Βιοφωταύγεια

Βιοφωταύγεια (ή και βιοφωτισμός) ονομάζεται το φαινόμενο παραγωγής και έκλυσης ορατού φωτός από ζωντανούς οργανισμούς. Η διαδικασία αυτή επιτυγχάνεται μέσω χημικών αντιδράσεων και παρατηρείται σε πληθώρα διαφορετικών οργανισμών όπως βακτήρια, φύκη, μύκητες, ψάρια και έντομα. Το φαινόμενο λαμβάνει χώρα και στο χερσαίο αλλά και στο υδάτινο περιβάλλον με τη θάλασσα να κρατάει τα ηνία και να παρουσιάζει τμήματα όπου η βιοφωταύγεια είναι η κύρια πηγή φωτός (π.χ. μεγάλα βάθη). Η παραγωγή του φωτός γίνεται σχεδόν σε όλες τις περιπτώσεις μέσω οξείδωσης μιας ομάδας χημικών ουσιών που ονομάζονται λουσιφερίνες ή εωσφορίνες (luciferins). Σύμφωνα με τις παρατηρήσεις των επιστημόνων η βιοφωταύγεια αναπτύχθηκε για να εξυπηρετήσει σκοπούς όπως η επικοινωνία, η θήρευση ή η άμυνα των οργανισμών προσφέροντας ορισμένες φορές τρομερά πλεονεκτήματα στους χρήστες του.

Οργανισμοί

Το φάσμα των οργανισμών με την ικανότητα βιοφωταύγειας είναι εντυπωσιακά μεγάλο και περιλαμβάνει ταξινομικές μονάδες με τεράστια ποικιλία και διαφορετικότητα. Ξεκινώντας από θαλάσσια βακτήρια και χερσαίους μύκητες (όπως τα μανιτάρια) φτάνει μέχρι κεφαλόποδα και ψάρια. Ενδιάμεσα συναντώνται, στο θαλάσσιο ενδιαίτημα, ομάδες οργανισμών όπως τα δινομαστιγωτά, τα κνιδόζωα (μέδουσες), τα κτενοφόρα, οι πολύχαιτοι, τα μαλάκια, τα καρκινοειδή, τα εχινόδερμα ακόμα και τα σαλάχια ενώ, στο χερσαίο ενδιαίτημα, εντοπίζονται οργανισμοί όπως τα μυριάποδα και τα κολεόπτερα (πυγολαμπίδες). Ωστόσο, παρατηρούνται και κάποιες περιπτώσεις όπου η παραγωγή φωτός από έναν οργανισμό ενώ φαίνεται να γίνεται από τον ίδιο, γίνεται στην πραγματικότητα από βακτήρια ή άλλους μικροοργανισμούς που το άτομο φιλοξενεί σε κοιλότητες και σημεία του σώματός του. Τέτοιες περιπτώσεις είναι συνήθεις σε κάποια γένη ψαριών και κεφαλόποδων (όπως τα καλαμάρια).

Βιοφωτισμός δινομαστιγωτών με τον κυματισμό.

Τρεις είναι οι ομάδες με ικανότητα βιοφωτισμού που παρατηρούνται συχνότερα από τον άνθρωπο: Οι πυγολαμπίδες, τα δινομαστιγωτά και τα βακτήρια. Ο βασικότερος λόγος είναι η εγγύτητα και ενίοτε η έκταση που εμφανίζεται το φαινόμενο. Για παράδειγμα, τα δινομαστιγωτά είναι υπεύθυνα για την δημιουργία σπάνιων εικόνων στις ακτές και τους  κόλπους όπου βρίσκονται σε αφθονία. Με τον κυματισμό ή την ανατάραξη των νερών τα άτομα των δινομαστιγωτών ενεργοποιούνται ελευθερώνοντας ακτινοβολία και δίνοντας στα νερά ένα λαμπερό γαλάζιο χρώμα.

Ενδιαίτημα

Δεν υπάρχουν περιβάλλοντα που να εμποδίζουν την παραγωγή βιοφωτισμού, υπάρχουν όμως περιβάλλοντα που την ευνοούν. Το σκοτάδι είναι, φυσικά, πάντα απαραίτητο ώστε να είναι τα σήματα εμφανή, οπότε τα ωκεάνια βάθη, όπου το φως είναι ελάχιστο ή ακόμα και παντελώς απόν, ευνοούν την ύπαρξη μηχανισμών όπως αυτός του βιοφωτισμού. Αυτό βέβαια δε σημαίνει την απουσία του φαινομένου από τα ρηχά νερά ή την ξηρά τη νύχτα.

Παραγωγή

Η ευρύτερα εξαπλωμένη μέθοδος για την εκπομπή βιοφωτισμού είναι η οξείδωση μορίων χημικών ουσιών που ονομάζονται λουσιφερίνες (luciferins) παρουσία ενζύμων που ονομάζονται λουσιφεράσες (luciferases). Από την αντίδραση αυτή προκύπτει ένα ασταθές μόριο-προϊόν  το οποίο σε διάστημα νανοδευτερολέπτων απελευθερώνει τη δεσμευμένη ενέργεια με τη μορφή φωτονίου (δηλαδή φωτός). Οι οργανισμοί έχουν την ικανότητα ελέγχου της διαδικασίας ελέγχοντας την δράση των λουσιφερασών ή φωτοπρωτεϊνών, που είναι επίσης ένζυμα με όμοια δράση. Προκειμένου να ενεργοποιηθούν τα ένζυμα αυτά απαιτείται η σύνδεση τους με ιόντα όπως το Ca²⁺ και το Mg²⁺.

