Artykuły

Wstęp

Luminescencja jest zjawiskiem fizycznym ściśle związanym z budową cząsteczki. Emitowanie promieniowania (światło) o różnej długości fali, często z zakresu widzialnego, zachodzi podczas wzbudzenia, czyli dostarczenia energii do układów luminoforowych. Podczas przejść ze stanów wzbudzonych do stanów podstawowych emitowane jest światło.

Luminescencję można podzielić na wiele rodzajów w zależności od czynnika jaki ją powoduje. Może być to zarówno prąd elektryczny (elektroluminescencja), promieniowanie radiowe (radioluminescencja), dźwięk (sonoluminescencja) czy też oddziaływania mechaniczne (tryboluminescencja). Cechą charakterystyczną jest jej krótkotrwałość – wówczas nazywa się to fosforescencją. Tak dzieje się w przypadku emisji światła przez szkielet zewnętrzny skorpionów, emisja światła pod wpływem promieniowania UV natychmiast zanika po wyłączeniu lampy ultrafioletowej.

Jeśli jednak emisja światła jest dłuższa i nie ustaje od razu po zaprzestaniu wzbudzenia zjawisko nazywane jest fosforescencją. Nazwa pochodzi od poświaty widzianej wokoło jednej z odmian fosforu – fosforu białego, który na wolnym powietrzu ulega powolnemu utlenianiu emitując długotrwale poświatę. Z racji tego, że opisany proces jest w istocie reakcją chemiczną fosforu z tlenem luminescencja tego rodzaju nazywana jest chemiluminescencją.

W odniesieniu do organizmów żywych używa się terminu bioluminescencja. Słowo pochodzi od greckiego „bios” czyli życie oraz „lumen” co z łaciny oznacza światło. Jest to szczególny rodzaj luminescencji zachodzący w ciałach organizmów żywych.

Tak zwany „zimny ogień” czyli światło widziane nocami w lasach już od starożytności budziło podziw i zainteresowanie ludzi. Opisane już przez Arystotelesa w 382 roku p. n. e. zjawisko temu pochodziło z luminescencji grzybów rosnących na obumierających drzewach i spróchniałych pniach. To samo zjawisko zostało także opisane później przez rzymskiego filozofa Pliniusza Starszego w dziele „Historia Naturalna” z 77 roku n. e. zaobserwowane w gajach oliwnych, które również porastał specyficzny gatunek grzybów. [1] Darwin natomiast podczas swoich podróży w 1932 zauważył świecące połacie wody morskiej ciągnące się za płynącym statkiem u wybrzeży Teneryfy, zebrał nawet próbki tej wody. [2] Niezwykłą poświatę wywołały żyjące w wodzie jednokomórkowe mikroorganizmy – glony z rodziny bruzdnic. Świecą one w wyniku sił działających na nie z zewnątrz – ruch prądów morskich lub kontakt z kadłubem statku mogły wywołać ten efekt.

Początkowo więc ludzie poznali bioluminescencyjne grzyby i owady, dopiero później wraz z rozwojem technologii możliwe było eksplorowanie morskich toni. Doprowadziło to do niezwykłych odkryć całej gamy nowych stworzeń zdolnych do bioluminescencji zwykle żyjących w ciemnych i zimnych głębinach oceanów.

Światło w przyrodzie

a) Światło służące komunikacji i rozmnażaniu
Sztandarowym przykładem bioluminescencji w świecie owadów jest przedstawiciel chrząszczy czyli świetlik świętojański (Lampyris noctiluca, zdjęcie 1 od lewej). Oprócz niego w Polsce występują jeszcze dwa inne rodzaje chrząszczy świetlikowatych Lampyridae mianowicie: iskrzyk (Phausis splendidula zdjęcie 2 od lewej) oraz świeciuch (Phosphaenus hemipterus zdjęcie 3 od lewej).

Świetlik występuje w Europie i Azji – jak już wspomniano wcześniej również w Polsce, preferuje środowisko wilgotne i podmokłe, istotna jest bliskość rzek i strumieni oraz dostępność pożywienia czyli ślimaków. Ciekawe jest również to, że jedynie larwy tych owadów pobierają pokarm natomiast dorosłe formy po przepoczwarzeniu przeważnie nie żerują wcale.[3]

Światło służy tym owadom przede wszystkim do komunikacji, sygnalizowania przynależności do danego gatunku oraz rozmnażania. [4] Niezwykłym zjawiskiem są także synchroniczne błyski, których częstotliwość i specyfika są charakterystyczne dla danej grupy owadów dzięki czemu osobniki mogą się odnaleźć w całkowitych ciemnościach. Dla człowieka jest to wówczas spektakularny, świetlny pokaz szczególnie, że grupy owadów mogą zajmować przestrzeń nawet 30 metrów. [5]

