Fyzika Bioluminiscence
předchozí kapitola následující kapitola
 

Chemiluminiscence je luminiscence, kdy excitace je vyvolána chemickou reakcí. Bioluminiscence je chemiluminiscence probíhající v tělech živých organismů. Celý proces je výsledkem oxidace luminoforu (např. luciferinu) za přítomnosti enzymu luciferázy. Při této reakci se vyzařuje až 96 % světla a jen 4 % se přemění na teplo. Intenzita vyzařování je však velmi malá v porovnání se slunečním světlem. Proto je luminiscence využívána výhradně při nízkém nebo nulovém osvětlení okolního prostředí – v hlubinách oceánů či během noci. Rovnice reakce se dá zapsat takto:

Molekula ATP je univerzální přenašeč energie adenosintrifosfát, AMP, je adenosin monofosfát, PPi představuje dva uvolněné fosfáty. V přírodě můžeme najít více jak třicet chemicky nepříbuzných typů luciferinů v rozmezí emise od modrofialové barvy až po červenou:

Obr.1: Strukturální chemické vzorce hlavních druhů luciferinů. Za povšimnutí stojí, že luciferin obrněnek (dinozoa) je molekulu odvozená od chlorophylu. Velmi podobný typ luciferinu byl nalezen též u některých garnátů. Molekula bakteriálního luciferinu  tvoří dlouhé aldehydové řetězce a redukovaný riboflavin fosfát. Luciferin rodu Latia obsahuje 2,6,6-trimethyl hexanový kruh stejně jako retinal.  Široce rozšířený coelenterazin je podobný  vargulinu, u obou se jedná se o deriváty imidazopyrazinonu (podle zdroj a wikipedia.org).

Energie bioluminiscence
Slunce produkuje světlo „teplé“, při přeměně energie se 95% přemění na teplo a pouze 5% na světlo. Bioluminiscentní („studené“) světlo má poměr obrácený, pouze 8% energie se přemění na teplo, 92% na světlo. Užití v praxi se zatím jeví jako technicky nemožné, protože světlo „živého“ původu má velmi malou intenzitu ve srovnání se světlem, které vzniká přeměnou elektrické energie.

Přesto člověk za určitých okolností užil bioluminiscenci k tomu, aby si posvítil. Za války si japonští vojáci četli mapy za svitu lasturnatek, které rozdrtili v dlaních a smíchali se slinami. Světlo takto vyzařované neupozornilo nepřítele na jejich pozici, ale stačilo ke čtení zprávy nebo mapy. V některých asijských regionech děti sbírají světlušky a dávají je do klícky, kterou mají ve svém pokoji místo noční lampy.

               

Obr. 2: Helmovka (Mycena chlorophos) při světle a ve tmě (zdroj)

Rozšíření v přírodě
Čtyři z pěti říší organismů obsahují světélkující zástupce. Žádná rostlina neemituje světlo. Bioluminiscence je v ojedinělých případech zastoupena u říše monéra (2 druhy), říše protista - prvoci (13 druhů) a u hub (18 druhů). Zbytek tj. celkem 620 druhů tvoří živočichové. Nacházíme ji u rozmanitých forem života jako jsou medúzy, kroužkovci, mořští hlavonožci, hmyz, mořské hvězdice a ryby. U mnoha ryb je bioluminiscence umožněna symbiotickými organizmy.

Obr. 3: Rozšíření bioluminiscence v přírodě, snad nejrozšířenější druh luciferinu je coelenterazine - nachází se u různých skupin: prvoci, žebernatky, žahavci, olihně, korýši, ostnokožci a některé ryby (podle Šesták, 1998 a  podle zdroj).

a   b      c      d      e   

Obr. 4: a, b) Plž Latia neritoides je jediný sladkovodní živočich schopný bioluminiscence, žije v čistých mělkých potocích na novém Novém Zélandu. Emituje světlo o vlnové délce 536 nm (zdroj) c) Vargula hilgendorfii podle které je pojmenová vargulin emitující modré světlo. Varulin se nachází dále u některých zástupců skupiny lasturnatek (Ostracoda) a hlubokomořských ryb (zdroj), d) korýš Pontella securifer (zdroj), e) ďas mořský (Lophius piscatorius) (zdroj)

Význam
Světélkující organismus užívá světlo ke zlepšení své schopnosti vidět a ke komunikaci v tmavých podmínkách, což se týká jednak nočních suchozemských živočichů, jednak hlubokomořských živočichů. V případě dorozumívání se může jednat o komunikaci s ostatními jedinci stejného druhu, např. rozpoznávání členů stejného druhu opačného pohlaví (každý druh světlušky má svůj typ vyzařování), oznámení blízkosti predátora či označení životního prostoru.

Luminiscence může být využita k lákání kořisti nebo ochraně před predátory. Intenzivní a náhlá emise světla v temném okolí dovoluje oslepit a na čas pozastavit predátora adaptovaného na tmu. Produkce světla může zcela odradit predátora od kořisti.

Slabá a dlouhotrvající světelná produkce slouží naopak k maskování. Mnoho mořských organismů (korýši, ryby) má fotofory umístěné na břišních a bočních částech těla orientované směrem dolů. Tyto organismy dokážou sladit intenzitu a barvu produkujícího světla se slunečním světlem přicházejícího od hladiny. Eliminují tak stín a predátoři nacházející se pod nimi je nezpozorují.

Luciferin světlušek (Lympyridae)
Tento typ luciferinu nacházíme u brouků čeledi světluškovitých (Lampyridae). Samičky jsou v trávě a svícením dávají najevo samečkům, že jsou připraveny k páření. V teplých letních měsících svítí samičky při dostatečné tmě asi od 22 hodin do jedné hodiny po půlnoci. Létat umí pouze samci, svítí slaběji než samičky a létají ve výšce několika metrů nad zemí. Pokud zahlédnou svítící samičku, přistanou k ní a proběhne páření. Oba partneři umřou do několika dnů po páření a nakladení vajíček samičkou.

Luciferin byl poprvé izolován r. 1949. Mechanizmem vyzařování je oxidace – změna OH skupiny na benzenovém jádře na aldehydovou skupinu. Při oxidaci se emituje světlo vlnové délky v rozmezí 550–590 nm. Ačkoliv všechny druhy světlušek využívají stejný luciferin je vlnová délka emitovaného světla různá. Závisí mimo jiné na pH prostředí a primární struktuře luciferázy.

                        

Obr. 5: Světluška (Lampyris) (zdroj)

******************************************************************************************
Literatura:
Černý, Jan: Zelený fluorescenční protein, Vesmír 88, 228, 2009/4
Valeur, B.: Molecular fluorescence: principles and applications, Wiley-VCH, 2002
Widder E. A.: Marine bioluminescence, Bioscience explained Vol.1, No1, 2001 (zde)

Withers, P. C.: Comparative Animal Physiology, 1992

www stránky:
Stránky Jana Preislera
   http://bart.chemi.muni.cz/

The Bioluminescence Web Page   http://www.lifesci.ucsb.edu/~biolum/
Biological Science, University of California, Santa Barbara)

Luminiscence v oceánech (zdroj)