Bioluminescerende organismer har utviklet seg flere titalls ganger i løpet av livshistorien. Hvilken biokjemi er nødvendig for å lyse opp mørket? Ulike studier er viet til dette problemet. Stup dypt nok ned i havdypet, så ser du ikke mørke, men lys. 90% av fisken og livet i havet som trives på 100 eller 1000 meters dyp, er i stand til å produsere sitt eget lys. Lommelyktfisk jakter og kommuniserer ved hjelp av en slags morskode sendt med lette lommer under øynene. Fisk av familien Platytroctidae skyter glødende blekk på sine angripere. Hatchet fisk gjør seg usynlige ved å avgi lys i underlivet for å simulere synkende sollys; rovdyr ser på dem og ser bare en kontinuerlig glød.
Forskere har indeksert tusenvis av bioluminescerende organismer i hele livets tre og forventer å legge til flere. De har imidlertid lenge lurt på hvordan bioluminescens ble. Nå, som nylig publiserte studier viser, har forskere gjort betydelig fremgang med å forstå opprinnelsen til bioluminescens - både evolusjonært og kjemisk. Ny innsikt kan en dag tillate bioluminescens å bli brukt i biologisk og medisinsk forskning.
En av de langvarige utfordringene er å bestemme hvor mange ganger en enkelt bioluminescens har oppstått. Hvor mange arter kom til henne uavhengig av hverandre?
Mens noen av de mest kjente eksemplene på lys i levende organismer er landlige - tenk ildfluer, for eksempel - skjedde de fleste evolusjonshendelser knyttet til bioluminescens i havet. Bioluminescens er praktisk talt og tilsynelatende fraværende i alle terrestriske virveldyr og blomstrende planter.
I havdypet gir lys organismer en unik måte å tiltrekke seg byttedyr, kommunisere og forsvare seg, sier Matthew Davis, en biolog ved Saint Cloud State University i Minnesota. I en studie publisert i juni fant han og kollegene at fisk som bruker lys for å kommunisere og signalisere frieri var spesielt vanlig. I løpet av en periode på rundt 150 millioner år - ikke lenge etter evolusjonære standarder - har slike fisk spredd seg vidt til flere arter enn andre fisk. Bioluminescerende arter, som bare brukte lyset sitt til kamuflasje, var derimot ikke like forskjellige.
Ekteskapssignaler kan endres relativt enkelt. Disse endringene kan på sin side skape undergrupper i befolkningen, som til slutt deles opp i unike arter. I juni publiserte Todd Oakley, en evolusjonsbiolog ved University of California, Santa Barbara, og en av studentene hans, Emily Ellis, en studie som viste at organismer som bruker bioluminescens som paringssignaler hadde mange flere arter og en raskere artsoppsamling enn deres nære slektninger som ikke bruker lys. Oakley og Ellis studerte ti grupper av organismer, inkludert ildfluer, blekksprut, hai og ørsmå leddyr, ostracods.
Davis og hans kollegers forskning var begrenset til strålefinnfisk, som utgjør omtrent 95% av fiskeartene. Davis beregnet at selv i denne gruppen utviklet bioluminescens seg minst 27 ganger. Stephen Haddock, en marinbiolog ved Monterey Bay Aquarium Research Institute og en ekspert på bioluminescens, anslått at blant alle livsformer dukket bioluminescens uavhengig ut minst 50 ganger.
Salgsfremmende video:
Mange måter å tenne på
I nesten alle lysende organismer krever bioluminescens tre ingredienser: oksygen, det lysemitterende pigmentet luciferin (fra det latinske ordet lucifer, som betyr "bære lys"), og enzymet luciferase. Når luciferin interagerer med oksygen - via luciferase - danner det en opphisset, ustabil komponent som settet avgir, og går tilbake til en tilstand med lavere energi.
Merkelig nok er det langt færre luciferiner enn luciferase. Selv om arter har en tendens til å ha en unik luciferase, er det veldig mange som har samme luciferin. Bare fire luciferiner er ansvarlige for å produsere mest mulig lys i havet. Av de nesten 20 gruppene av bioluminescerende organismer i verden, avgir ni av lys fra luciferin kalt coelenterazin.
Imidlertid ville det være en feil å tro at alle organismer som inneholder coelenterazin, stammet fra en lysende stamfar. Hvis det var tilfelle, hvorfor skulle de utvikle et så bredt spekter av luciferase, spør Warren Francis, en biolog ved Ludwig Maximilian University i München. Antagelig burde det første paret av luciferin-luciferase ha overlevd og mangedoblet.
Det er også sannsynlig at mange av disse artene ikke produserer coelenterazin på egen hånd. I stedet får de det fra kostholdet, sier Yuichi Oba, professor i biologi ved Chubu University i Japan.
I 2009 oppdaget et team ledet av Oba at et dyphavs krepsdyr (copepoder) - et lite, utbredt krepsdyr - gjorde sitt coelenterazine. Disse krepsdyrene er en ekstremt rik matkilde for et bredt spekter av marine dyr - så rikelig at de kalles "ris i havet" i Japan. Han tror disse krepsdyrene er nøkkelen til å forstå hvorfor så mange marine organismer er bioluminescerende.
