Hvad er bioluminescens? Forklaring, mekanisme og eksempler

Opdag bioluminescens: forklaring, kemisk mekanisme (luciferin/luciferase), evolutionære eksempler og symbiose i naturens fascinerende lysende organismer.

Bioluminescens er levende organismers evne til at danne synligt lys ved en kemisk reaktion i deres celler. Lyset kan dannes direkte i organismens egne celler eller indirekte via symbiose, hvor en større vært indeholder lysproducerende mikroorganismer i et særligt organ eller væv. Både eukaryote protister (fx dinoflagellater), visse bakterier og flere dyr har udviklet bioluminescens. Nogle protister har særlige organeller til lysproduktion. Bioluminescens er resultatet af en kemisk proces, hvor kemisk energi omdannes til fotoner (lys), og denne egenskab er opstået flere gange selvstændigt i løbet af evolutionen (konvergent evolution).

Mekanisme — hvordan dannes lyset?

Den mest almindelige kemiske mekanisme involverer et substrat kaldet luciferin og et enzym kaldet luciferase. I mange systemer reagerer ATP (adenosintrifosfat) eller anden energikilde med luciferin ved hjælp af luciferase og danner et energirigt mellemprodukt, som derefter reagerer med ilt. Når det exciterede mellemprodukt vender tilbage til sin grundtilstand, frigives energien som synligt lys (fotoner).

Generelt kan processen beskrives sådan:

• Luciferin + luciferase (+ ATP/anden ko-faktor) → exciteret mellemprodukt.
• Mellemprodukt + O₂ → exciteret produkt → returnerer til grundtilstand + udsender lys.

Der findes flere typer luciferin/luciferase-systemer, fx bakterielt, insekt-, fisk- og coelenterazin-baseret luciferin. Forskellene i kemien forklarer variationer i lysfarve (ofte blå-grøn i havet) og i effektivitet (kvanteudbytte).

Biokemiske og fysiologiske detaljer

I bakterier og mange marine organismer er lyset ofte blåt eller grønt — farver som vand transmitterer bedst. I landlevende arter som ildfluer (lysorme) kan lyset være gult eller rødt. Kemiske reaktioner i metabolismen producerer under normale forhold nogle få fotoner, men i bioluminescerende systemer er reaktionerne specialiserede, så fotonproduktionen øges markant. For nogle bakterier (fx visse Gammaproteobakterier) har evnen til at producere lys muligvis oprindeligt været koblet til at afgifte overskydende ilt eller andre reaktive forbindelser.

Regulering af lysproduktionen

Organismer regulerer bioluminescens på forskellige måder:

• Neuralt eller hormonelt signal (fx ildfluer tænder og slukker lys via nerveimpulser og oxygentransport).
• Kontrol med ilttilgængelighed i de lysproducerende celler.
• Genregulering — luciferase-gener udtrykkes kun i bestemte stadier eller væv.
• I symbiotiske bakterier reguleres lysproduktionen ofte via quorum sensing (celle-tælle-mekanismer).

Funktioner og økologi

Bioluminescens har mange økologiske roller:

• Forsvar: blink eller lysudbrud kan forvirre eller skræmme rovdyr, eller frastøde ved at afsløre angribere for større rovdyr.
• Predation: agn-lignende lysender tiltrækker bytte (fx abyssale fisk med lysende lokkere).
• Kommunikation: parring og artsgenkendelse (fx ildfluer bruger mønstre af blink for at finde hinanden).
• Kamuflage (counter-illumination): nogle marine dyr udsender lys på undersiden for at skjule deres skygge set nedefra.
• Symbiose: vært–mikrobe-samarbejder, fx blæksprutter der huser lysbakterier for at opnå camouflage eller kommunikation.

Hvor findes bioluminescens?

Bioluminescens er særlig udbredt i havet, især i dybhavet, hvor mange arter bruger lys i totalt mørke. Kendte eksempler omfatter:

• Dinoflagellater (fx dem der giver bølger et blåligt skær, ofte kaldet "bioluminescerende bølger").
• Bioluminescerende bakterier som Vibrio-arter, ofte i symbiose med hvirvelløse eller fisk (fx Gammaproteobakterier i nogle værter).
• Ildfluer og lysorme på land.
• Dybvandsfisk, rejer, blæksprutter og nogle svampe (fx visse slægter af Mycena).
• Marine bløddyr og krebsdyr samt nogle insekter som kan producere lys.

Eksempler

• Ildfluer (Luciferin-luciferase-system) — synlig blinkende adfærd ved parringskommunikation.
• Glødende havstrømme forårsaget af dinoflagellater (fx Noctiluca og andre), som lyser op ved mekanisk forstyrrelse.
• Symbiotiske bakterier i blæksprutter som Euprymna scolopes, der bruger lys til camouflage.
• Dybhavsarter med lysende lokkere (anglerfish), som bruger bioluminescens til at lokke bytte.
• Bioluminescerende svampe, der danner et grøntligt skær i mørke skove.

