Andy-Hutchinson-port

Bioluminescència: brillant amb llum pròpia

Des de fa temps, unes de les imatges més comentades i fascinants són les que mostren paisatges coneguts com a “Mars d’estrelles” a Jervis Bay (Australia) o les “coves estrellades” a Nova Zelanda. Milers de llumets brillant a la més fosca obscuritat. Es tracta d’un fotomuntatje? No, en realitat es tracta d’un procés natural pel qual els organismes brillen amb llum pròpia. 

fig1
A. Mar d’estrelles a Jervis Bay (Imatge: maxres) B. Waitomo Glowworms cave a Nueva Zelanda (imatge: Forevergone).

LA BIOLUMINESCÈNCIA

Aquest procés, tot i parèixer sortir d’un conte de fades, és un procés químic pel qual els organismes vius tenen la capacitat de fer llum. Es tracta d’un tipus de quimioluminescència. Cal destacar, però, que a diferència de la fluorescència, la bioluminescència és pròpia dels organismes vius, és a dir, són ells mateixos qui creen la llum.

Moltes espècies, sobretot marines, presenten aquesta capacitat. Es creu que un 90% de les espècies que habiten regions abissals tenen la capacitat de produir llum. El nostre company Marc Arenas parla d’aquests organismes de les grans profunditats als seus articles “Viatge a les profunditats I i II“. En l’àmbit terrestre el nombre d’organismes bioluminescents descendeix, però tot i així tots coneixem les cuques de llum (Fam Lampyridae) i els fongs bioluminescents (gènere Amarillia, Mycena…).

mycena chlorophos_national geographic
Cuca de LLum (Fam Lampyridae) i Fong Mycena chlorophos. (Imatge: National Geographic)

La reacció de bioluminescència és una oxidació acalorífica, és a dir, que no produeix calor. Els organismes presenten una proteïna coneguda com a Luciferina que mitjançant l’acció de l’enzim luciferasa s’oxida en presència d’oxigen. A la imatge inferior podem observar aquest procés de manera molt senzilla. L’enzim permet que les molècules d’oxigen s’uneixin a la luciferina. L’energia resultant es dóna en forma lumínica. Per dur a terme aquesta reacció es necessita un cost energètic en forma d’ATP (molècula energètica que utilitzen les cèl·lules).

bioluminescence-luciferin
Esquema de la bioluminescència (Imatge: the HuffPostworks)

Existeixen dos tipus diferents de bioluminescència: intracel·lular (la reacció es dóna en òrgans especialitzats) i extracel·lular (les molècules es sintetitzen a l’organisme però s’alliberen a l’exterior perquè es mesclin i es produeixi la reacció). En el cas de la intracel·lular podem trobar aquells organismes que tenen la capacitat de sintetitzar la luciferina o aquells que mantenen una relació simbiòtica amb bacteris bioluminescents.

FUNCIONS DE LA BIOLUMINESCÈNCIA

Més enrera hem comentat que la majoria d’organismes que tenen la capacitat de fer llum pròpia viuen en llocs molt foscos (fons dels oceans, coves…). Per aquests organismes, la bioluminescència és emprada en moltes situacions:

  • Comunicació intraespecífica. S’utilitza per comunicar-se entre organismes de la mateixa espècie, com per exemple per la selecció de parella reproductiva. A l’article “Com es comuniquen els insectes?”, la meva companya Irene parla dels diferents mètodes utilitzats, entre ells la bioluminescència de les cuques de llum.
  • Defensa. Hi ha certs organismes que quan es veuen pertorbats o atacats produeixen llum per fer fora al depredador. Un exemple molt interessant és el del Calamar vampir (Vampyroteuthis infernalis) que escup una espècie de moc bioluminescent per despistar als depredadors.
  • Atracció de les preses. Alguns tenen òrgans productors de llum que criden l’atenció  a les preses cap a ells, com per exemple els peixes del gènere Lopiiformes.
  • Camuflatge. En certs casos, la bioluminescència s’utilitza per camuflar-se a les llums i ombres del oceà, com seria el cas del tauró de l’espècie Etmopterus pusillus.

