Bioluminiscență este producerea și emisia de lumină de către un organism viu printr - o reacție chimică în care energia chimică este transformată în energie luminoasă.
Cuvântul provine din termenul grecesc bios care înseamnă viață și din termenul latin lumen , lumină .
Bioluminiscența este o formă de luminescență , producând așa-numita lumină rece, deoarece mai puțin de 20% din lumină generează căldură. Nu trebuie confundat cu fluorescența , fosforescența luminii emise.
Bioluminiscența poate fi generată de organisme simbiotice găzduite într-un organism mai mare. Compusul chimic care cauzează luminescența este luciferina . Aceasta emite lumină prin oxidare datorită intervenției luciferazei , o enzimă . Reacția chimică poate avea loc în interiorul sau în afara celulei. La bacterii , expresia genelor legate de bioluminiscență este controlată de un operon numit operon lux .
S-a demonstrat că 76% dintre organismele pelagice sunt cunoscute a fi bioluminescente și că de la suprafață până la 4000 m adâncime.
Fenomenul bioluminescenței este un caz special de chemiluminescență . Are loc în timpul unei reacții chimice de oxidare . Fiecare ființă vie produce lumină într-un mod diferit, dar toate urmează un model comun: oxidarea compușilor organici induce emisia de fotoni .
Trei actori principali sunt implicați în reacția chimică. Luciferină este substratul oxidat în prezența oxigenului . Luciferaza este o enzimă care acționează drept catalizator de reacție. Substratul este uneori activat în prealabil prin furnizarea de energie cu ajutorul ATP (această reacție de oxidare indirectă este, de exemplu, observată în licurici ).
Majoritatea emisiilor de lumină marină aparțin spectrului vizibil de albastru și verde , lungimi de undă care pot fi transmise cu ușurință prin apă. Mai rar, unele specii emit în roșu sau în infraroșu .
Bioluminiscența non-marină este mai rară, dar permite o varietate mai mare de culori. Cele mai cunoscute forme de bioluminiscență terestră sunt cele ale Lampyridae , cum ar fi viermii strălucitori și licuricii , dar facultățile de bioluminescență au fost descrise la alte insecte , arahnide și unele ciuperci .
Pielea umană emite, de asemenea, lumină prin bioluminiscență, dar într-o cantitate atât de mică încât poate fi văzută doar de camerele extrem de sensibile.
Există cinci teorii principale pentru evoluția caracterului de bioluminiscență:
Deși poate părea paradoxal, unii pești ( de exemplu: diafană securea de argint ) sau Euprymna scolopes calmar utilizare bioluminiscență pentru camuflaj scopuri . Într-adevăr, la adâncimi medii, prădătorii își văd prada de dedesubt, silueta acestora din urmă prindând formă ca umbrele chinezești în lumina slabă care vine de la suprafață. Unii pești își ascund silueta de prădătorii de sub ei datorită bioluminiscenței produse pe suprafața lor ventrală, care simulează lumina de la suprafață.
Bioluminiscența poate fi, de asemenea, utilizată ca momeală de diferite specii abisale, cum ar fi anumite lofiiforme . Un apendice luminos atârnând și extinzându-se deasupra capului peștilor face astfel posibilă atragerea animalelor mici la o distanță care permite atacul. Viperfish macouni Chauliodus că oamenii adâncurile oceanului între 1 și 2 de km , are in gura lui, un corp fluorescent, permițându-i să atragă prada.
O altă funcție a bioluminescenței este atracția partenerilor sexuali. Se găsește în special în lampirele care folosesc un fulger periodic în abdomen pentru a-și atrage partenerul în timpul reproducerii .
Plancton bioluminescente, găsit în apele curate , cum ar fi coasta de nord Bretania în apropierea Saint-Malo , rezervele în Corsica și sud - estul Franței Porquerolles ... microorganismele planctonul componente folosesc bioluminiscență pentru a fi mai bine văzut de pește: peștele, atras de aceste lumini, ajunge și le înghite. Planctonul se reproduce mai repede în abdomenul peștilor decât în apa din jur (prezența bacteriilor, temperatură mai mare etc.). Dacă amestecați apa de mare într-un loc protejat de poluarea luminoasă, puteți vedea cu ușurință apariția unor mici puncte verzi. O mare parte din această lumină se datorează fitoplanctonului bioluminiscent .