Ενώ οι τα μόρια των λουσιφερινών είναι παρόμοια στους οργανισμούς και συντηρημένα μεταξύ διαφορετικών φύλων, εντούτοις, τα μόρια των λουσιφερασών διαφέρουν τόσο που αγγίζουν τη μοναδικότητα για ορισμένες ομάδες. Το γεγονός αυτό αποτελεί και στοιχείο της ανεξάρτητης εμφάνισης και εξέλιξης του βιοφωτισμού στους οργανισμούς.

Χρώμα, ένταση και διάρκεια

Το χρώμα, η ένταση και η διάρκεια του φωτός διαφέρουν και σχεδόν πάντα ελέγχονται πλήρως από τους οργανισμούς που το παράγουν με χημικούς και νευρικούς μηχανισμούς. Όσον αφορά τη διάρκεια, η εκπομπή μπορεί να είναι είτε συνεχής είτε διακοπτόμενη με την συχνότητα να ποικίλει και να παρουσιάζει ακόμα και αναλαμπές με διαφορά από 0,1 μέχρι και 1 δευτερόλεπτα. Για να επιτευχθεί αυτό απαιτείται πλήρης ενζυμικός έλεγχος. Η ένταση του φωτός συνήθως σχετίζεται με την ποσότητα των αντιδρώντων που διαθέτει ο οργανισμός. Το χρώμα είναι και ο πιο σύνθετος παράγοντας. Έχει παρατηρηθεί πληθώρα χρωμάτων στο φάσμα του ορατού φωτός με πολύ συχνό το ιριδίζον γαλαζοπράσινο των 470nm. Η επιλογή του είναι ενεργητική από τους οργανισμούς εξυπηρετώντας διάφορους σκοπούς όπως αναφέρονται παρακάτω. Η επιλογή του γίνεται με την χρήση ουσιών που βρίσκονται στην ίδια περιοχή με την περιοχή παραγωγής του φωτός και έχουν ιδιότητες φωσφορισμού. Έτσι, μετατρέπουν την παραγόμενη ακτινοβολία στο εκάστοτε επιθυμητό χρώμα. Πολλές φορές, είναι το ίδιο το ένζυμο της λουσιφεράσης που μεταβάλει το χρώμα με αλλαγή της αμινοξικής του ακολουθίας, όπως στις πυγολαμπίδες.

Λειτουργία

Οι λόγοι ανάπτυξης του βιοφωτισμού μπορούν να χωριστούν σε τρεις βασικές κατηγορίες: τη θήρευση, την άμυνα και την επικοινωνία. Στις περισσότερες περιπτώσεις δεν είναι μόνο μία η χρήση του. Τονίζεται πως σε ιδανικές σκοτεινές συνθήκες η εκπεμπόμενη ακτινοβολία είναι ορατή σε τεράστιες αποστάσεις, δυσανάλογες με το μέγεθος των οργανισμών που της παράγουν.

Το κυνήγι και η εύρεση θηράματος με τη χρήση του βιοφωτισμού παρουσιάζει ενδιαφέρουσες πτυχές ιδιαίτερα στο θαλάσσιο περιβάλλον. Αρχικά, δίνεται η δυνατότητα προσέλκυσης της λείας. Πληθώρα οργανισμών «μαγνητίζονται» από το έντονο φως, ιδιαίτερα σε συνθήκες απουσίας κάποιας άλλης πηγής φωτός. Στα ανήλια βάθη των ωκεανών η τεχνική αυτή χρησιμοποιείται από ομάδες οστεϊχθύων. Επίσης, υπάρχει η πιθανότητα χρήσης αναλαμπών και ξαφνικών λάμψεων από έναν θηρευτή ώστε να αποπροσανατολίσει και να αποδιοργανώσει τη λεία του όπως το καλαμάρι του γένους Taningia.

Η άμυνα και η αποφυγή θήρευσης φαίνεται να παρουσιάζει ακόμα περισσότερες εφαρμογές επίσης στο θαλάσσιο ενδιαίτημα. Μια ξαφνική λάμψη από τη λεία μπορεί να αποπροσανατολίσει έναν θηρευτή, δημιουργώντας σύγχυση και μειώνοντας την ικανότητα όρασης. Ο αντιφωτισμός είναι ακόμα μια εφαρμογή που σκοπεύει στο καμουφλάρισμα των οργανισμών από θηρευτές μεγαλύτερων βαθών που εντοπίζουν της σκιά της λείας τους κοιτώντας προς την επιφάνεια των νερών. Τα φωτοφόρα (τα κύτταρα από όπου εκπέμπεται η ακτινοβολία) βρίσκονται εδώ στην κοιλιακή χώρα των ζώων. Επιπλέον, έχουν καταγραφεί περιπτώσεις όπου η χρήση του βιοφωτισμού χρησιμοποιείται ώστε να προειδοποιήσει για την τοξικότητα του χρήστη και άλλες όπου η λεία στοχεύει στη αποθάρρυνση του θηρευτή να την πλησιάσει και να τη θηρεύσει «αφήνοντας» τον να τραφεί με κομμάτια που συνεχίζουν να ακτινοβολούν ακόμα και μετά την αποκόλληση από τον αρχικό οργανισμό θέτοντας έτσι τον θηρευτή σε ευάλωτη θέση σε σχέση με κάποιον μεγαλύτερο.

Τρίτη εφαρμογή είναι η επικοινωνία. Ο βιοφωτισμός εδώ κατέχει θέση περίοπτη στις πυγολαμπίδες κατά τη διάρκεια της αναπαραγωγικής περιόδου και του ζευγαρώματος όπου τα φωτεινά σινιάλα προσελκύουν και γοητεύουν το κατάλληλο ταίρι. Στην περίπτωση της επικοινωνίας η εξειδίκευση είναι και η μεγαλύτερη καθώς πολλές φορές στοχεύει αποκλειστικά στην ενδοειδική υπόστασή της.