Bioluminescerende organismer har udviklet sig adskillige gange i løbet af livshistorien. Hvilken biokemi er nødvendig for at lyse mørket op? Forskellige undersøgelser er afsat til dette emne. Dyk dybt nok ned i havets dybder, så ser du ikke mørke, men lys. 90% af fisk og havliv, der trives i dybder på 100 eller endda 1000 meter, er i stand til at producere deres eget lys. Lommelygte fisk jager og kommunikerer ved hjælp af en slags morskode sendt med lette lommer under øjnene. Fisk af familien Platytroctidae skyder glødende blæk mod deres angribere. Hatchet fisk gør sig usynlige ved at udsende lys i deres underliv for at simulere faldende sollys; rovdyr ser på dem og ser kun en kontinuerlig glød.
Forskere har indekseret tusinder af bioluminescerende organismer i hele livets træ og forventer at tilføje mere. De har dog længe undret sig over, hvordan bioluminescens blev. Som nyligt offentliggjorte studier viser, har forskere gjort betydelige fremskridt med at forstå oprindelsen af bioluminescens - både evolutionært og kemisk. Ny indsigt giver en dag mulighed for at anvende bioluminescens i biologisk og medicinsk forskning.
En af de mangeårige udfordringer er at bestemme, hvor mange gange en enkelt bioluminescens har fundet sted. Hvor mange arter kom til hende uafhængigt af hinanden?
Mens nogle af de mest kendte eksempler på lys i levende organismer er landbaserede - tænk ildfluer, for eksempel - fandt de fleste af de evolutionære begivenheder i forbindelse med bioluminescens sted i havet. Bioluminescens er praktisk taget og tilsyneladende fraværende i alle terrestriske hvirveldyr og blomstrende planter.
I havets dybde giver lys organismer en unik måde at tiltrække bytte, kommunikere og forsvare sig selv, siger Matthew Davis, en biolog fra Saint Cloud State University i Minnesota. I en undersøgelse, der blev offentliggjort i juni, fandt han og hans kolleger, at fisk, der bruger lys til at kommunikere og signalere frieri, var særligt almindelige. I løbet af en periode på omkring 150 millioner år - ikke længe efter evolutionære standarder - har sådanne fisk bredt sig til flere arter end andre fisk. Bioluminescerende arter, der udelukkende brugte deres lys til camouflage, var på den anden side ikke så forskellige.
Ægteskabssignaler kan ændres relativt let. Disse ændringer kan igen skabe undergrupper i befolkningen, der til sidst opdeles i unikke arter. I juni offentliggjorde Todd Oakley, en evolutionær biolog ved University of California, Santa Barbara, og en af hans studerende, Emily Ellis, en undersøgelse, der viste, at organismer, der brugte bioluminescens som parringssignaler, havde mange flere arter og en hurtigere akkumulering af arter end deres nære slægtninge, der ikke bruger lys. Oakley og Ellis studerede ti grupper af organismer, herunder ildfluer, blæksprutte, hajer og små leddyr, ostracods.
Davis og hans kollegers forskning var begrænset til strålefinnede fisk, der omfatter ca. 95% af fiskearterne. Davis beregnet, at selv i denne ene gruppe udvikledes bioluminescens mindst 27 gange. Stephen Haddock, en marinbiolog ved Monterey Bay Aquarium Research Institute og en ekspert i bioluminescens, anslåede, at blandt alle livsformer, bioluminescens uafhængigt dukkede op mindst 50 gange.
Salgsfremmende video:
Mange måder at antænde på
I næsten alle lysende organismer kræver bioluminescens tre ingredienser: ilt, det lysemitterende pigment luciferin (fra det latinske ord lucifer, der betyder "bærer lys") og luciferaseenzym. Når luciferin interagerer med ilt - via luciferase - danner det en ophidset, ustabil komponent, som sættet udsender, og vender tilbage til en tilstand med lavere energi.
Mærkeligt nok er der langt færre luciferiner end luciferase. Selvom arter har en tendens til at have en unik luciferase, har meget mange samme luciferin. Kun fire luciferiner er ansvarlige for at producere det meste af lyset i havet. Af de næsten 20 grupper af bioluminescerende organismer i verden udsender ni af lys fra luciferin kaldet coelenterazin.
Det ville imidlertid være en fejltagelse at tro, at alle coelenterazinholdige organismer stammede fra en lysende stamfar. Hvis det var tilfældet, hvorfor skulle de udvikle et så bredt spektrum af luciferase, spørger Warren Francis, en biolog ved Ludwig Maximilian University i München. Formodentlig skulle det første par luciferin-luciferase have overlevet og formere sig.
Det er også sandsynligt, at mange af disse arter ikke producerer coelenterazin alene. I stedet får de det fra deres kost, siger Yuichi Oba, professor i biologi ved Chubu University i Japan.
I 2009 opdagede et hold ledet af Oba, at et dybhavskrabbe (copepoder) - et lille, udbredt krebsdyr - fremstiller sit coelenterazin. Disse krebsdyr er en ekstremt rig fødevarekilde for en lang række marine dyr - så rigelige at de kaldes "ris i havet" i Japan. Han mener, at disse krebsdyr er nøglen til at forstå, hvorfor så mange marine organismer er bioluminescerende.
