Jūs esate čia: Pradžia » Visos temos » Mokslas » Apie gamtą

Bioliuminescencija – nauda gyvūnams ir žmogui (Foto)

2013-06-27

(0)

(6)

(55)

Rūšis:	Standartinė publikacija

Bioliuminescencija – tai šviesa, kurią spinduliuoja gyvūnas, jo organizme vykstant tam tikroms cheminėms reakcijoms. Tai yra atskiras chemiliuminescencijos atvejis, o pastarasis reiškia cheminės reakcijos metu sukeltą medžiagų švytėjimą.

Prisijunk prie technologijos.lt komandos!

Laisvas grafikas, uždarbis, daug įdomių veiklų. Patirtis nebūtina, reikia tik entuziazmo.

Sudomino? Užpildyk šią anketą!

Bioliuminescencija kartais dar vadinama „šaltąją šviesa“. Šviesa vadinama šalta, kai ne daugiau kaip 20 % jos spindulių sudaro šiluminiai spinduliai.

Dauguma bioliuminescencija pasižyminčių organizmų gyvena vandenynuose. Tai įvairios žuvys, bakterijos ir medūzos. Kai kurie tokią šviesą skleidžiantys organizmai, pavyzdžiui, jonvabaliai ar grybai gyvena sausumoje. Praktiškai nepasitaiko bioliuminescencijos savybėmis pasižyminčių organizmų, gyvenančių gėlo vandens arealuose.

Bioliuminescencijos cheminė prigimtis

Kad cheminės reakcijos metu išsiskirtų šviesa, būtinos dvi cheminės medžiagos: liuciferinas ir liuciferazė arba fotoproteinas. Būtent liuciferinas yra ta medžiaga, kuri spinduliuoja šviesą. Vykstant cheminei reakcijai, liuciferinas yra vadinamasis reakcijos substratas. Bioliuminescencijos spalva (geltona jonvabalių atveju, žalsva – žibintūninių žuvų (angl. lanternfish ) ) priklauso nuo liuciferino molekulių išsirikiavimo.

Kai kurie bioliuminescuojantys organizmai liuciferiną produkuoja (sintetina) patys. Šarvadumbliai (angl. dinoflagellates), pavyzdžiui, skleidžia melsvai žalią šviesą. Bioliuminescencija pasižymintys šarvadumbliai yra viena iš planktono rūšių. Šarvadumbliai – tai mažyčiai jūrų organizmai (pirmuonys), dėl kurių didžiulių sankaupų vandenyno paviršiuje, pastarasis kartais naktį ima švytėti.

Kai kurie bioliuminescuojantys organizmai liuciferino patys negamina – jį jie absorbuoja naudodamiesi kitais organizmais kaip maistu arba užmegzdami su jais simbiotinį ryšį. Pavyzdžiui, kai kurios varliažuvių genties (angl. midshipman fish) rūšys liuciferiną pasisavina iš tam tikrų kiautavėžių (angl. seed shrimp), kuriais jos minta. Daugelio jūros gyvūnų, tokių kaip kalmarai, šviesos organų viduje gyvena bioliuminescencinės bakterijos. Šios bakterijos ir kalmarai sudaro simbiozę.

Liuciferazė yra fermentas. Fermentas – tai toks cheminis junginys (vadinamasis katalizatorius), kuris sąveikauja su substratu, kad padidintų jo cheminės reakcijos greitį. Liuciferazės ir oksiduoto liuciferino (toks, kuris yra prisijungęs deguonies molekulę) sąveikos metu susidaro šalutinis produktas – vadinamasis oksiliuciferinas. Svarbiausias dalykas čia tas, kad vykstant šiai reakcijai skleidžiama šviesa.

Bioliuminescencija pasižymintys šarvadumbliai šviesą skleidžia reaguojant liuciferinui ir liuciferazei. Šiuose organizmuose esanti liuciferazė yra susijusi su chlorofilu – tuo pačiu žalios spalvos junginiu, kurį sintetina visi žalieji augalai.

Bioliuminescuojančių šarvadumblių ekosistemos aptinkamos retai, daugiausia jos gyvena šiltųjų kraštų lagūnose, kuriose yra siauras išėjimas į atvirą jūrą. Šie šarvadumbliai renkasi šiose lagūnose arba įlankose – jiems ištrūkti į atvirus vandenis trukdo per siaura lagūną su jūra siejanti anga. Nakties metu kartais švyti visa lagūna. 2010 metais biologai Humacao laukinės gamtos rezervate Puerto Rike aptiko visiškai naują bioluminescencijos savybėmis pasižyminčių šarvadumblių ekosistemą.

