astfel, Dubois a concluzionat că există două substanțe: „luciferina” care produce lumina și „luciferaza”, o enzimă care catalizează reacția, și care este distrusă de temperaturile mari. Denumirile alese de Dubois provin de la cuvântul lucifer care în limba latină înseamnă „purtător de lumină”.
Aequorea victoria. Foto: Yiming Chen/Getty Images
Nobel pentru studiul bioluminiscenței
E. Newton Harvey, biolog american, a dedicat o mare parte din cariera sa (în prima jumătate a secolului XX) studiului bioluminiscenței la diverse organisme, de la bacterii până la pești. El a fost primul care a propus teoria conform căreia bioluminiscența este un fenomen uniform la toate organismele, bazat pe aceleași substanțe chimice. Deși s-a dovedit ulterior că luciferinele și luciferazele variază de la o specie la alta, cercetările sale au creat o bază solidă pentru studiile care au urmat.
Cea mai mare descoperire a venit în a doua jumătate a secolului XX, grație chimistului japonez Osamu Shimomura. El a izolat aequorina (similară luciferinei) și proteina verde fluorescentă (GFP) din meduza Aequorea victoria. A descoperit că aequorina emite lumină albastră în prezența ionilor de calciu, iar GFP absoarbe lumina albastră și o reemite ca lumină verde.
Această descoperire a transformat proteina verde fluorescentă într-un instrument indispensabil în biologie și a permis oamenilor de știință să vizualizeze procese celulare în timp real. Pentru această inovație, Shimomura, alături de colegii săi, au câștigat Premiul Nobel pentru Chimie în 2008.
Bioluminiscența, aplicații practice
Bioluminiscența, acest fenomen natural fascinant, nu este doar un spectacol vizual, ci și un instrument extrem de util în știință și tehnologie. Una dintre cele mai importante aplicații ale sale se găsește în cercetarea biologică și medicală. Oamenii de știință folosesc genele responsabile de emisia de lumină pentru a evidenția celule sau proteine specifice.
Astfel, pot observa în timp real ce se întâmplă în interiorul unui organism sau al unei celule. Dacă, de exemplu, o genă este activată, celula începe să emită lumina – un semn clar că reacția dorită a avut loc. Această metodă este esențială în studii genetice, în cercetarea cancerului sau în testarea medicamentelor.
În medicină, bioluminiscența poate oferi în viitor un mod elegant și neinvaziv de a urmări evoluția unei boli. De exemplu, celulele canceroase ar putea fi modificate genetic pentru a produce lumină, ceea ce le-ar permite cercetătorilor să localizeze o tumoră, cât de repede crește sau cum răspunde la tratament. Același principiu ar putea fi aplicat și în detectarea infecțiilor, celulele modificate să lumineze în prezența unui agent patogen și să poată semnala rapid o problemă în organism.
Bioluminiscența are putea fi implicată în protejarea mediului. Unele bacterii care trăiesc în apă sau sol ar putea fi utilizate ca specii indicator care să își reducă emisia de lumină atunci când intră în contact cu poluanți, precum metalele grele sau pesticidele – un fel de sistem de avertizare biologic.
În plus, astfel de bacterii bioluminiscente ar putea fi folosite pentru a monitoriza eficiența proceselor de bioremediere, adică acele procese prin care microorganismele sunt utilizate pentru curățarea mediul de substanțe periculoase.
În industrie, mai ales în cea alimentară, bioluminiscența este utilizată pentru detectarea rapidă a contaminanților precum Salmonella sau E. coli. Este o metodă eficientă și rapidă, care ajută la prevenirea răspândirii bolilor alimentare.
De asemenea, cercetătorii experimentează cu plante modificate genetic care emit lumină slabă, pentru eventuala utilizare a acestora în iluminatul stradal, fără consum de electricitate și cu un impact redus asupra mediului.
Această călătorie, de la observația simplă a unei lumini strălucitoare până la înțelegerea mecanismului său complex, arată cum știința a reușit să descifreze un mister al naturii și să-l transforme într-un instrument esențial pentru progresul uman.
Rubrica Jurnal de naturalist este o colaborare între Muzeul Național de Istorie Naturală „Grigore Antipa” și Mindcraft Stories și conține texte realizate de cercetătorii muzeului, care-și propun să ofere cititorilor articole despre biodiversitatea din România.