Mechanizm świecenia opiera się na utlenianiu lucyferyny przy udziale katalizatora jakim są specyficzne enzymy – lucyferazy (nazwy tej substancji oraz enzymu pochodzą od łacińskiego Lucyfer czyli niosący światło). Naukowcom udało się w pełni opisać ten mechanizm oraz powtórzyć z użyciem syntetycznie wyprodukowanych odczynników uzyskując identyczną luminescencję jak w przypadku świetlika i wielu innych stworzeń. Proces w pierwszym etapie polega na enzymatycznym połączeniu lucyferyny (D-LH2) z nośnikiem energii czyli ATP przy udziale lucyferazy (Luc) tworząc cząsteczkę adenylanu lucyferazy (Luc•LH2AMP). Nowo powstały związek reaguje z tlenem tworząc niestabilną cząsteczkę – oksylucyferynę sprężoną z enzymem. W wyniku jej rozpadu i powrotu ze stanu wzbudzonego do stanu stabilnego o niższej energii emitowany jest foton (hʋ). Proces w postaci bardzo uproszczonego schematu przedstawiono poniżej – Rys 1. Kolor światła jest ściśle związany z pH środowiska w jakim zachodzi proces, a tym samym formy jonowej w jakiej znajduje się oksylucyferyna, przy pH 6 światło jest czerwone, przy pH 8 emitowane jest światło o kolorze żółto-zielonym. [6]

Luc + D-LH2 + ATP ⇄ Luc• LH2AMP
Luc•LH2AMP + O2 ⇄ Luc•Oksylucyferyna*
Luc•Oksylucyferyna* ⟶ Luc•Oksylucyferyna + hʋ
Rys 1. Ciąg reakcji prowadzący do emisji światła przez lucyferynę.

Kolejnym organizmem tym razem ze świata grzybów, który korzysta z dobrodziejstwa bioluminescencji jest łycznik ochrowy (Panellus stipticus), którego zielono-żółta luminescencja uważana jest za jedną z najsilniejszych.

Istnieją dwie prawdopodobne teorie wyjaśniające powód emisji światła w świecie grzybów. Pierwszym z nich jest zwrócenie uwagi owadów i insektów aby poprzez kontakt z owocnikiem rozniosły zarodniki na większej powierzchni i aby grzyb mógł kolonizować większy obszar lasu. Jest to szczególnie prawdopodobne w dolnych partiach lasu gdzie nie ma zbyt częstych podmuchów wiatru i jednym z nielicznych sposobów na rozprzestrzenienie się zarodników mogą być właśnie owady. Drugą teorią jest odprowadzenie nadmiaru energii bez generowania ciepła, na które grzyby są bardzo wrażliwe. [7] Możliwe jest jednak, że dokładna przyczyna emisji światła przez grzyby nadal nie została poznana, naukowcy bowiem nadal szukają odpowiedzi na to pytanie prowadząc dalsze badania.

Łycznik ochrowy występuje na całym świecie z wyjątkiem Antarktydy, należy do rzędu pieczarkowców i rodziny grzybówkowatych. Jako że pełni w przyrodzie funkcję reducenta występuje głównie na rozkładającym się drewnie. Preferuje drewno drzew liściastych bardzo rzadko można go spotkać na sosnach i modrzewiach. Bioluminescencję wykazuje zarówno owocnik (który świeci najsilniej) jak i cała grzybnia zazwyczaj wrośnięta w drewno. Dzięki tej właściwości w czasach wojny żołnierze używali poprzerastanego grzybem drewna do oświetlania aby za nadto nie zdradzić swoich pozycji stronie przeciwnej. Nie jest to grzyb trujący jednak nie jest spożywany ze względu na zły smak i ciężkostrawność.[8]

b) Światło służące obronie
Ten rodzaj bioluminescencji jest widoczny w szczególnie widowiskowy sposób u krewetek Heterocarpus ensifer. Niezwykły mechanizm obronny został uwieczniony na zdjęciu przez zespół naukowców z Duke Uniwersity. Udało im się złapać za pomocą batyskafu jedną z tych krewetek oraz w ciemni sfotografować moment wypuszczenia przez zwierzę błękitnej, świecącej chmury. [9]

Heterocarpus ensifer jest krewetką głębinową występującą na dużych obszarach Oceanu Atlantyckiego i Spokojnego, pospolicie występuje na Karaibach. Preferuje muliste lub piaszczyste podłoże i występuje na głębokości od 88 do prawie 900m.

