Bioluminiscence

Parastā jāņtārpiņa bioluminiscence.

Bioluminiscence ir organismu mirdzēšana, ko novēro trūdošiem kokiem, baktērijām, sēnēm, dažiem kukaiņiem un jūras dzīvniekiem, un kas ir saistīta ar oksidēšanās procesiem. Bioluminiscence ir hemiluminiscences atsevišķs gadījums.

Spīdēšanas iemesls

Jau 17. gadsimtā R. Boils konstatēja, ka trūdoša koka mirdzēšana izbeidzas, ja pārtrauc gaisa pieplūdi. Tā atkal atjaunojas gaisa klātbūtnē. Tādēļ var secināt, ka mirdzēšana rodas ķīmiskā reakcijā ar gaisa līdzdalību. Vēlāk noskaidrojās, ka šajā reakcijā piedalās skābeklis. Tā ir speciālu olbaltumvielu — luciferīnu — oksidēšanās fermenta luciferāzes klātbūtnē. Baktērijām par luciferīnu kalpo flavīnmononukleotīds (riboflavīn-5-fosfāts). Luciferīni intensīvi fluorescē. Luciferāze kalpo par katalizatoru. Izdalīts kristāliskā veidā, luciferīns var oksidēties arī ķīmiskā ceļā, bet atšķirībā no fermentatīvās oksidēšanās organismā enerģija izdalās siltuma veidā, nevis gaismas kvantos. Pēc ķīmisko procesu dabas iespējami vairāki bioluminiscences varianti ar atšķirīgu luminiscences spektrālo sastāvu. Daži vēzīši izstaro gaismu ar maksimālo intensitāti zili zaļajā spektra daļā 440 -460 nm rajonā. Baktērijas, mirdzvaboles izstaro dzelteni zaļu gaismu rajonā ap 560 nm. Bioluminiscence plašāk izplatīta okeānu un jūru iemītniekiem, kas dažkārt savairojas tik daudz, ka izraisa jūras mirdzēšanu. Tagad ir pazīstami vairāk nekā 800 jūras organismu veidu, kam novēro bioluminiscenci, sākot no baktērijām un beidzot ar vēzīšiem un zivīm. Daži organismi mirdz nepārtraukti, ja apkārtējā vidē ir skābeklis. Citi organismi mirdz atsevišķiem impulsiem. Ļoti bieži organismu mirdzēšana rodas kā reakcija uz kādu kairinājumu. Šie kairinājumi var būt ķīmiski, mehāniski vai elektriski, kā arī gaisma un siltums. Daži vienšūnu organismi un sīkie vēzīši atsaucas ar gaismas impulsiem pat uz vismazākajiem mehāniskajiem kairinājumiem: ūdens plūsmu un viļņošanos. Ir novērota kuģu radīto viļņu mirdzēšana, kas var būt tik spoža, ka rada atblāzmojumu mākoņos. Ļoti spēcīgs mirdzums rodas cunami laikā, kas rodas, ja zem jūras vai piekrastes zonā notiek zemestrīce. Tuvojoties krastam, cunami viļņi vispirms izraisa stipru bēgumu, kura laikā atklātais jūras dibens spoži mirdz.

Bioluminiscence slēpj vēl daudz neatrisināta. Mirdzošie organismi ir ļoti racionāli starotāji, kas netērē enerģiju neredzamā, tai skaitā — siltuma, diapazonā. Pat visracionālākās dienasgaismas lampas apmēram pusi enerģijas izstaro IS rajonā. Turklāt jūrā mītošo organismu izstarotās gaismas maksimums atrodas zili zaļā spektra daļā, kur jūras ūdenim ir vislielākā caurlaidība un organismu gaismas signāli izplatās ar vismazākajiem zudumiem. Tad gaisma mirdzošajiem organismiem kalpo signalizācijai, lai cits citu atpazītu, lai pievilinātu laupījumu vai, gluži pretēji, lai atbaidītu ienaidnieku. Sevišķi svarīgi tas ir dziļūdens organismiem, kas mīt tumšajos ūdens slāņos. Taču ar to vien bioluminiscences samērā plašo izplatību izskaidrot nevar. Galveno ieguldījumu jūras mirdzēšanā dod vienšūnu organismi, kuriem nav jāpievilina pretējā dzimuma pārstāvis vai laupījums, tiem nav arī jāaizstāvās pret atklātiem ienaidniekiem.

Izcelšanās

Amerikāņu zinātnieks U. D. Makelrojs 1962. gadā izteica hipotēzi, ka bioluminiscence ir radusies pārejas stadijā no anaerobām uz aerobām dzīvības formām, t.i., periodā, kad Zemes pirmatnējā atmosfērā sāka uzkrāties skābeklis. Tajā laikā eksistējošajiem anaerobiem organismiem skābeklis bija kaitīgs un pārsvaru guva tie organismi, kas bija spējīgi no tā ātri atbrīvoties. Iespējams, ka virknē gadījumu enerģijas izdalīšana gaismas veidā bija izdevīgāka nekā siltuma formā.

Biotehnoloģija

Bioluminiscējoši organismi ir mērķis daudzās pētniecības jomās. Luciferāzes sistēmas tiek plaši izmantotas gēnu inženierijā kā reportieru gēni, kas katrs ar fluorescences palīdzību rada atšķirīgu krāsu, un biomedicīnas pētījumos, izmantojot bioluminiscences attēlveidošanu. Piemēram, jau 1986 gadā tika izmantots ugunspuķītes luciferāzes gēns, lai veiktu pētījumus, izmantojot transgēnus tabakas augus. Vibrio baktērijas simbiozē ar jūras bezmugurkaulniekiem, piemēram, Havaju kalmāriem (Euprymna scolopes), ir galvenie eksperimentālie bioluminiscences modeļi. Ar bioluminiscenci aktivizēta iznīcināšana ir eksperimentāla vēža ārstēšanas metode.

Izmantošana dabā

Dažādiem taksoniem ir vairākas bioluminiscences funkcijas. Stephen Haddock et al. (2010) kā vairāk vai mazāk definētas funkcijas jūras organismiem min šādas: aizsardzības funkcijas — iebiedēšana, kontroles izgaismošana (kamuflāžs), novirzīšana (dūmu aizsegs), ķermeņa daļu novēršana, drošības signalizācija (kas atvieglo augstāko plēsēju novērošanu) un brīdināšana, lai atturētu iemītniekus; uzbrukuma funkcijas — ēsmas pievilināšana, upura apdullināšana vai maldināšana, upura izgaismošana un partnera pievilināšana/atpazīšana. Pētniekiem ir daudz vieglāk atklāt, ka kāda suga spēj ražot gaismu, nekā analizēt ķīmiskos mehānismus vai pierādīt, kādai funkcijai kalpo gaisma. Dažos gadījumos šī funkcija nav zināma, piemēram, triju sliekveidīgo (Oligochaeta) dzimtu sugām, piemēram, Diplocardia longa, kur, dzīvniekam pārvietojoties, coelomiskais šķidrums izstaro gaismu. Nosauktajiem organismiem ir diezgan labi attīstītas šādas funkcijas.