Daugelyje bioliuminscencijos reakcijų dalyvauja liuciferinas ir liuciferazė, tačiau yra tokių reakcijų, kuriose liuciferazė nedalyvauja – tokio tipo reakcijose dalyvauja fotoproteinais vadinami junginiai. Fotoproteinai jungiasi su liuciferinais ir deguonimi, bet tam, kad reakcijos metu išsiskirtų šviesa būtinas dar vienas reagentas – dažniausiai, kalcio jonas.

Fotoproteinai tik visai neseniai buvo aptikti: tiek biologai, tiek ir chemikai dar tebetyrinėja jų nepaprastas savybes. Pirmą kartą fotoproteinai buvo rasti tyrinėjant bioliuminescuojančius hidragyvius medūzas Aequorea victoria (angl. crystal jellies), kurios gyvena netoli Šiaurės Amerikos vakarų pakrantės. Šiose medūzose esantis fotoproteinas vadinamas žaliuoju fluorescuojančiu proteinu (angl. green fluorescent protein, GFP).

Vis dėlto bioliuminescencija ir fluorescencija yra skirtingi reiškiniai. Vykstant fluorescencijai jokia cheminė reakcija nevyksta. Šiuo atveju stimuliuojanti šviesa yra sugeriama ir po to vėl išspinduliuojama. Fluorescuojanti šviesa matoma tik tada, kai yra stimuliuojanti šviesa. Geras pavyzdys yra markerių rašalas – jis pasižymi fluorescuojančiomis savybėmis. Fosforescencija yra reiškinys, labai panašus į fluorescenciją, tik fosforescencijos atveju šviesa gali būti spinduliuojama daug ilgiau nei fluorescencijos atveju. Tamsoje švytintys lipdukai (angl. glow-in-the-dark stickers) yra fosforescuojantys.

Bioliuminescencijos šviesa

Bioliuminescencijos reiškiniui būdinga šviesa labai priklauso nuo biologinio arealo ir nuo tame areale gyvenančių gyvūnų.

Jūrose dažniausiai vykstanti bioliuminescencija pasireiškia regimosios šviesos spektro mėlynai žalių spindulių ruože. Šios spalvos geriausiai pastebimos vandenyno gelmėse. Taip pat ir daugelis jūros organizmų yra jautrūs būtent mėlynai ir žaliai spalvoms. Jie tiesiog fiziškai negali apdoroti geltonos, raudonos ar violetinės spalvos.

Dauguma sausumos organizmų taip pat pasižymi mėlynos ir žalios spalvos bioliuminescencija. Tačiau nemažai sausumos gyvūnų skleidžia ir geltoną šviesą. Vieni iš tokių yra jonvabaliai ir vienintelė žinoma bioliuminescuojanti sraigė Quantula striata, gyvenanti Pietryčių Azijos tropiniuose miškuose.

Organizmų, kurie gali skleisti skirtingų spalvų šviesą, yra nedaug. Žinomiausias gyvis iš tokių yra vadinamoji „geležinkelio kirmėlė“ (angl. railroad worm). Iš tikrųjų tai Phengodidae šeimos (jonvabalių) Phrixothrix genties vabalo lerva arba suaugusi šio vabalo patelė. Šios kirmėlės galva šviečia raudonai, o kūnas žaliai. Bioliumenscencinės šviesos spalva priklauso nuo liuciferazės.

Kai kurie organizmai šviesą skleidžia be paliovos. Pavyzdžiui, kai kurių rūšių grybai, mintantys pūvančia mediena, skleidžia gana pastovią „elfų švytėjimu“ (angl. „foxfire“ arba „fairy fire“) vadinamą šviesą.

Vis dėlto dauguma organizmų turi šviesą skleidžiančius organus, kuriais naudodamiesi skleidžia trumpus nuo sekundės iki 10 sekundžių trukmės šviesos blyksnius. Kai kurie gyvūnai, pavyzdžiui, kalmarai šiuos šviesos blyksnius skleidžia iš tam tikrų savo kūno vietų, o kitų gyvūnų šviečia visas kūnas.

Prisitaikymas

Bioliuminescenciją gyvūnai naudoja grobiui medžioti, nuo plėšrūnų gintis, poravimosi partneriui susirasti ir įvairiems kitiems gyvybiniams poreikiams tenkinti.

