Câu đố về tự nhiên: Sự phát quang sinh học

2024 Tác giả: Seth Attwood | [email protected]. Sửa đổi lần cuối: 2023-12-16 16:20

Phát quang sinh học là khả năng của các sinh vật sống phát sáng bằng chính protein của chúng hoặc với sự trợ giúp của vi khuẩn cộng sinh.

Ngày nay, khoảng 800 loài sinh vật phát sáng được biết đến. Hầu hết chúng sống ở biển. Đó là vi khuẩn, tảo trùng roi đơn bào, động vật ăn sống phóng xạ, nấm, động vật phù du và động vật sống kèm, siphonophores, lông biển, ctenophores, da gai, giun, động vật thân mềm, giáp xác, cá.

Một số loài động vật phát sáng rực rỡ nhất là pyrosomes (bọ lửa). Trong số các loài phát quang sinh học nước ngọt, loài nhuyễn thể chân bụng ở New Zealand Latia neritoides và một số vi khuẩn được biết đến. Trong số các sinh vật trên cạn, một số loài nấm, giun đất, ốc sên, chuột rút và côn trùng phát sáng.

Ở cấp độ vi mô, một ánh sáng rất yếu, mà chúng ta chỉ có thể đăng ký với sự trợ giúp của quang kế có độ nhạy cao, là một tác dụng phụ của việc vô hiệu hóa các loại oxy phản ứng bởi các enzym, cần thiết, nhưng độc hại đối với tế bào, là những người tham gia quá trình oxy hóa glucozơ. Chúng cũng cung cấp năng lượng cần thiết để phát quang hóa học cho các protein phosphor khác nhau.

Một trong những chiếc đèn vi khuẩn đầu tiên - một chiếc bình có nuôi cấy vi khuẩn phát sáng - đã được nhà thực vật học và vi sinh vật học người Hà Lan Martin Beijerinck tiêu khiển cách đây hơn một trăm năm. Vào năm 1935, những chiếc đèn như vậy thậm chí còn chiếu sáng hội trường lớn của Viện Hải dương học Paris, và trong chiến tranh, nhà vi sinh vật học Liên Xô A. A. Egorova đã sử dụng vi khuẩn phát sáng cho mục đích thuần túy - để chiếu sáng phòng thí nghiệm.

Và bạn có thể thực hiện một thí nghiệm tương tự: đặt cá hoặc thịt sống vào một nơi ấm áp, đợi một hoặc hai tuần, rồi đến vào ban đêm (từ hướng gió!) Và xem điều gì sẽ xảy ra - rất có thể là vi khuẩn sinh sống. môi trường dinh dưỡng sẽ phát sáng với một ánh sáng thế giới khác. Vi khuẩn, chủ yếu thuộc các chi Photobacterium và Vibrio, và các sinh vật phù du đa bào (trong ảnh) phát sáng dưới biển, nhưng nguồn ánh sáng chính là một trong những sinh vật đơn bào lớn nhất (lên đến 3 mm!) Và các sinh vật đơn bào phức tạp - tảo trùng roi của đêm nhẹ.

Ở vi khuẩn, protein phosphor nằm rải rác khắp tế bào; ở sinh vật nhân thực đơn bào (có nhân tế bào), chúng nằm trong các túi được bao bọc bởi một lớp màng trong tế bào chất. Ở động vật đa bào, ánh sáng thường được phát ra bởi các tế bào đặc biệt - tế bào quang, thường được nhóm lại thành các cơ quan đặc biệt - tế bào quang điện.

Tế bào quang của động vật sống và động vật nguyên thủy khác, cũng như tế bào quang hoạt động do vi khuẩn quang cộng sinh, phát sáng liên tục hoặc trong vài giây sau khi được kích thích cơ học hoặc hóa học. Ở động vật có hệ thần kinh ít nhiều phát triển, nó điều khiển hoạt động của tế bào quang, tắt và bật chúng để đáp ứng với các kích thích bên ngoài hoặc khi môi trường bên trong cơ thể thay đổi.

