ปริศนาแห่งธรรมชาติ: เรืองแสงได้

2024 ผู้เขียน: Seth Attwood | [email protected]. แก้ไขล่าสุด: 2023-12-16 16:17

การเรืองแสงเป็นความสามารถของสิ่งมีชีวิตในการเรืองแสงด้วยโปรตีนของตัวเองหรือด้วยความช่วยเหลือของแบคทีเรียทางชีวภาพ

ปัจจุบันรู้จักสิ่งมีชีวิตเรืองแสงประมาณ 800 สายพันธุ์ ส่วนใหญ่อาศัยอยู่ในทะเล เหล่านี้คือแบคทีเรีย, สาหร่ายแฟลเจลเลตที่มีเซลล์เดียว, เรดิโอลาเรียน, เชื้อรา, แพลงก์โทนิกและซีเลนเทอเรตที่ติดอยู่, กาลักน้ำ, ขนนกทะเล, เซนโนฟอร์, อิไคโนเดิร์ม, เวิร์ม, หอย, กุ้ง, ปลา

สัตว์ที่เรืองแสงได้มากที่สุดบางชนิด ได้แก่ ไพโรโซม (ด้วงไฟ) ในบรรดาสปีชีส์เรืองแสงในน้ำจืด รู้จักหอยแมลงภู่นิวซีแลนด์ Latia neritoides และแบคทีเรียจำนวนหนึ่ง ในบรรดาสิ่งมีชีวิตบนบก เชื้อราบางชนิด ไส้เดือน หอยทาก กิ้งกือ และแมลงเรืองแสงได้

ในระดับพิภพเล็ก การเรืองแสงที่อ่อนมาก ซึ่งเราสามารถลงทะเบียนได้โดยใช้โฟโตมิเตอร์ที่มีความไวสูงเท่านั้น เป็นผลข้างเคียงของการทำให้เป็นกลางของสายพันธุ์ออกซิเจนปฏิกิริยาโดยเอนไซม์ ซึ่งจำเป็น แต่เป็นพิษต่อเซลล์ ซึ่งเป็นผู้เข้าร่วม กระบวนการออกซิเดชันของกลูโคส พวกเขายังจัดหาพลังงานที่จำเป็นสำหรับการเรืองแสงทางเคมีให้กับโปรตีนฟอสเฟอร์ต่างๆ

หนึ่งในตะเกียงแบคทีเรียตัวแรก ซึ่งเป็นขวดที่มีวัฒนธรรมของแบคทีเรียเรืองแสง ได้รับความบันเทิงมานานกว่าร้อยปีโดย Martin Beijerinck นักพฤกษศาสตร์และนักจุลชีววิทยาชาวดัตช์ ในปี 1935 ตะเกียงดังกล่าวยังส่องสว่างในห้องโถงใหญ่ของ Paris Oceanological Institute และในระหว่างสงคราม A. A. นักจุลชีววิทยาของสหภาพโซเวียต Egorova ใช้แบคทีเรียเรืองแสงเพื่อจุดประสงค์ที่ไม่ธรรมดา - เพื่อให้แสงสว่างในห้องปฏิบัติการ

และคุณสามารถทำการทดลองที่คล้ายกันได้: วางปลาดิบหรือเนื้อในที่อบอุ่น รอหนึ่งหรือสองสัปดาห์แล้วขึ้นมาในเวลากลางคืน (จากด้านลม!) และดูว่าเกิดอะไรขึ้น - มีแนวโน้มว่าแบคทีเรียอาศัยอยู่ สารอาหารจะเรืองแสงด้วยแสงจากโลกภายนอก แบคทีเรีย ซึ่งส่วนใหญ่เป็นจำพวก Photobacterium และ Vibrio และสิ่งมีชีวิตหลายเซลล์ (ในภาพ) ที่เรืองแสงในทะเล แต่แหล่งกำเนิดแสงหลักคือหนึ่งในที่ใหญ่ที่สุด (สูงถึง 3 มม.!) และสิ่งมีชีวิตที่มีเซลล์เดียวที่ซับซ้อน - สาหร่ายทะเลในตอนกลางคืน แสงสว่าง.

ในแบคทีเรีย โปรตีนฟอสเฟอร์จะกระจัดกระจายไปทั่วเซลล์ ในสิ่งมีชีวิตที่มียูคาริโอตที่มีเซลล์เดียว (ที่มีนิวเคลียสของเซลล์) พวกมันจะอยู่ในถุงน้ำที่ล้อมรอบด้วยเมมเบรนในไซโตพลาสซึม ในสัตว์หลายเซลล์ แสงมักจะถูกปล่อยออกมาจากเซลล์พิเศษ - โฟโตไซต์ ซึ่งมักจัดกลุ่มเป็นอวัยวะพิเศษ - โฟโตโฟเรส

โฟโตไซต์ของซีเลนเทอเรตและสัตว์ดึกดำบรรพ์อื่นๆ รวมทั้งโฟโตโฟเรสที่ทำงานเนื่องจากโฟโตแบคทีเรียที่อาศัยทางชีวภาพ เรืองแสงอย่างต่อเนื่องหรือเป็นเวลาหลายวินาทีหลังจากการกระตุ้นด้วยกลไกหรือทางเคมี ในสัตว์ที่มีระบบประสาทที่พัฒนาไม่มากก็น้อย มันจะควบคุมการทำงานของเซลล์แสง เปิดและปิดพวกมันเพื่อตอบสนองต่อสิ่งเร้าภายนอกหรือเมื่อสภาพแวดล้อมภายในของร่างกายเปลี่ยนแปลงไป