Prisitaikymas gintis

Kai kurios rūšys naudoja liuminescenciją juos medžiojantiems užpuolikams apgauti. Kai kurie gyvūnai, pavyzdžiui, kalmarai žybčioja norėdami išgąsdinti grobuonis, tokius kaip žuvys. Kai išsigandusi žuvis pameta savo auką iš regėjimo lauko, kalmaras staigia pasprunka.

Panašaus pobūdžio gynybiniu elgesiu pasižymi vampyrinis kalmaras (lot. Vampiroteuthis infernalis). Kaip ir dauguma giliavandenių kalmarų šis kalmaras neturi rašalo maišelių. (Netoli vandenyno paviršiaus gyvenantys kalmarai turi tokias maišelius primenančias rašalo liaukas, kurias naudoja tam, kad galėtų iš jų iššvirkšti tamsaus rašalo juos užpuolusiam grobuoniui suklaidinti, šitaip išvengiant galimos pražūties). O vampyrinis kalmaras iššvirkščia bioliuminescuojančių lipnių gleivių, kurios persekiotoją gali išgąsdinti ar pritrenkti ir, tokiu būdu, sutrukdyti jam pačiupti savo auką.

Daugelis giliavandenių jūros gyvūnų rūšių, siekdami apsiginti, naudojasi vadinamuoju kontrailiuminacijos (angl. counterillumination) būdu. Daugelis grobuonių, tokių kaip rykliai medžioja puldami iš apačios. Jie žiūri į viršų ir stebi, kur saulės šviesos apšviestos aukos meta šešėlį. Kontrailiuminacija yra kamufliažo prieš tokius grobuonis tipas.

Giliavandenės Sternoptychinae pošeimio žuvys (angl. marine hatchetfishes) naudojasi kontrailiuminacija apsiginti nuo priešų. Jos turi į apačią nukreiptus šviesos organus, iš kurių sklindančią bioliuminescencinę šviesą sureguliuoja taip, kad pastaroji panaikintų žuvies metamą šešėlį. Šitaip ji praktiškai tampa nematoma grobuonims, kurie savo aukų ieško žiūrėdami į viršų.

Kai kurie bioliuminescencinėmis savybėmis pasižymintys gyvūnai, tokie kaip ofiūros (kurios savo išvaizda primena jūrų žvaigždes) Ophiuroidea (angl. brittle stars), kad suklaidintų savo priešus, geba dalį savo kūno atkabinti ir palikti likimo valiai. Grobuonis nusiveja tokią švytinčią dalį, o pats gyvūnas pasislepia tamsoje. (Ofiūros, kaip ir visos jūrų žvaigždės, pasižymi savybe atauginti trūkstamas kūno dalis.)

Biologai mano, kad kai kurios ryklių ir banginių rūšys moka pasinaudoti gynybine bioliuminescencija, nors jie patys ir nepasižymi bioliuminescencinėmis savybėmis. Pavyzdžiui, kašalotas gali susiieškoti arealą, kuriame gyvena dideli bioliuminescuojančio planktono, kurio maistui jis nevartoja, pulkai. Kai prie tokio planktono priartėja juo mintančios grobuoniškos žuvys, planktonas ima perspėjančiai švytėti. Kašalotas puola šias žuvis ir jas suėda, o planktonas liaujasi švytėjęs.

Sausumoje kai kurios vabzdžių lervos skleidžia šviesą norėdamos perspėti grobuonis, kad jos yra nuodingos. Rupūžės, paukščiai ir kiti grobuoniški padarai žino, kad suėdę tokias lervas gali pasijusti blogai ar netgi nugaišti.

Prisitaikymas pulti

Bioliuminescencija gali būti naudojamasi siekiant prisivilioti grobį arba stengiantis jį surasti.

Pačios žinomiausios grobuoniškos žuvys, kurios naudojasi bioliuminescencija medžioti grobiui yra vadinamosios velniažuvės (angl. anglerfishes). Velniažuvė pasižymi didele galva, aštriais ilgais dantimis ir ilga plona mėsinga atauga ant viršugalvio. Ši atauga, kuri dar vadinama siūlu (angl. filament), pasižymi viena įdomia savybe – jos gale yra toks rutuliukas (vadinamas esca), kurį velniažuvė gali užžibinti. Mažesnės žuvys, susidomėjusios šviesos taškeliu, priplaukia pasižiūrėti iš arčiau, kas per daiktas. Kai auka, pakankamai arti priplaukusi, pamato už escos besant didžiulių tamsių velniažuvės nasrų, vargšei žuvelei paprastai būna per vėlu sprukti šalin.