Unii calamari și crustacei mici - câteva specii de Ostracods , de exemplu - folosesc amestecuri chimice bioluminescente (de asemenea nămol de bacterii bioluminescente) pentru a respinge atacurile prădătorilor în același mod în care mulți calamari folosesc cerneală : un nor de luminescență este expulzat confuz sau respingând un potențial prădător permițând astfel calmarului sau crustaceului să scape în deplină siguranță. La fel, zooplanctonul produce fulgere de lumină prin bioluminiscență pentru a-și confunda prădătorii.
Bioluminiscența ar putea juca, de asemenea, un rol direct în comunicarea dintre bacterii (a se vedea sensul cvorumului ). De asemenea, induce simbioza între bacterii și o specie gazdă și poate juca un rol în agregarea coloniilor .
Această funcție se referă în principal la speciile abisale, de fapt, în profunzime, lumina nu mai trece sau aproape nu mai este și, prin urmare, iluminarea câmpului vizual este esențială. Astfel, organismul este atât un emițător, cât și un receptor al luminii sale.
Unele specii, precum Monkfish abisal al lui Johnson , au un apendice bioluminiscent în fața capului pentru a ilumina spațiul înconjurător.
Începând din 2018, șapte tipuri de structuri proteice sunt cunoscute a fi implicate în producția de bioluminescență, cele mai cunoscute fiind luciferina și luciferaza.
Bioluminiscența poate fi împărțită în trei tipuri principale: bioluminiscența intracelulară, extracelulară și cea a bacteriilor simbiotice.
Bioluminiscența intracelulară este generată de celule specializate din corp (numite fotocite) ale anumitor specii multicelulare a căror lumină este emisă în exterior prin piele sau intensificată de lentile și materiale reflectorizante (cum ar fi cristalele de urat ale licuricii. Sau plăcile de guanină ale unor pești) . Acest tip de bioluminescență este cel al multor specii de calmar .
Bioluminiscența extracelulară este produsă din reacția dintre luciferină și luciferază , o enzimă . Odată sintetizată, fiecare componentă este stocată în sau sub glande din piele. Expulzarea și amestecarea fiecărui reactiv în exterior produce „nori de lumină”. Acest tip de bioluminescență este comun unor specii de crustacee și cefalopodelor abisale.
Acest fenomen este cunoscut doar la animalele marine, cum ar fi ctenofori , cnidari , viermi , moluște , echinoderme și pești . Se pare că este cel mai răspândit tip de bioluminescență în regnul animal .
În diferite locuri ale corpului, animalele au vezicule mici, denumite în mod obișnuit felinare (în), care conțin bacterii luminescente. Unele specii produc lumină continuă, a cărei intensitate poate fi neutralizată sau modulată folosind diverse structuri specializate. Organele luminoase sunt în general conectate la sistemul nervos, ceea ce permite animalului să controleze emisiile de lumină.
Bioluminiscența este ținta multor domenii de cercetare. Utilizarea luciferazei este larg răspândită în ingineria genetică ca genă marker . Poate, de exemplu, să joace un rol important în diagnosticul bolilor sau în detectarea bacteriilor dintr-un produs. În biotehnologie, bioluminiscența a permis dezvoltarea ATPmetry . Acest lucru se datorează faptului că luciferaza este, de asemenea, capabilă să reacționeze cu adenozin trifosfat (sau ATP). Prin urmare, face posibilă cuantificarea biomasei dintr-o probă folosind un dispozitiv numit luminometru care măsoară intensitatea luminii. Această metodă este adesea utilizată pentru a cunoaște rata de contaminare a unui lichid fiziologic. De exemplu, în domeniul medical este posibil să se detecteze nivelul alcoolismului sau al afecțiunilor hepatice deoarece nivelul ATP scade, sau în industria alimentară este posibil să se observe prezența bacteriilor în timpul controalelor.igienă și sterilizare.
Bacteriile din genul Vibrio , care trăiesc în simbioză cu multe nevertebrate marine , cum ar fi scuopii Euprymna de sepie sau pești, sunt un model experimental cheie în studiul simbiozei , detectării cvorumului și bioluminescenței.
Un cuplu de biologi francezi, Rose-Marie și Ghislain Auclair, au avut între timp ideea de a crea plante luminoase pentru a înlocui iluminatul public: „Ideea este să altoiți genele animalelor luminoase, cum ar fi licuricii sau meduzele, pe plante. [...] Tehnologia noastră răspunde atât lipsei de verdeață din orașe, cât și problemei poluării luminoase. „ Start-up-ul lor, fondat în 2016, va crea, de asemenea, un iluminat mai moale în parcurile urbane și marcaje luminoase pentru traseele de biciclete, precum și pereți verzi.