Både og hans kolleger tog aminosyrer, som antages at være byggestenene i coelenterazin, mærket dem med en molekylær markør og fyldt dem i mad til copepods. Derefter fodrede de denne mad med krebsdyr på laboratoriet.
Efter 24 timer ekstraherede forskerne coelenterazin fra krebsdyrene og så på de markører, der blev tilføjet. Det var klart, at de var overalt - hvilket var det ultimative bevis for, at krebsdyr syntetiserede luciferinmolekyler fra aminosyrer.
Selv de vandmænd, der først opdagede coelenterazin (og blev opkaldt efter), producerer ikke deres egne coelenterazin. De får deres luciferin ved at spise krebsdyr og andre små krebsdyr.
Mystisk oprindelse
Forskere har fundet en anden ledetråd, der kan hjælpe med at forklare populariteten af coelenterazin blandt dybhavsdyr: dette molekyle findes også i organismer, der ikke udsender lys. Dette slog Jean-François Ries, en biolog ved det katolske universitet i Leuven i Belgien, som underligt. Det er overraskende, at "så mange dyr er afhængige af det samme molekyle for at producere lys," siger han. Måske har coelenterazin andre funktioner udover luminescens?
I eksperimenter med rotteleverceller viste Reese, at coelenterazin er en potent antioxidant. Hans hypotese: Coelenterazine har måske først spredt sig blandt marine organismer, der lever i overfladevand. Der kunne antioxidanten give den nødvendige beskyttelse mod de oxidative virkninger af skadeligt sollys.
Da disse organismer begyndte at kolonisere dybere havvand, hvor behovet for antioxidanter er mindre, kom coelenterazins evne til at udsende lys godt, antydede Reese. Over tid har organismer udviklet forskellige strategier - som luciferase og specialiserede lysorganer - for at forbedre denne kvalitet.
Forskere har dog ikke fundet ud af, hvordan andre organismer, ikke kun Oba-copepoder, fremstiller coelenterazin. De gener, der koder for coelenterazin, er også helt ukendte.
Tag f.eks. Kamgelé. Disse gamle havdyr - af nogle betragtet som den første gren af dyretræet - har længe været mistænkt for at producere coelenterazin. Men ingen har været i stand til at bekræfte dette, let at identificere specifikke genetiske instruktioner på arbejdet.
Sidste år blev det imidlertid rapporteret, at en gruppe forskere ledet af Francis og Haddock snublede over et gen, der muligvis er involveret i syntesen af luciferin. For at gøre dette studerede de transkriptomer fra ctenophorer, som er øjebliksbilleder af generne, som et dyr udtrykker på et givet tidspunkt. De kiggede efter gener, der var kodet for en gruppe på tre aminosyrer - de samme aminosyrer, som Oba fodrede til hans copepoder.
Blandt 22 arter af bioluminescerende ctenophorer har forskere fundet en gruppe gener, der svarer til deres kriterier. Disse samme gener var fraværende i to andre ikke-luminescerende ctenophore arter.
Ny verden
Den genetiske mekanisme for bioluminescens har anvendelser uden for evolutionær biologi. Hvis forskere kan isolere generne for luciferin- og luciferasepar, kan de potentielt få organismer og celler til at gløde af en eller anden grund.
I 1986 ændrede forskere ved University of California i San Diego og inkorporerede ildfluciferasegenet i tobaksplanter. Undersøgelsen blev offentliggjort i tidsskriftet Science, hvor en af disse planter glødede uhyggeligt mod en mørk baggrund.
Denne plante producerer ikke lys i sig selv - den indeholder luciferase. Men for at denne tobak skal glødes, skal den vandes med en opløsning, der indeholder luciferin.
30 år senere har videnskabsmænd stadig ikke været i stand til at skabe selvlysende organismer ved hjælp af genteknologi, fordi de ikke kender de biosyntetiske veje for de fleste luciferiner. (Den eneste undtagelse blev fundet i bakterier: Forskere var i stand til at identificere de glødegener, der koder for det bakterielle luciferin-luciferasesystem, men disse gener skal ændres for at være nyttige for enhver ikke-bakteriel organisme.)
En af de største potentielle anvendelser af luciferin og luciferase i cellebiologi er at inkorporere dem som pærer i celler og væv. Denne type teknologi ville være nyttigt til sporing af celleplacering, genekspression, proteinproduktion, siger Jennifer Prescher, professor i kemi ved University of California, Irvine.
Brugen af bioluminescensmolekyler vil være lige så nyttig som brugen af et fluorescerende protein, der allerede bruges til at overvåge udviklingen af HIV-infektioner, til at visualisere tumorer og spore nerveskader i Alzheimers sygdom.
I øjeblikket skal forskere, der bruger luciferin til billeddannelseseksperimenter, oprette en syntetisk version af det eller købe det til $ 50 pr. Milligram. Det er også vanskeligt at introducere luciferin udefra i cellen - det ville ikke være et problem, hvis cellen kunne lave sit eget luciferin.
Forskning fortsætter og definerer gradvist evolutionære og kemiske processer for, hvordan organismer producerer lys. Men det meste af den bioluminescerende verden er stadig i mørke.
Ilya Khel