Kitos žuvys, tokios kaip nedidelės giliavandenės Stomiidae šeimos Malacosteus genties „laisvaisiais žandikauliais“ pramintos žuvys (angl. stoplight loosejaws) bioliuminescenciją naudoja grobiui ieškoti. Jos prisitaikė skleisti raudoną šviesą; dauguma žuvų mato tik mėlyną šviesą, todėl „laisvieji žandikauliai“ įgyja didelį pranašumą, kai vietą, kurioje jos yra apšviečia raudona šviesa. Jos savo grobį mato, o grobis jų – ne.

Prisitaikymas susirasti poravimuisi partnerį

Suaugę jonvabaliai, kuriuos dar vadina „žaibo vabalais“ (angl. lightning bugs) pasižymi bioliuminescencija. Atėjus poravimosi metui, jie sužimba norėdami prisivilioti partnerį. Nors šviesą skleisti geba tiek patinai, tiek patelės, Šiaurės Amerikoje daugiausia švytinčių jonvabalių yra patinai. Jų skleidžiamos šviesos tam tikras ritmas arti esančiom patelėms leidžia suprasti, kokiai rūšiai jų savininkai priklauso ir kad jie yra suinteresuoti poruotis.

Kitokios rūšies bioliuminescencija

Kai kurie organizmai, kai jie yra įjaudrinti, gali skleisti šviesą. Pavyzdžiui, pokyčiai aplinkoje, tokie kaip vandens druskingumo lygio sumažėjimas gali priversti bioliuminescencija pasižyminčius dumblius skleisti šviesą. Tamsiame vandenyne neretai galima pamatyti tokias švytinčias gyvąsias rožinės ar žalios spalvos dėmes.

Kitas bioliuminescencijos pavyzdys yra vadinamasis jūros švytėjimas (angl. milky seas). Kitaip nei dumbliai, kurie švyti tada, kai pasikeičia jų aplinkos sąlygos, jūros švytėjimas pasižymi nuolatinumu ir dažnai yra toks stiprus, kad pastebimas net iš dirbtinių Žemės palydovų.

Mokslininkai mano, kad jūrų švytėjimą sukelia bioliuminescencinėmis savybėmis pasižyminčios bakterijos, kurios gyvena vandenynų paviršiuje. Kad toks švytėjimas galėtų vykti, toje vandenyno vietoje turi būti susikaupę milijonai bakterijų, be to, bakterijoms švytėti reikalingų cheminių medžiagų turi būti pakankamas kiekis. Toks jūrų švytėjimas buvo užfiksuotas kai kurių Indijos vandenyno tropinės zonos regionų nuotraukose, darytose iš kosminių palydovų.

Bioliuminescencija žmogaus gyvenime

Biologai ir inžinieriai tyrinėja įvairias su bioliumenescencija susijusias chemines medžiagas, stengdamiesi išsiaiškinti, kokioms sąlygoms esant ji reiškiasi. Žinant tokio reiškinio mechanizmus, galima būtų mėginti jį pritaikyti ir žmonių gyvenime, kad jis taptų dar lengvesnis ir saugesnis.

Pavyzdžiui, žaliasis fluorescuojantis proteinas (GFP) yra vertingas „raportuojatis genas“ (angl. reporter gene). Raportuojantys genai yra tokios medžiagos, kurias biologai prikabina prie kitų genų, kuriuos jie tuo metu studijuoja. GFP raportuojantys genai yra lengvai atpažįstami ir matuojami dėl jų savybės skleisti šviesą. Tai leidžia mokslininkams atpažinti ir stebėti nagrinėjamo geno elgseną ląstelėje ar jam sąveikaujant su kitais cheminiais junginiais.

Kitos bioliuminescencijos pritaikymo sritys yra daugiau eksperimentinės. Pavyzdžiui, bioliuminescuojantys medžiai galėtų padėti išspręsti gatvių ir greitkelių apšvietimo problemą. Bioliuminescencinėmis savybėmis pasižymintys javai ar kiti augalai galėtų signalizuoti, kada jiems reikia vandens ar kitų maisto medžiagų arba kada jie yra prinokę ir gali būti nuimti. Visa ta galėtų padėti smarkiai sumažinti žemdirbystėje ir žemės ūkio veikloje patiriamas sąnaudas.