Både og kollegene hans tok aminosyrer, som antas å være byggesteinene i coelenterazin, merket dem med en molekylær markør og lastet dem i mat for copepods. Så matet de denne maten til krepsdyr på laboratoriet.
Etter 24 timer hentet forskerne coelenterazin fra krepsdyrene og så på markørene som ble tilsatt. Det var klart de var overalt - noe som var det ultimate beviset på at krepsdyr syntetiserte luciferinmolekyler fra aminosyrer.
Selv ikke manetene som først oppdaget coelenterazine (og ble oppkalt etter) produserer ikke sine egne coelenterazine. De får luciferinet ved å spise krepsdyr og andre små krepsdyr.
Mystisk opprinnelse
Forskere har funnet en annen ledetråd som kan bidra til å forklare populariteten til coelenterazin blant dyphavsdyr: Dette molekylet finnes også i organismer som ikke avgir lys. Dette slo Jean-François Ries, en biolog ved det katolske universitetet i Leuven i Belgia, som underlig. Det er overraskende at "så mange dyr er avhengige av det samme molekylet for å produsere lys," sier han. Kanskje har coelenterazine andre funksjoner i tillegg til luminescens?
I forsøk med rotter leverceller, viste Reese at coelenterazine er en potent antioksidant. Hans hypotese: Coelenterazine kan ha spredd seg først blant marine organismer som lever i overflatevann. Der kan antioksidanten gi den nødvendige beskyttelsen mot de oksidative virkningene av skadelig sollys.
Da disse organismene begynte å kolonisere dypere havvann, der behovet for antioksidanter er lavere, kom muligheten for coelenterazin til å avgi lys nyttig, antydet Reese. Over tid har organismer utviklet forskjellige strategier - som luciferase og spesialiserte lysorganer - for å forbedre denne kvaliteten.
Forskere har imidlertid ikke funnet ut hvordan andre organismer, ikke bare Oba-copepodene, lager coelenterazin. Generene som koder for coelenterazin er også helt ukjente.
Ta for eksempel kamgelé. Disse gamle sjødyrene - som av noen er ansett for å være den første grenen av dyretreet - har lenge vært mistenkt for å produsere coelenterazin. Men ingen har klart å bekrefte dette, enn si å identifisere spesifikke genetiske instruksjoner på jobben.
I fjor ble det imidlertid rapportert at en gruppe forskere ledet av Francis og Haddock kom over et gen som kan være involvert i syntesen av luciferin. For å gjøre dette studerte de transkriptomene fra ctenophores, som er øyeblikksbilder av genene som et dyr uttrykker i et gitt øyeblikk. De lette etter gener kodet for en gruppe på tre aminosyrer - de samme aminosyrene som Oba matet til copepodene hans.
Blant 22 arter av bioluminescerende ctenoforer har forskere funnet en gruppe gener som samsvarer med kriteriene deres. Disse samme genene var fraværende i to andre ikke-luminescerende ctenofore arter.
Ny verden
Den genetiske mekanismen for bioluminescens har anvendelser utenfor evolusjonsbiologien. Hvis forskere kan isolere genene for luciferin- og luciferasepar, kan de potensielt få organismer og celler til å gløde, av en eller annen grunn.
I 1986 modifiserte forskere ved University of California i San Diego og innlemmet ildflue-luciferasegenet i tobakkplanter. Studien ble publisert i tidsskriftet Science, med en av disse plantene som gløder uhyggelig mot en mørk bakgrunn.
Denne planten produserer ikke lys av seg selv - den inneholder luciferase. Men for at denne tobakken skal gløde, må den vannes med en løsning som inneholder luciferin.
Tretti år senere har forskere fortsatt ikke vært i stand til å lage selvlysende organismer ved hjelp av genteknologi, fordi de ikke kjenner de biosyntetiske traséene for de fleste luciferiner. (Det eneste unntaket ble funnet hos bakterier: Forskere klarte å identifisere glødegenene som koder for bakterien luciferin-luciferasesystem, men disse genene må modifiseres for å være nyttige for enhver organisme som ikke er bakteriell.)
En av de største potensielle bruksområdene av luciferin og luciferase i cellebiologi er å innlemme dem som pærer i celler og vev. Denne typen teknologi vil være nyttig for sporing av celleplassering, genuttrykk, proteinproduksjon, sier Jennifer Prescher, professor i kjemi ved University of California i Irvine.
Bruken av bioluminescensmolekyler vil være like nyttig som bruken av et lysstoffrør, som allerede brukes til å overvåke utviklingen av HIV-infeksjoner, for å visualisere svulster og spore skade på nerveceller ved Alzheimers sykdom.
Foreløpig må forskere som bruker luciferin for avbildingseksperimenter lage en syntetisk versjon av det, eller kjøpe det til $ 50 per milligram. Det er også vanskelig å introdusere luciferin fra utsiden i cellen - det ville ikke være noe problem hvis cellen kunne lage sitt eget luciferin.
Forskning fortsetter og definerer gradvis evolusjonære og kjemiske prosesser for hvordan organismer produserer lys. Men det meste av den bioluminescerende verdenen er fremdeles i mørket.
Ilya Khel