Ngoài tuyến nội bào, ở tôm biển sâu, bạch tuộc, mực nang và mực còn có kiểu chế tiết phát sáng: hỗn hợp các sản phẩm tiết của hai tuyến khác nhau được phóng ra từ lớp áo hoặc từ dưới vỏ và phát tán trong nước như mây sáng chói mắt kẻ thù.

Một ví dụ cổ điển khác về hiện tượng phát quang sinh học là thối gỗ. Không phải bản thân cây phát sáng trong chúng mà là sợi nấm của nấm mật thông thường.

Và ở các loại nấm bậc cao thuộc chi Mycena, cũng mọc trên cây thối rữa, nhưng ở những vùng ấm áp như Brazil và Nhật Bản, quả thể phát sáng - thường được gọi là nấm (mặc dù nấm mốc, nấm men và các loại nấm khác cũng là nấm, chỉ là nấm thấp hơn). Một trong những loài thuộc chi này được gọi là M. lux-coeli, "mycene - ánh sáng thiên đường."

Ứng dụng nổi bật nhất của phát quang sinh học là tạo ra động vật và thực vật chuyển gen. Con chuột đầu tiên có gen GFP được đưa vào nhiễm sắc thể được tạo ra vào năm 1998.

Protein phát sáng là cần thiết để thực hiện các kỹ thuật đưa các gen ngoại lai vào nhiễm sắc thể của các sinh vật khác nhau: nếu nó phát sáng có nghĩa là phương pháp này hoạt động, bạn có thể sử dụng nó để đưa gen mục tiêu vào bộ gen. Con cá phát sáng đầu tiên - cá ngựa vằn chuyển gen (Brachydanio rerio) và cá gạo medaka Nhật Bản (Orizias latipes) - đã được bán vào năm 2003.

Biển phát sáng

Những ai may mắn được bơi ở biển vào ban đêm khi nó rực sáng sẽ nhớ mãi cảnh tượng mê hồn này. Thông thường, nguyên nhân gây ra sự phát sáng là do tảo trùng roi của đèn ngủ (Noctiluca). Trong một số năm, số lượng của chúng tăng lên nhiều đến mức cả vùng biển phát sáng. Nếu bạn không may mắn đến bờ biển ấm không đúng lúc, hãy thử đổ nước biển vào một cái lọ và thêm một chút đường vào đó.

Những người thích ăn đêm sẽ phản ứng với điều này bằng cách tăng hoạt động của protein luciferin. Lắc nước lên và chiêm ngưỡng ánh sáng hơi xanh. Và khi dừng lại để chiêm ngưỡng, bạn có thể nhớ rằng mình đang xem xét một trong những bí ẩn chưa được giải đáp của tự nhiên: sự thiếu rõ ràng của các cơ chế tiến hóa dẫn đến sự xuất hiện của khả năng phát sáng ở nhiều đơn vị phân loại khác nhau đã được ghi nhận trong một chương riêng của Nguồn gốc của các loài”của Darwin, và kể từ đó các nhà khoa học đã không thể làm sáng tỏ câu hỏi này là ánh sáng của sự thật.

Sự phát quang có thể đã phát triển ở các sinh vật sống trong điều kiện ánh sáng tốt, dựa trên các hợp chất sắc tố thực hiện chức năng bảo vệ ánh sáng.

Nhưng sự tích tụ dần dần của một đặc điểm - một photon mỗi giây, hai, mười - đối với cả chúng và những họ hàng sống về đêm và sống ở biển sâu của chúng không thể ảnh hưởng đến chọn lọc tự nhiên: ánh sáng yếu như vậy thậm chí không thể cảm nhận được bằng những đôi mắt nhạy cảm nhất, và Sự xuất hiện của các cơ chế phát sáng cường độ cao được tạo sẵn trên vị trí trần trụi dường như cũng không thể. Và ngay cả chức năng của sự phát sáng ở nhiều loài vẫn không thể hiểu được.

Tại sao chúng phát sáng?

Khuẩn lạc vi khuẩn và nấm phát sáng thu hút côn trùng làm lây lan vi trùng, bào tử hoặc sợi nấm. Ấu trùng ăn côn trùng của loài muỗi Arachnocampa ở New Zealand đan lưới bẫy và tự phát sáng trên cơ thể chúng, thu hút côn trùng.

