Dzidki, jak już wiecie, ocean skrywa w sobie wiele tajemnic – nie tylko w postaci zaskakujących zwierząt, niezbadanych dźwięków, zatopionych wraków, nieprzemierzonych rowów oceanicznych, nieprzewidywalnych podwodnych wulkanów, niebezpiecznych wirów wodnych, ale również… zapierających dech w piersiach zjawisk. Tak samo jest właśnie z bioluminescencją, czyli zjawiskiem świecenia się wody lub żyjących w jej głębinach ryb, skorupiaków czy mięczaków oraz wiele innych stworzeń – nawet bakterii czy planktonu. W dodatku zjawisko bioluminescencji nocą lub w ciemnych głębinach oceanu jest bardziej zauważalna ze względu na kontrast. Warto tutaj podkreślić, że najwięcej gatunków, które biologicznie dostosowane są do emitowania światła znajduje się przede wszystkim w wodzie morskiej (w słodkiej nie występuje) – na lądzie zjawisko jest znacznie rzadziej spotykane (głównie u grzybów lub owadów), chociaż dobrym przykładem będzie tutaj świetlik amerykański z rodzaju Photinus, a nawet… opieńka miodowa, która po oderwaniu nocą z zbutwiałego pnia pozostawiając po sobie świecący ślad, którego promieniowanie może być tak silne, że jest w stanie spowodować zaczernienie kliszy fotograficznej.

Na czym polega bioluminescencja?

Bioluminescencja to nic innego jak zdolność do świecenia organizmów żywych, która powstaje z innych przyczyn, niż rozżarzenie tkanek (jest to jeden z rodzajów chemiluminescencji). U poszczególnych gatunków jest ono zróżnicowane, objawia się w inny sposób, różni barwą światła oraz funkcją, jaką pełni. Zjawisko promieniowania świetlnego z przyczyn biologicznych powstaje w wyniku enzymatycznej reakcji chemicznej polegającej na utlenianiu związku zwanego lucyferyną tlenem atmosferycznym w obecności enzymu zwanego lucyferazą. Lucyferyna i lucyferaza różnych gatunków mogą być zupełnie odmiennymi związkami wykazującymi podobne właściwości i działającymi w dosyć zbliżony sposób. Taka reakcja chemiczna dodatkowo wymaga udziału adenozynotrifosforanu (ATP), który jest podstawową cząsteczką przenoszącą energię oraz jonów magnezu. W wyniku utleniania otrzymuje się cząsteczkę w stanie wzbudzonym zwaną oksylucyferyna. Jej przejście do stanu podstawowego wywołuje emisją światła. Badanie fluoroforów (czyli cząsteczek chemicznych odpowiedzialnych za świecenie) jest wykorzystywane w biologii molekularnej i inżynierii genetycznej, podobnie jak pozostałe dane dotyczące zjawiska bioluminescencji. Zjawisko bioluminescencji odkryto w 1947 roku – Wflliasss D. McElroy będący asystentem profesora biologii Johna Hopkinsa wykazał, że ilość światła emitowanego podczas reakcji bioluminescencji jest wprost proporcjonalna do ilości ATP.

Warto wspomnieć, że bioluminescencja to nie to samo co fluorescencja czy też fosforescencja. Podczas fluorescencji energia pochodząca od zewnętrznego źródła światła zostaje zaabsorbowana i niemal natychmiast oddana w formie fotonów, zaś fosforescencja jest do niej podobna, ale z tą różnicą, że wzbudzona energia jest bardziej stabilna. W tym przypadku podczas usunięcia źródła światła fotony oddawane są dłużej. Z kolei w zachodzącym procesie chemiluminescencji produkcja światła następuje w wyniku wyzwolenia energii pochodzącej z reakcji chemicznej. Jej odmianą jest  bioluminescencja, która różni się jedynie tym, że zachodzi wewnątrz organizmów. Zjawisko bioluminescencji ewoluowało wielokrotnie u licznych odległych taksonomicznie gatunków morskich. Potwierdzeniem tej teorii są  odmienne i rozwinięte mechanizmy chemiczne.