Anvendelser for mennesker

Bioluminescens bruges i forskning og bioteknologi som et følsomt værktøj til at måle genekspression, celleaktivitet og lave imaging i levende celler og organismer. Luciferase-gener indsættes som reportergener i laboratorier for at aflæse biologiske processer, og bioluminescens anvendes i diagnostik og miljøovervågning.

Forskning og åbne spørgsmål

Selvom grundprincipperne er kendt, er der stadig meget at lære om evolutionen af forskellige luciferin-systemer, de molekylære detaljer i nogle grupper (fx visse svampe eller protister) og de økologiske konsekvenser af bioluminescens i komplekse marine netværk. Diskussioner om rolle og oprindelse af lys i Gammaproteobakterier og andre grupper gennemgås løbende i faglitteraturen.

Samlet set er bioluminescens et fascinerende biologisk fænomen, hvor kemi, genetik, adfærd og økologi mødes for at producere naturens egne lyskilder.

Funktioner af bioluminescens

En liste findes på Biolum-websiden.

Camouflage med modlys

Hos nogle blækspruttearter anvendes bakteriel bioluminiscens som modlys, så dyret matcher det lys, der er set nedefra. Hos disse dyr styrer lysorganer kontrasten af denne belysning for at skabe optimal tilpasning. Disse lysorganer er normalt adskilt fra det væv, der indeholder de bioluminescerende bakterier.

Attraktion

Bioluminescens bruges som lokkemiddel til at tiltrække bytte af flere dybhavsfisk som f.eks. havtasken. Et dinglende lokkemiddel på fiskens hoved tiltrækker små dyr inden for rækkevidde. Nogle fisk bruger dog en ikke-bioluminescerende lokkemad.

Cookiecutterhajen bruger bioluminescens til camouflage, men en lille plet på dens underside forbliver mørk og fremstår som en lille fisk for store rovfisk som tun og makrel, der svømmer under den. Når disse fisk forsøger at æde den "lille fisk", bliver de bidt af hajen, som skærer små cirkulære "kageformede" stykker kød ud af sine værter.

Dinoflagellater har en interessant drejning af denne mekanisme. Når et planktonrovdyr registreres gennem bevægelse i vandet, lyser dinoflagellaten op. Dette tiltrækker igen endnu større rovdyr, som vil fortære dinoflagellatens potentielle rovdyr.

En vigtig funktion af bioluminescens er at tiltrække parringerne. Dette ses hos ildfluer, som bruger periodisk blinken i deres bagkrop til at tiltrække partnere i parringstiden. I havmiljøet er dette kun blevet veldokumenteret hos visse små krebsdyr af typen ostrakodyr, men det kan være ret almindeligt.

Frastødning

Visse blæksprutter og små krebsdyr bruger bioluminescens, ligesom mange blæksprutter bruger blæk. En sky af luminescens udsendes, hvilket forvirrer eller afviser et potentielt rovdyr, mens blæksprutten eller krebsdyret flygter i sikkerhed. Alle arter af ildfluer har larver, der lyser for at afvise rovdyr.

Hun af Lampyris noctiluca, den almindelige glødelorm.


Larve af ildflue

Bioteknologi

Bioluminescerende organismer er et mål for mange forskningsområder. Luciferase-systemer er meget udbredt inden for genteknologi. De er også blevet anvendt inden for biomedicinsk forskning til at give nogle celler synlige mærker. Luciferin kan tilsættes til molekyler og celler for at gøre dem synlige i mikroskopet. "Dette marked er nu ca. 20 mia. pund værd. Hvis man går ind på et hospital og får foretaget en blodprøve, der måler virusproteiner, kræftproteiner, hormoner, vitaminer, bakterieproteiner og lægemidler, vil man næsten helt sikkert anvende denne teknik".

Industrielle designere undersøger strukturen af fotoforer, de lysproducerende organer i bioluminescerende organismer, og de er ved at blive undersøgt af industrielle designere.

Kunstnerisk gengivelse af bioluminescerende antarktisk krill

Spørgsmål og svar

Spørgsmål: Hvad er bioluminescens?

Spørgsmål: Hvordan virker bioluminescens?

Sp: Hvilke organismer producerer bioluminescerende lys?

Spørgsmål: Hvor kommer evnen til at producere bioluminescerende lys fra?

Spørgsmål: Hvad var den oprindelige funktion af at producere bioluminiscensent lys i bakterier?

Spørgsmål: Hvad er luciferin og luciferase?

Søg efter bogstav