Những tia sáng lóe lên có thể xua đuổi những kẻ săn mồi khỏi sứa, sứa lược và những sinh vật hiền lành và bất lực khác. Với mục đích tương tự, san hô và các động vật thuộc địa khác phát triển ở vùng nước nông phát sáng để phản ứng với kích thích cơ học, và những người hàng xóm của chúng, mà không ai chạm vào, cũng bắt đầu nhấp nháy. San hô biển sâu chuyển đổi ánh sáng có bước sóng ngắn yếu chiếu tới chúng thành bức xạ có bước sóng dài hơn, có thể cho phép tảo cộng sinh sống trong mô của chúng quang hợp.

Cần câu có bóng đèn

Bộ cá câu (Lophiiformes) là đa dạng nhất (16 họ, hơn 70 chi và hơn 225 loài) và có lẽ là loài thú vị nhất trong các loài cá biển sâu. (Nhiều người quen thuộc với những người câu cá biển không phải từ sách giáo khoa động vật học, mà từ phim hoạt hình "Đi tìm Nemo").

Những con cái Angler là những kẻ săn mồi có miệng lớn, hàm răng khỏe và một cái dạ dày rất căng. Đôi khi người ta tìm thấy những con cá câu cá chết trên mặt biển, làm nghẹt những con cá lớn hơn gấp đôi kích thước của chúng: kẻ săn mồi không thể nhả nó ra do cấu tạo của răng. Tia đầu tiên của vây lưng được biến đổi thành một "cần câu" (illicium) với một "con sâu" (eska) phát sáng ở cuối. Nó là một tuyến chứa đầy chất nhầy có chứa vi khuẩn phát quang sinh học. Do sự giãn nở của thành động mạch nuôi máu, cá có thể tự ý gây ra sự phát quang của vi khuẩn cần cung cấp oxy cho hoạt động này, hoặc ngăn chặn nó, làm hẹp mạch.

Thông thường, sự phát sáng xảy ra dưới dạng một loạt các nhấp nháy, riêng lẻ cho từng loài. Illicium ở loài Ceratias holboelli có thể di chuyển về phía trước và rút vào một kênh đặc biệt trên lưng. Mượn mồi, cần thủ này di chuyển dần miếng mồi phát sáng lên miệng cho đến khi nuốt chửng con mồi. Và Galatheathauma axeli đã có ngay miếng mồi trong miệng.

Vị trí của các photpho và thậm chí tính chất nhấp nháy của các điểm phát sáng có thể phục vụ cho việc giao tiếp - ví dụ, để thu hút bạn tình. Và những con cái của loài đom đóm Mỹ Photuris versicolor, sau khi giao phối, bắt đầu "đánh bại mã Morse" của những con cái thuộc loài khác, thu hút con đực của chúng không phải vì tình yêu mà vì mục đích ẩm thực.

Ngoài khơi Nhật Bản, đám cưới hàng loạt được tổ chức bởi umitoharu (đom đóm biển) - loài giáp xác nhỏ, dài 1-2 mm, thuộc giống Cypridina - và mực Watasenia scintellans. Các cơ thể Vatazenia dài khoảng 10 cm, cùng với các xúc tu, được rải rác bằng ngọc trai quang và chiếu sáng một khu vực có đường kính 25-30 cm - hãy tưởng tượng biển trông như thế nào với toàn bộ trường học của những con mực này!

Ở nhiều loài động vật chân đầu sống ở biển sâu, cơ thể được vẽ bằng mô hình các đốm sáng nhiều màu, và các tế bào quang rất phức tạp, giống như một đèn rọi chỉ chiếu đúng hướng với gương phản xạ và thấu kính (đôi khi có đôi và có màu).

Nhiều loài tôm phù du ở biển sâu có khả năng phát sáng. Trên các chi, dọc theo hai bên và ở mặt bụng của cơ thể, chúng có tới 150 tế bào quang, đôi khi được bao phủ bởi các thấu kính. Vị trí và số lượng tế bào quang của mỗi loài hoàn toàn không đổi và trong bóng tối của độ sâu đại dương giúp con đực tìm thấy con cái và tất cả cùng tụ tập thành đàn.