Twoja wyszukiwarka

MACIEJ PSZCZÓŁKOWSKI
ŚWIATEŁKA ŻYCIA I ŚMIERCI/ROBACZKI ŚWIĘTOJAŃSKIE
Wiedza i Życie nr 3/1996
Artykuł pochodzi z "Wiedzy i Życia" nr 3/1996

Biochemia luminescencji

Noc świętego Jana to, wbrew nazwie, czas pogańskich wróżb, ognisk i szukających samotności zakochanych par. Niektórzy wybierający się do lasu w poszukiwaniu kwiatu paproci, przy odrobinie szczęścia, mogą spotkać małego owada, świecącego zimnym, zielonkawym światłem - robaczka świętojańskiego. Znaleźć go można na przełomie czerwca i lipca, na trawiastych obrzeżach wilgotnych lasów mieszanych, śródleśnych polanach, a także w zaroślach parków i zaniedbanych ogrodach, nawet w dużych miastach.

Różnice w budowie ciała samca i samicy iskrzyka Lamprohiza splendidula.Samica jest niezdolna do lotu i przypomina larwę, samiec natomiast potrafi wytrwale latać

Mianem robaczka świętojańskiego określa się bezskrzydłe samice chrząszczy z rodziny świetlikowatych (Lampyridae). Rodzina ta reprezentowana jest przez ponad 2000 gatunków, żyjących głównie w tropikach. W Polsce spotykamy trzy gatunki świetlikowatych: Lampyris noctiluca, Phausis splendidula oraz Phosphaenus hemipterus. U dwóch pierwszych występują duże różnice w budowie ciała obu płci (dymorfizm płciowy). Samice są niezdolne do lotu i przypominają larwy. Samce mają postać typowego chrząszcza i potrafią wytrwale latać. U trzeciego z wymienionych gatunków obie płcie są niezdolne do lotu. Nielotne postacie świetlików mają miękkie pokrywy ciała i przypominają robaki -zapewne stąd pochodzi popularna, choć nieprawidłowa nazwa tych chrząszczy: robaczek świętojański.

Zdolnością świecenia obdarzone są zarówno samce, jak i samice. U niektórych gatunków (zwłaszcza tropikalnych) świecą również larwy, a nawet jaja. Reakcja chemiczna, dzięki której zachodzi bioluminescencja, polega na utlenianiu związku chemicznego zwanego lucyferyną w komórkach narządów świecących. U świetlików europejskich narządy świecące znajdują się po stronie brzusznej, w rejonie kilku ostatnich segmentów odwłokowych. Narząd świecący jest anatomiczną pochodną ciała tłuszczowego (rola, jaką pełni u owadów ciało tłuszczowe przypomina funkcje wątroby u kręgowców). Składa się z kilku warstw komórek produkujących światło, zwanych fotocytami. Leżą one w bezpośrednim sąsiedztwie przezroczystych, pozbawionych pigmentu płytek pancerza. Fotocyty owadów dorosłych sąsiadują z bardzo dobrze rozwiniętym układem tchawek, które zaopatrują je w tlen. Światło produkowane przez fotocyty jest odbijane przez swoisty reflektor - warstwę komórek zawierających kryształki kwasumoczowego.


Samica świetlika Lampyris noctiluca w pozie "wołania"

Świetliki potrafią zmieniać zarówno intensywność świecenia, jak i barwę światła. Intensywność świecenia u świetlików jest regulowana przez układ nerwowy. Uczeni nie są zgodni co do mechanizmu tej regulacji. Prawdopodobnie impulsy przekazywane przez nerwy zwężają lub rozszerzają tchawki, zmieniając dopływ tlenu do fotocytów i w ten sposób regulując intensywność bioluminescencji. Mechanizmy, dzięki którym zmienia się barwa emitowanego światła nie są znane. Przypuszcza się, że duże znaczenie ma tu chemiczna budowa substratów reakcji bioluminescencji oraz pH cytoplazmy fotocytów.