Mleczne morze oraz morze gwiazd – Cudy przyrody

Bioluminescencja dotyczy nie tylko większych organizmów żywych, ale również takich, które zaobserwować można jedynie pod mikroskopem. Są dwa zjawiska przyrodnicze stanowiące przez wiele lat tajemnicę, którą wyjaśniono wraz z postępem technologicznym – są nimi zjawiska tak zwanego mlecznego morza oraz morza gwiazd. Pierwsze z nich zostało odkryte stosunkowo niedawno, gdyż dopiero przez załogę jachtu Ganesha, który w nocy z 2 na 3 sierpnia 2019 roku płynął wodami Oceanu Indyjskiego. W dzienniku pokładowym kapitan opisał ją jako błyszczącą, białą poświatę przypominającą mleczną mgłę, która spowiła morze – widok ten towarzyszył im przez całą noc znikając dopiero nad ranem. Kontrastowało to z niemalże czarnymi falami obijającymi się o dziób jachtu. Pasażerowie opisali to wrażenie jako „dryfowanie po śniegu”. Początkowo spowijająca mgła wydawała się być biała, jednak po przyjrzeniu się bliżej doszli do wniosku, że miała ona bardziej zielonkawe zabarwienie. Po powrocie z rejsu zgłoszono dane geograficzne i oceanolodzy z NOAA po dosyć krótkich badaniach doszli do wniosku, że iluzję tą powodują ogromne złoża bioluminescencyjnego planktonu. Jest to pierwszy zarejestrowany plankton posiadający aż tak duże właściwości bioluminescencyjne. Badania nad zjawiskiem nadal trwają.

Kolejnym zjawiskiem dotyczącym świecącej wody jest tak zwane morze gwiazd – można je spotkać jedynie na wyspie Vaadhoo na Malediwach (oraz w paru innych miejscach, jak u wybrzeży Walii, Morze Wadden w Holandii w gminie Terschelling i paru innych miejscach na Ziemi). Jest to zasługa fitoplanktonu osadzającego się na przybrzeżnych algach, co w nocy sprawia wrażenie rozgwieżdżonego nieba zamkniętego pod taflą wody. W przeciwieństwie do mlecznego morza, poświata emanuje niebieskie światło zamiast mleczno-zielonego, zaś świecący fitoplankton nie dryfuje blisko powierzchni morza, ale osadza się na wspomnianych algach, dzięki czemu świecenie jest znacznie bardziej skupione, wręcz punktowe – fitoplankton porusza się wraz z falami oraz uderzeniami tafli wody dając zachwycający efekt. Zjawisko te znane było mieszkańcom od dawna, jednak dopiero od 20 lat prowadzi się badania nad świecącym fitoplanktonem i jego właściwościami bioluminescencyjnymi.

Bioluminescencja ryb głębinowych

Należy podkreślić, że bioluminescencja jest głównym źródłem światła na dnie oceanów. Niektóre gatunki ryb posiadają wyspecjalizowane organy zwane narządami świetlnymi, w których znajdują się bakterie luminescencyjne żyjące z nimi w symbiozie. Takie zjawisko nie jest często spotykane w przyrodzie, chociaż odnotowano już około 1500 gatunków ryb (w tym głównie głębinowych) wykazujących właściwości bioluminescencyjne. Co ciekawe, po wylęgnięciu się nowej ryby z ikry, bakterie te przedostają się do jego organów świetlnych, dzięki czemu symbioza zostaje podtrzymana. Narządy świetlne są otoczone sieciami naczyń włosowatych, które zaopatrują bakterie w tlen oraz składniki odżywcze. Chociaż bakterie te emitują światło stałe, ryby mogą wstrzymać działanie organów świetlnych przy pomocy specjalnej, czarnej błony, która nasuwa się na świecący organ. Zaletą takiego światła jest nie tylko identyfikacja osobników swojego gatunku czy zwiększenie widoczności ryby w głębinach, ale również zwabianie mniejszych ofiar czy planktonu, który lgnie do świecącego narządu. Dodatkowo, u drapieżnych ryb głębinowych żyjących na głębokości od 500 m do 4000 m zazwyczaj narząd świetlny znajduje się na wydłużonym promieniu płetwy grzbietowej lub podświetla spód gałek ocznych. W przypadku wystającego fragmentu płetwy grzbietowej, ryby mają możliwość poruszania nim i przesuwania nad głowę lub do wnętrza otworu gębowego, co ułatwia im chwytanie mniejszych, ale szybszych od nich ofiar dając im tym samym przewagę i umożliwiając przetrwanie. Wykorzystują go jako wędkę do chwytania mniejszych od siebie ryb drapieżnych. U niektórych ryb bioluminescencja wykorzystywana jest również do zalotów pomiędzy osobnikami – takie ryby wykształciły zdolność świecenia więcej, niż jednym kolorem lub mają podświetlone poszczególne organy. Również u kalmarów bioluminescencja służy do polowania oraz zwiększenia zakresu widzenia w głębinach oceanu.

Bioluminescencja u krewetki Heterocarpus ensifer

Ciekawą taktykę stosują również krewetki Heterocarpus ensifer wydzielające bioluminescencyjny gaz zawierający świecące bakterie, dzięki któremu odwracają uwagę drapieżnika, który większą uwagę przykuwa do świecącego zjawiska dając tym samym krewetce możliwość ucieczki przed zagrożeniem.