BIOLUMINESCÈNCIA I MICROORGANISMES

La capacitat de produir llum és característica que apareix a quasi tots els regnes. També existeixen una gran varietat de microorganismes que presenten les molècules necessàries per dur a terme la reacció. Les funcions de la bioluminescència en els microorganismes són generalment per la comunicació i com a resultat de l’eliminació de l’oxigen sobrant (detoxificació).

Alguns dinoflagelats, com per exemple Pyrodinium bahamense, tenen la capacitat de produir llum quan les condicions ambientals han estat molt favorables i la seva població ha sofert un creixement exponencial. En aquest moment, quan l’aigua es mou es produeix la reacció lluminosa, com en el cas dels “Mars d’estrelles”.

fig_1a
Bioluminescència resultat del creixement excessiu de dinoflagelats (Imatge: Ies Rey Pelayo)

En els òrgans especialitzats de certs animals, trobem algunes espècies bacterianes com Vibrio fischeri o Photobacterium. Aquests microorganismes reben nutrients i protecció dels animals i com a resultat del seu metabolisme es produeix la reacció lumínica.

fischeri
Imatge del calamar Hawaià (Euprymna scolopes) i ampliació del seu òrgan lluminós. Al seu interior trobem Vibrio fischeri bioluminescent. (Imatge: Eric Stabb)

En molts casos, la producció de llum per part dels microorganismes està condicionada per la densitat poblacional d’aquests, és a dir, només es produeix llum quan hi ha molts microorganismes junts. Aquest sistema de regulació es coneix com percepció de quòrum o quorum sensing. En què consisteix?

QUORUM SENSING

Els microorganismes alliberen al medi una substància autoinductora (afavoreixen un determinat procés). Quan la concentració d’aquestes substàncies és molt gran, a causa  que hi ha una gran concentració de microorganismes junts, s’activen certs processos com la bioluminescència.

Aquesta és forma de comunicació entre els microorganismes, ja que molts processos depenen de la densitat poblacional. En el cas de Vibrio fischeri, aquesta només pot produir llum quan la densitat poblacional ha arribat a una mida determinada. Quan les molècules autoinductores es posen en contacte amb les parets bacterianes, s’inicia un procés genètic que regula la producció de l’enzim luciferasa i, per tant, la bioluminescència.

luxI picture
Esquema simplificat de la regulació genètica de bioluminescència dependent del quòrum (Imatge: Cornell Institute for Biology teachers).

BIOTECNOLOGIA I BIOLUMINESCÈNCIA

La biomimètica, ciència que utilitza la naturalesa com a font d’inspiració tecnològica, té com a pròxima frontera l’adaptació d’aquest procés d’il·luminació. Imagineu que es puguin substituir els fanals del carrer per arbres bioluminescents? Actualment no és possible, però existeixen grans empreses que intenten canviar l’electricitat de les grans ciutats per energies menys costoses i renovables. Mitjançant la modificació genètica podríem obtenir plantes amb la capacitat de produir llum per elles mateixes. Ciutats més verdes i sostenibles.

Trees
Recreació de la iluminació del futur amb plantes bioluminescents. (Imatge: iluminet)

Aquesta forma d’il·luminació, a part de reduir el cost energètic i la contaminació, és ràpida i fàcil de mantenir. Basta amb un gel ric en nutrients i una colònia de Vibrio fischeri per tenir una il·luminació brillant i continua. Estem parlant, doncs, d’una possible solució a la contaminació lumínica de les nostres ciutats?

·

La naturalesa és molt sàvia i ens segueix ensenyant coses, només cal aprendre a observar.

REFERÈNCIES

  • Brock, biología de los microorganismos. Michael T, Madigan. Ed. Pearson. (castellà)
  • Ocean Today. NOAA. (Anglès)
  • The bioluminescence Web Page. (Anglès)
  • Imatge portada: Andy Hutchinson.Maribel-català

Comentaris / Comentarios / Comments:

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

Esteu comentant fent servir el compte WordPress.com. Log Out / Canvia )

Twitter picture

Esteu comentant fent servir el compte Twitter. Log Out / Canvia )

Facebook photo

Esteu comentant fent servir el compte Facebook. Log Out / Canvia )

Google+ photo

Esteu comentant fent servir el compte Google+. Log Out / Canvia )

Connecting to %s