Biologiczne znaczenie świecenia przejawia się w rytuałach godowych świetlików. Najlepiej zbadano rolę bioluminescencji w zalotach amerykańskich świetlików z rodzaju Photinus, bliskich krewniaków naszego Lampyris noctiluca. Samce latają o zmierzchu lub nocą, na wysokości około 0.5 metra nad ziemią, wysyłając krótkie pojedyncze błyski w regularnych odstępach czasu. Nielotna samica wspina się wówczas na źdźbło trawy i gdy ujrzy świetlny sygnał samca przelatującego3-4 metry obok - odpowiada serią krótkich błysków o dużej częstotliwości. Samiec, który odebrał odpowiedź samicy, zaczyna krążyć wokół niej i chrząszcze powtarzają rytuał wymiany informacji jeszcze kilka razy. Wreszcie samiec odnajduje samicę i podejmuje próbę kopulacji.
Oczy samic świetlików są mało sprawne i nie zapewniają ostrego widzenia, m.in. dlatego, że składają się z zaledwie 500-800 fasetek (małych "oczek",z których każde ma własną soczewkę). Samce widzą nieco lepiej (mają ok. 2500 fasetek w jednym oku). Dla porównania oczy świetnie widzących ważek mają do 28 000 fasetek. Świetliki widzą głównie światło emitowane przez partnera, a nie zarysy jego tułowia. Poszczególne gatunki mało różnią się pod względem morfologicznym. W tej sytuacji obie płcie rozpoznają osobniki należące do własnego gatunku dzięki temu, że barwa emitowanego światła oraz częstotliwości błysków jest specyficzna gatunkowo.

Niestety, taki sposób rozpoznawania partnera bywa niebezpieczny. Nielotne samice amerykańskich świetlików z rodzaju Photuris są bowiem drapieżne. Aby zdobyć pokarm imitują sposób błyskania samic pokrewnego gatunku z rodzaju Photinus. Przywabione w ten sposób samce Photinus padają ich ofiarą. Świętojańska noc nie dla wszystkich par kończy się szczęśliwie.

BIOCHEMIA LUMINESCENCJI

Światło emitowane jest w reakcji utleniania lucyferyny, katalizowanej przez enzym lucyferazę - białko o ciężarze cząsteczkowym rzędu 50 kD. Reakcja utleniania wymaga udziału ATP, jonów magnezu i - oczywiście - dopływu tlenu. Barwa emitowanego światła waha się od 560 nm (zielonożółta) do 640 nm (ciemnoczerwona) i zależy od rodzaju podstawników w cząsteczce lucyferyny oraz pH roztworu. Długość emitowanej fali skraca się wraz ze wzrostem zasadowości. Zmiany intensywności świecenia mogą wynikać z kinetyki reakcji bioluminescencji, która zależy od stężenia ATP. Jeśli stężenie ATP utrzymuje się na poziomie 0.2 µmoli - reakcja zachodzi w sposób ciągły, ale podwyższenie stężenia do 2 µmoli powoduje, że przebiega ona w postaci kilkunastosekundowych pulsów.

Badania biochemiczne nad procesem luminescencji u owadów rozpoczął Du Bois w 1885 roku. Termin lucyferyna został wprowadzony przez niego dwa lata później. W toku dalszych badań stwierdzono, że cykl luminescencji jest odgałęzieniem typowego, komórkowego cyklu oddechowego, w którym energię magazynuje się w postaci wysokoenergetycznych wiązań ATP (adenozyno-trójfosforanu). Ekwiwalentem kwantu światła o długości fali 500 nm jest energia wiązań chemicznych 6 cząsteczek ATP.

Lucyferynę bakteryjną zidentyfikowano jako alifatyczny aldehyd R-CHO. Natura lucyferyny grzybowej nie została dotychczas poznana, dlatego oznacza się ją jako X.

W przypadku bakterii cykl bioluminescencji rozpoczyna się od zredukowania FMN (flawinomononukleotydu) do FMNH2, który następnie tworzy kompleks z lucyferazą. Dalej w obecności tlenu dochodzi do utlenienia lucyferyny R-CHO do kwasu R-COOH oraz utlenienia FMNH2 z powrotem do FMN, co powoduje aktywację enzymu lucyferazy. Wzbudzona lucyferaza, wracając do poprzedniego stanu, wydziela foton.

Proces świecenia u grzybów nie wymaga obecności przekaźników elektronów w rodzaju FMN. Rozpoczyna się od zredukowania cząsteczki lucyferyny tj. przyłączenia do niej wodoru. Następnie w obecności lucyferazy i tlenu lucyferyna jest utleniana, a lucyferaza zostaje wzbudzona i, wracając do stanu podstawowego, wysyła foton o długości fali w zakresie 520-530 nm.
Do początku artykułu...

O podobnych zagadnieniach przeczytasz w artykułach:
Światła w morskich głębinach
Luminescencja grzybów
Zagadka świecących bakterii