Kolejnym zwierzęciem morskim używającym bioluminescencji do obrony jest meduza Atolla wyvillei zwana potocznie „meduzą sygnałową” z powodu specyficznego zachowania podczas gdy wyczuje zagrożenie. Wydziela ona ostre, niebieskie światło poruszające się koliście – bardzo podobnie do policyjnego światła sygnałowego - które ma za zadanie oślepić przeciwnika oraz zwabić innego, większego drapieżnika tak aby meduza mogła odpłynąć dalej w bezpieczne miejsce bez szwanku.
Atolla wyvillei ma głęboki czerwonawy odcień co bardzo dobrze maskuje jej obecność w głębinach morskich. Występuje na głębokości od jednego do czterech kilometrów gdzie nie dociera nawet najmniejszy ułamek światła słonecznego – panują więc całkowite ciemności. Jest organizmem bardzo prostym – nie posiada wyspecjalizowanych układów takich jak układ nerwowy (nie posiada więc mózgu!) czy układ pokarmowy mimo tego doskonale przystosowała się do życia na ekstremalnych głębokościach bez dostępu do światła. [10]

Na samym końcu zostanie opisany jednokomórkowy organizm z rodziny alg bruzdnic, którego bioluminescencja jest odpowiedzialna za opisane już podczas wypraw Karola Darwina świetliste plamy na plażach wielu regionów świata. Pyrocystis lunula – bo to o nim mowa - osiąga wielkość do 1mm i czasami gromadzi się w wielomilionowe ławice emitując jasne światło w wyniku stresu jakim jest poddawana.

Powodem stresu mogą być wszelkie siły ścinające lub inne fizyczne zaburzenia i zawirowania. Przykładowo ruch fal w kontakcie z nadmorskimi skałami albo nacisk stopy spacerowicza na plaży. Udowodniono, że emisja światła jest związana z przepływem wapnia w błonie komórkowej tych stworzeń. Gdy nacisk ustaje, przepływ zostaje zahamowany i ustaje także emisja światła.

Nie jest do końca wyjaśnione w czym temu organizmowi może pomóc emisja światła gdy jest on poddawany naciskowi. Niektóre drapieżniki atakujące bruzdnice – widłonogi – uciekają gdy tylko pojawi się niebieska luminescencja dokładnie tak samo jak ma to miejsce w przypadku opisywanej wcześniej meduzy Atolla wyvillei – powoduje to bowiem przyciągnięcie innych drapieżników żywiących się widłonogami. Jest to także jedyna grupa organizmów która przeprowadzając fotosyntezę i jednocześnie posiada zdolność do bioluminescencji. [5] Poniżej przedstawiono niezwykłą poświatę tych organizmów u wybrzeży Australii.

Podsumowanie

Bioluminescencja jest zjawiskiem spotykanym przede wszystkim u zwierząt morskich, występuje także w świecie owadów i grzybów. Nie jest jednak obecna w świecie roślin – przynajmniej nie w naturalny sposób. Celem projektu Biologiczne Światło jest zapewnienie ludzkości nieprzerwanego, ekologicznego źródła światła bez korzystania z elektryczności mogącego znaleźć zastosowanie do oświetlania miejskich ulic nocą. Oczywistym wyborem więc stał się świat bioluminescencyjnych stworzeń żywych, które dzięki swoim unikalnym właściwościom mogłyby zastąpić chociaż część urządzeń infrastruktury miejskiej na przykład jako „żywe lampy”.

Siłą rzeczy nie jest możliwe wykorzystanie do tego celu meduz lub krewetek z powodu nietypowych warunków w jakich te stworzenia bytują na co dzień. Grzyby również nie są pod tym względem idealne – ich owocniki są wrażliwe na temperaturę i wilgotność tak samo jak ma to miejsce w przypadku jednokomórkowych bruzdnic czy bakterii (co mogłoby znaleźć zastosowanie w celu oświetlania pomieszczeń mieszkalnych od wewnątrz). Niestety przyroda nie wytworzyła zjawiska bioluminescencji w sposób bezpośrednio umożliwiający jej wykorzystanie przez człowieka jako źródła do oświetlania miasta nocą z powodu zbyt nieprzewidywalnego klimatu panującego na Ziemi. Organizm Idealny więc nie istnieje.

Jeśli więc ludzkość w trosce o klimat, a co za tym idzie zmniejszenie ilości konsumowanej elektryczności chciałaby uciec się do pomocy przyrody w tym sektorze wymaga to sięgnięcia do najnowocześniejszych zdobyczy nauki. Niezbędne jest przystosowanie rosnących naturalnie w danym klimacie roślin – czyli przystosowanych do warunków panujących na danej szerokości geograficznej - tak aby były w stanie emitować światło niezależnie od zmiennej amplitudy temperatur czy wilgotności powietrza. Jeśli natomiast podejście to zostanie uznane za niewystarczające jest także możliwość opracowania specjalnych luminoforów magazynujących światło za dnia i oddających je po zmroku. Wszystko zależy od dalszych odkryć naukowych w dziedzinie biotechnologii i chemii oraz kierunku badań na jaki zdecyduje się ludzkość.

W kolejnej części cyklu artykułów podjęta zostanie tematyka metod, które mogłyby urzeczywistnić ideę oświetlania Ziemi przez organizmy żywe. Metody modyfikacji genetycznej organizmów żywych (GMO) oraz nanotechnologiczne techniki, które pozwolą uzyskać pożądany efekt fosforescencji długotrwałej.