Bioluminesenssi: mitä se on, mekanismit ja esimerkit

Tutustu bioluminesenssiin: miten eläimet ja mikrobit tuottavat valoa, mekanismit, esimerkit ja evoluutio — selkeä opas luciferaasista symbioosiin.

Bioluminesenssi on elävien olentojen kyky tuottaa valoa. Usein tämä tapahtuu symbioosissa. Tällöin suurempi organismi sisältää, usein erityisessä elimessä, mikro-organismeja, jotka tuottavat valoa. Eukaryoottiprotisteilla on erityisiä organelleja, ja jotkut bakteerit tuottavat myös valoa. Bioluminesenssi on seurausta kemiallisista prosesseista, joissa tuotettu energia vapautuu näkyvänä valona. Bioluminesenssi on esiintynyt monta kertaa evoluution aikana.

ATP (adenosiinitrifosfaatti), biologinen energianlähde, reagoi luciferiinin kanssa entsyymin luciferaasin avulla, jolloin syntyy välikompleksi. Tämä kompleksi yhdistyy hapen kanssa tuottaen voimakkaasti kemiluminesenssia (kirkkaasti hohtavan) yhdisteen.

Gammaproteobakteerien roolia valon tuottamisessa käsitellään yksityiskohtaisesti hakuteoksissa. Kyky tuottaa valoa on normaalin aineenvaihdunnan jatke: kaikki kemialliset reaktiot tuottavat muutamia fotoneja. Näkyvää valoa syntyy, kun fotonituotanto lisääntyy. Bakteerien tapauksessa reaktion alkuperäinen tehtävä oli todennäköisesti liiallisen hapen vieroitus.

Mekanismit lyhyesti

Bioluminesenssi perustuu kemialliseen reaktioon, jossa orgaaninen molekyyli (yleisesti kutsuttu luciferin) hapettuu entsyymin (luciferase tai siihen verrattava katalyytti) vaikutuksesta. Reaktiossa vapautuu energiaa, joka osa välittyy fotonina — näkyvänä valona. Mekanismit vaihtelevat lajeittain:

• Monien maalla elävien hyönteisten (esim. lampyridae, pukitvalot) järjestelmissä ATP osallistuu reaktioon ja luciferin–luciferase-mekanismi on tyypillinen.
• Bakteerien (esim. Vibrio-lajit) luciferase käyttää pelkistettyä flavinimononukleotidia (FMNH2), happea ja alifaattista aldehydiä; tämä järjestelmä ei tarvitse ATP:ta samalla tavalla kuin kovakuoriaisten järjestelmä.
• Monilla merieläimillä käytössä on coelenterazine-tyyppisiä luciferinejä (meduusat, äyriäiset, kalat) tai dinoflagellateilla tetrapyrrolityyppisiä luciferinejä, ja reaktiot eroavat kemiallisesti toisistaan.

Bioluminesenssi eroaa fluoresenssista siten, että fluoresenssi vaatii ulkoisen valonlähteen (absorboitu valo ja uudelleenlähetys), kun taas bioluminesenssi syntyy kemiallisen reaktion seurauksena ilman ulkopuolista valoa. Bioluminesenssi on myös erittäin energiatehokasta: suuri osa kemiallisesta energiasta muutetaan suoraan fotoneiksi eikä lämmöksi.

Säätely ja kontrolli

Bioluminesenssin aktivointi voi tapahtua eri tavoilla: hermollinen tai hormonaalinen kontrolli, tai mikro-organismeilla geenisäätely. Esimerkiksi symbioottiset bakteerit säätelevät valon tuotantoa tiheysriippuvasti (quorum sensing) — luciferase-geenit aktivoituvat vasta, kun bakteerien joukko on riittävän tiheä. Hyönteisillä ja kaloilla valo voidaan kytkeä päälle nopeasti hermoston avulla tai säädellä hitaammin hormonien välityksellä.

Esimerkkejä ja ekologiset roolit

• Palokärpäset ja muut valoa käyttävät kovakuoriaiset: parinetsintä ja laji-identifikaatio (esim. eri rytmit ja kuvioinnit).
• Dinoflagellaatit (esim. Noctiluca, Pyrodinium): meren aallot ja liikkuvat varjopaikat voivat hohtaa, mikä on usein puolustusreaktio tai häiritäkseen petoja.
• Symbioottiset bakteerit (esim. Vibrio fischeri) elävät valoa tuottavissa elimissä kuten inttikuoriaisen tai valas- ja kalojen photophoreissa — esimerkiksi Hawaiin pikkukotilo Euprymna scolopes käyttää Vibrio fischeriä vastavaloilmentämiseen (counter-illumination).
• Syvänmeren lajit, kuten ankerias- ja muita kalalajeja, käyttävät valoa syötti- tai saalistustarkoituksiin (esim. haukkaa saalista), tai piiloutuakseen vastavaloilmentämisen avulla.
• Puolustus: jotkut simpukat ja kalat päästävät bioluminesoivia pilviä pelastaakseen itsensä tai hämätäkseen petoja.

Evoluutio ja levinneisyys

Bioluminesenssi on kehittynyt riippumatta useissa eliöryhmissä (konvergentti evoluutio). Samankaltaiset valon tuottamisen perusperiaatteet (luciferin + katalyytti) ovat olleet suosittuja ratkaisuita eri ympäristöissä, mutta molekyylit ja tarkat reaktiopolut voivat olla täysin erilaisia lajeittain.