Meduzy i bioluminescencyjne znakowanie terenu

Najczęściej spotykanymi gatunkami wykazującymi właściwości bioluminescencyjne są meduzy, których narządy, a niekiedy również parzydełka są podświetlone. Odkryte u świecących meduz białko GFP (z ang. Green Fluorescent Protein) jest wykorzystywane do znakowania innych naturalnie występujących białek, co ma na celu chociażby ich lokalizację w komórce. Pomaga to znaczyć przeszkody w ciemnych głębinach sprawiając, że meduza nie koliduje z nimi ponownie. GFP wykorzystuje się także w immunologii oraz embriologii - podmienienie fragmentu nici DNA na fragment kodujący GFP pozwala śledzić ekspresję zmodyfikowanych w ten sposób genów ułatwiając ich lokalizację.

Świecić mogą nawet niektóre rekiny

W dniu 3 marca 2021 roku dokonano zupełnie nowego odkrycia niedaleko wybrzeży Nowej Zelandii, jakim było zaobserwowanie po raz pierwszy bioluminescencji u rekinów gatunku Dalatias licha. Zjawisko te związane jest z głębokością, na jakiej żyją wynoszącą od 200 m do nawet 1000 m, gdzie nie dociera już światło słoneczne. Rekiny te są rzadko spotykane ze względu na duże głębokości występowania. Znajdująca się na spodniej części ich brzucha lucyferyna umiejscowiona w specjalnych organach zwanych fotoforami na skutek reakcji utleniania zaczyna świecić. Dalatias licha wykorzystuje bioluminescencyjną przestrzeń na brzuchu do poszukiwania ofiar i polowania, niczym reflektor. Zwabione do światła ryby od spodu nie są w stanie zidentyfikować rekina widząc jedynie jego oświetlony brzuch – po podpłynięciu do źródła światła stają się jego ofiarami. Co ciekawe, rekin ten wykształcił w sobie możliwość regulacji źródła światła, dzięki czemu może je wyłączać, aby lepiej zakamuflować się. Ponadto podświetlone gruczoły znajdujące się w brzuchu służą mu również do zwabiania partnerów jako zachęta do rozmnażania, gdzie im większa kontrola nad regulacją światła gruczołu, tym bardziej przyciągają zainteresowane partnerki sygnalizując, że są wprawnymi łowcami – to coś plus minus takiego, jak ktoś prezentowałby swoje umiejętności kontroli nad jakąś bronią (np. celność łuku czy finezja w posługiwaniu się mieczem). Dla rekinów tego gatunku jest to broń łowiecka, dlatego jest to sygnał dla partnerki, że ich potomstwo nie będzie przymierać głodem i również będzie mieć większe szanse na przetrwanie dzięki lepszym genom.

Dodatkowe źródła dla zainteresowanych:

1.https://biotechnologia.pl/biotechnologia/bioluminescencja,10425
2.https://www.naukowiec.org/wiedza/biologia/bioluminescencja_2795.html
3.http://laboratoria.net/pl/artykul/Bioluminescencja%20w%20metodach%20luminometrycznych;26235.html
4.https://www.tawernaskipperow.pl/czytelnia/ciekawostki/w-nowej-zelandii-odkryto-swiecace-rekiny/8260
5.https://tutee.ug.edu.pl/wp-content/uploads/2018/05/6.Czy-wiesz-%C5%BCe-w-morzu-%C5%9Bwieci_A.Gajo_-1.pdf
6.https://hydropolis.pl/bioluminescencja/
7.https://ecowater.pl/blog/bioluminescencja-dlaczego-niektore-stworzenia-swieca-pod-woda/
8.https://phmd.pl/api/files/view/258272.pdf
9.http://www.garfield.library.upenn.edu/essays/v5p731y1981-82.pdf
10.https://chili-mango.com/bioluminescencja-w-nikaragui/
11.https://weirdscience.eu/%C5%9Awiat%C5%82o%20w%20ciemno%C5%9Bci%20-%20bioluminescencja%20%C5%82ycznika%20ochrowego.html
12.https://www.ledvance.pl/profesjonalista/fascynacja-%C5%9Bwiat%C5%82em/bioluminescencja
13.https://www.twojapogoda.pl/wiadomosc/2022-04-10/w-nocy-pacyfik-zaswiecil-sie-na-niebiesko-skad-wziela-sie-zorza-polarna-w-oceanie/
14.https://www.bryk.pl/artykul/mleczne-morze-czym-jest-to-tajemnicze-zjawisko
15.https://www.national-geographic.pl/artykul/swietliste-zycie
16.https://www.nationalgeographic.com/science/article/the-many-origins-of-glowing-fish
17.https://www.upi.com/Science_News/2017/04/10/Most-deep-sea-animals-produce-their-own-light-research-shows/7501491851440/
18.https://whenonearth.net/know-sea-stars-vaadhoo-island-maldives/