Věda a technika

Bioluminiscence aneb proč světlušky svítí

V minulém článku jsme se seznámili s tím, jaké druhy luminiscence existují v závislosti na excitační energii. V tomto článku se již omezíme na chemiluminiscenci, a to na její speciální druh – bioluminiscenci, vyskytující se v přírodě. Pokusím se vysvětlit, proč světlušky svítí i co vlastně světélkovalo v povídce pana Menšíka o vománkovém víně. Kromě toho se seznámíme se zajímavým zvířátkem produkujícím sonoluminiscenci.

 

{snippet ad5}Jak již bylo řečeno v minulém článku, bioluminiscence (světélkování) je speciální typ chemiluminiscence vyskytující se u živých organismů. Aby bylo možno pozorovat světélkování, musí vzniknout látka v excitovaném stavu, t.j. ve stavu, kdy je alespoň jeden z valenčních elektronů ve vyšším, než v základním elektronovém stavu. Poté je možný jeho přechod do stavu základního za současného vyzáření energie ve formě světla.

 

Bioluminiscence je například příčinou světélkování brouků z čeledi Lampyriade (světlušek).  Příčinou světélkování je oxidace látky luciferinu na oxyluciferin. Dochází k reakci luciferinu, molekuly ATP (adenosintrifosfátu, což je biologická zásobárna energie) a kyslíku za přítomnosti enzymu luciferázy a hořečnatých iontů na oxyluciferin. Reakcí jedné molekuly luciferinu je produkován jeden foton o vlnové délce odpovídající namodralému světlu. Při reakci se pouhé 4 % energie mění na energii tepelnou a zbytek, tedy 96 % energie je vyzářen. Světluška je tedy daleko účinnější zářič než běžná výbojka, která má tento poměr 9:1 (tedy jen 10 % energie přechází na světlo). Luciferin se nevyskytuje pouze u světlušek, ale i u řady jiných organismů, tyto organismy však používají i jiné chemické látky a vyzařují fotony o odlišných vlnových délkách (viz dále). Protože se však v některých případech luciferin vyskytuje spolu s kyslíkem a luciferázou blízko sebe a živočich by tak za dodávání ATP stále světélkoval, vymyslela příroda „vypínač“ ve formě takzvaného fotoproteinu – bílkoviny, která teprve poté, co změní konformaci, spustí chemickou reakci. Většinou změnu konformace fotoproteinu vyvolávají vápenaté ionty.

 

Celkem je na Zemi známo více než 550 druhů organismů produkujících luminiscenční světlo. V moři bylo dosud objeveno přes 250 druhů světélkujících živočichů. Zajímavé je, že nesvětélkuje žádný sladkovodní živočich, pouze suchozemští nebo mořští.

 

Kteří živočichové tedy v přírodě světélkují? Patří mezi ně zejména brouci, z nichž jsou nejznámější zmíněné světlušky, dále např. dešťovky (Microscolex phosphoreus), karpatská dešťovka (Eisenia submontana), stonožky (Geophilus, Scolioplanes). Z mořských živočichů jsou to  medúzy z rodu Aequorea, z ryb například šírotlamka pelikánovitá (Eurypharynx pelicanoides), lampovník (Myctophum), zubatky (čeleď Světlonošovitých), řada zástupců rodu trubýšů (drobných mořských organismů vytvářejících složité struktury v hlubokých mořích), ale i mořských řas. Z drobných živočichů jsou to obrněnky, např. rodu Noctiluca (svítilky), které dokáží ve velkém počtu vyvolat světélkování moří. Luminiscencí jsou obdařeny i některé z bakterií (např. rod Photobacterium nebo Bacillus photogenus a Pseudomonas lucifera). Ne každý světélkující živočich je sám o sobě nadán bioluminiscencí, pro některé tuto „práci“ vykonávají právě světélkující bakterie žijící v jejich tkáních.

 

medúza 

 

Světélkování u živočichů má řadu důvodů – některé světlušky si tímto způsobem hledají partnery, jiní živočichové takto lákají kořist (zubatky, rovněž i některé světlušky), straší své nepřátele (medúzy, ryba stříbrňáč), pro jiné je to jediná šance, jak se v hlubinách oceánu nalézt (mořský ďas a jiní hlubinní hlavonožci). Většina mořských živočichů světélkuje modře nebo zeleně, tedy v barvách světla, jež snadno prochází skrz mořskou vodu. Existují však i výjimky – tři druhy ryb Aristostomias, Pachystomias a Malacosteus emitují světlo v červeném a infračerveném spektru a rod Tomopteris emituje světlo žluté.

 

Možná, že si někteří vzpomínáte na vyprávění Vladimíra Menšíka o „Vománkovém víně“. I v této příhodě sehrála důležitou roli bioluminiscence a to konkrétně světélkující ztrouchnivělé dřevo. Původcem světélkování není vlastní dřevo, ale houba. Nejčastěji se jedná o václavku obecnou (Armillaria mellea), jejíž vlákna produkují nazelenalé světlo.

 

Vzhledem k tomu, že genové inženýrství je dnes na takové úrovni, že lidé dokáží vložit gen způsobující produkci chemických látek nutných pro bioluminiscenční reakce téměř do jakéhokoli živočicha, existují již i světélkující myši, prasata či jiní živočichové. DNA ze zeleně světélkující medúzy bylo přidáno do prasečích embryí a výsledkem jsou zelení, fluorescenční čuníci na Taiwanu nebo červeně svítící kočka s geny korálovníku Discosoma z Jižní Koreje. I když si člověk může lámat hlavu, k čemu by mu zrovna bylo takové zelené prase dobré, vědci mají jasno – materiál získaný z těchto prasátek a použitý při studiu lidských nemocí bude světélkovat a bude jej možné v těle snadno lokalizovat.

 

Na závěr bych chtěla ještě zmínit zajímavého živočicha, příbuzného našeho raka. Jedná se o druh Alpheus digitalis, v anglosaském světě označovaném snapping shrimp – tedy „práskající garnát“. Toto malé zvířátko zdatně bojuje o titul „nejhlasitějšího živočicha v moři“. Nesetkáváme se u něj s bioluminiscencí, ale se sonoluminiscencí, která byla popisována v minulém článku. V tomto případě se nejedná o „účelové svícení“ jako je tomu u ostatních svítících živočichů, ale jedná se o vedlejší produkt jeho činnosti. Dlouho se lidé domnívali, že práskavé zvuky vydává krab tím, jak obrovskou rychlostí sevře klepeto. Poté však zjistili, že tomu tak není. Práskavé zvuky totiž vznikají při kolapsu bublinek (kavit). Při velmi rychlém zavření klepeta totiž dojde k vytvoření tak rychlého proudu vody, že jeho rychlost překračuje podmínky vzniku kavit ve vodě. Vedlejším produktem zániku těchto kavit je krom zvuku, jež je schopen do vzdálenosti 4 cm zabít drobné rybky, i krátký záblesk, který je však nepozorovatelný pouhým okem. Jde však skutečně o luminiscenci.

 

Odkazy:
http://encyklopedie.seznam.cz/heslo/420486-luminescence-organismu
http://www.kendall-bioresearch.co.uk/lamp.htm
http://en.wikipedia.org/wiki/Bioluminescence

Previous ArticleNext Article