Bioteknologiset sovellukset ja tutkimus

Bioluminesenssiä käytetään laajasti tutkimuksessa: luciferase-entsyymejä hyödynnetään raporttigeeneinä solubiologiassa, in vivo -kuvantamisessa ja biosensoreissa. Myös ATP:n määrän mittaus perustuu usein luciferasiin: valon määrä on verrannollinen näytteessä olevaan ATP-määrään. Lisäksi bioluminesenssiä tutkitaan sovelluksina valaistuksessa, ympäristöseurannassa ja lääketieteellisessä diagnostiikassa.

Yhteenveto

Bioluminesenssi on monimuotoinen ilmiö, joka kattaa erilaisia kemiallisia järjestelmiä ja ekologisia käyttötarkoituksia. Se on tehokas tapa tuottaa valoa ilman suurta lämpöhäviötä, ja eri eliöt ovat omien ratkaisujensa kautta kehittäneet valon tuottamisen toimimaan esimerkiksi parinetsinnässä, saalistuksessa, puolustuksessa ja naamioitumisessa. Tutkimus jatkuu aktiivisena, ja bioluminesenssin mekanismeista ja sovelluksista opitaan jatkuvasti uutta.

Bioluminesenssin tehtävät

Luettelo on Biolumin verkkosivulla.

Vastavalon naamiointi

Joissakin kalmarilajeissa bakteerien bioluminesenssia käytetään vastavalona, jotta eläin vastaisi alhaalta katsottuna ympäristön yläpuolella olevaa valoa. Näissä eläimissä valoelimet säätelevät tämän valaistuksen kontrastia optimaalisen yhteensovittamisen aikaansaamiseksi. Yleensä nämä valoelimet ovat erillään kudoksesta, joka sisältää bioluminesenssibakteereja.

Vetovoima

Useat syvänmeren kalat, kuten merikrotit, käyttävät bioluminesenssia houkutuksena saaliin houkuttelemiseksi. Kalan päässä roikkuva viehe houkuttelee pieniä eläimiä sen luo iskuetäisyydelle. Jotkut kalat käyttävät kuitenkin ei-bioluminesoivia vieheitä.

Keksihai käyttää bioluminesenssiä naamioitumiseen, mutta pieni laikku sen vatsan alla pysyy pimeänä ja näyttää pieneltä kalalta sen alla uiville suurille petokaloille, kuten tonnikalalle ja makrillille. Kun nämä kalat yrittävät syödä "pientä kalaa", hai puree niitä ja kaivaa isännistään pieniä pyöreitä "keksinleikkurin" muotoisia lihapaloja.

Dinoflagellaateilla on mielenkiintoinen kierre tähän mekanismiin. Kun planktonin saalistaja havaitsee vedessä tapahtuvan liikkeen, dinoflagellaatti luminesoi. Tämä puolestaan houkuttelee vielä suurempia saalistajia, jotka syövät dinoflagellaatin mahdollisen saalistajan.

Bioluminesenssin tärkeä tehtävä on houkutella parittelukumppaneita. Tämä on nähtävissä tulikärpäsillä, jotka houkuttelevat paritteluaikana parittelukumppaneitaan vatsan jaksottaisella vilkkumisella. Meriympäristössä tämä on hyvin dokumentoitu vain tietyillä pienillä äyriäisillä, mutta se saattaa olla varsin yleistä.

Torjunta

Tietyt kalmarit ja pienet äyriäiset käyttävät bioluminesenssiä, kuten monet kalmarit käyttävät mustetta. Luminesenssipilvi säteilee, hämmentää tai karkottaa mahdollisen saalistajan, kun kalmari tai äyriäinen pakenee turvaan. Jokaisella tulikärpäslajilla on toukkia, jotka hehkuvat karkottaakseen saalistajia.

Lampyris noctiluca -lajin naaras.


Tulikärpäsen toukka

Biotekniikka

Bioluminesoivat organismit ovat monien tutkimusalojen kohde. Luciferaasijärjestelmiä käytetään laajalti geenitekniikan alalla. Niitä on käytetty myös biolääketieteellisessä tutkimuksessa antamaan joillekin soluille näkyviä merkkejä. Luciferiinia voidaan lisätä molekyyleihin ja soluihin, jotta ne saadaan näkyviin mikroskoopilla. "Näiden markkinoiden arvo on nyt noin 20 miljardia puntaa. Jos menet sairaalaan ja teet verikokeen, jossa mitataan virusproteiineja, syöpäproteiineja, hormoneja, vitamiineja, bakteeriproteiineja tai lääkkeitä, siinä käytetään lähes varmasti tätä tekniikkaa." Markkinat ovat hyvin suuret.

Teolliset suunnittelijat tutkivat fotofoorien, eli bioluminesenssiorganismien valoa tuottavien elinten, rakennetta.

Taiteellinen esitys bioluminesenssista Etelämantereen krillistä.

Kysymyksiä ja vastauksia

K: Mitä on bioluminesenssi?

K: Miten bioluminesenssi toimii?

K: Mitkä eliöt tuottavat bioluminesenssivaloa?

K: Mistä on peräisin kyky tuottaa bioluminesenssivaloa?

K: Mikä oli bioluminenssin valon tuottamisen alkuperäinen tehtävä bakteereissa?

K: Mitä ovat luciferiini ja luciferaasi?

Hae kirjaimella