นอกจากชนิดภายในเซลล์แล้ว ในกุ้งทะเลน้ำลึก ปลาหมึก ปลาหมึก และปลาหมึก ยังมีสารคัดหลั่งชนิดเรืองแสง: ส่วนผสมของการหลั่งของต่อมต่าง ๆ สองชนิดถูกขับออกจากเสื้อคลุมหรือจากใต้เปลือกและแพร่กระจายใน น้ำเหมือนเมฆที่ส่องแสงทำให้ศัตรูตาบอด

อีกตัวอย่างคลาสสิกของการเรืองแสงทางชีวภาพคือไม้เน่า ไม่ใช่ต้นไม้ที่เรืองแสงในตัวมัน แต่เป็นไมซีเลียมของเชื้อราน้ำผึ้งธรรมดา

และในเชื้อราชั้นสูงของสกุล Mycena ก็เติบโตบนต้นไม้ที่เน่าเปื่อยเช่นกัน แต่ในภูมิภาคที่อบอุ่นอย่างบราซิลและญี่ปุ่น ร่างกายที่ติดผลจะเรืองแสง - สิ่งที่มักเรียกว่าเห็ด (แม้ว่ารา ยีสต์ และเชื้อราอื่นๆ ก็เป็นเห็ดเช่นกัน มีเพียงเห็ดที่ต่ำกว่าเท่านั้น). หนึ่งในสายพันธุ์ของสกุลนี้เรียกว่า M. lux-coeli "mycene - แสงสว่างจากสวรรค์"

การใช้สารเรืองแสงที่โดดเด่นที่สุดคือการสร้างพืชและสัตว์ดัดแปรพันธุกรรม เมาส์ตัวแรกที่มียีน GFP แทรกอยู่ในโครโมโซมถูกสร้างขึ้นในปี 2541

โปรตีนที่เรืองแสงจำเป็นต่อการสร้างเทคนิคในการนำยีนต่างประเทศเข้าสู่โครโมโซมของสิ่งมีชีวิตต่างๆ หากเรืองแสง แสดงว่าวิธีนี้ใช้ได้ผล คุณสามารถใช้เพื่อแนะนำยีนเป้าหมายเข้าไปในจีโนมได้ ปลาเรืองแสงตัวแรก - ปลาม้าลายแปลงพันธุ์ (Brachydanio rerio) และปลาข้าวเมดากะญี่ปุ่น (Orizias latipes) ออกจำหน่ายในปี 2546

ทะเลเรืองแสง

บรรดาผู้ที่โชคดีพอที่จะแหวกว่ายในทะเลตอนกลางคืนในช่วงที่แสงเรืองรองจะจดจำภาพที่สวยงามแห่งนี้ไปชั่วชีวิต สาเหตุส่วนใหญ่ที่ทำให้เกิดแสงเรืองคือสาหร่ายแฟลกเจลเลตของแสงกลางคืน (Noctiluca) ในบางปี จำนวนของพวกมันเพิ่มขึ้นมากจนทะเลทั้งทะเลเปล่งประกาย หากคุณโชคร้ายและพบว่าตัวเองอยู่บนชายฝั่งทะเลที่อบอุ่นในเวลาที่ไม่ถูกต้อง ให้ลองเทน้ำทะเลลงในขวดโหลแล้วเติมน้ำตาลเล็กน้อยลงไป

Noctylists จะตอบสนองต่อสิ่งนี้โดยการเพิ่มกิจกรรมของโปรตีนลูซิเฟอริน เขย่าน้ำและชื่นชมแสงสีน้ำเงิน และเมื่อคุณหยุดชื่นชม คุณสามารถจำได้ว่าคุณกำลังดูหนึ่งในความลึกลับของธรรมชาติที่ยังไม่ได้แก้ไข: การขาดความชัดเจนของกลไกวิวัฒนาการของการเกิดขึ้นของความสามารถในการเรืองแสงในแท็กซ่าต่างๆ ถูกบันทึกไว้ในบทที่แยกต่างหากของ " The Origin of Species" โดยดาร์วินและตั้งแต่นั้นเป็นต้นมานักวิทยาศาสตร์ก็ไม่สามารถเปิดเผยคำถามนี้ได้คือแสงสว่างแห่งความจริง

การเรืองแสงสามารถพัฒนาได้ในสิ่งมีชีวิตที่อาศัยอยู่ในสภาพแสงที่ดี โดยอาศัยสารประกอบเม็ดสีที่ทำหน้าที่ปกป้องแสง

แต่ลักษณะที่สะสมทีละน้อย - หนึ่งโฟตอนต่อวินาที, สอง, สิบ - ทั้งสำหรับพวกเขาและญาติในเวลากลางคืนและในทะเลลึกของพวกเขาไม่สามารถส่งผลกระทบต่อการคัดเลือกโดยธรรมชาติ: แสงที่อ่อนแอนั้นไม่รู้สึกถึงดวงตาที่บอบบางที่สุดและ การปรากฏตัวของกลไกสำเร็จรูปของการเรืองแสงที่รุนแรงบนตำแหน่งที่เปลือยเปล่านั้นดูเป็นไปไม่ได้เช่นกัน และแม้แต่หน้าที่ของการเรืองแสงในหลายๆ ชนิดก็ยังไม่สามารถเข้าใจได้

ทำไมพวกเขาถึงเรืองแสง?

อาณานิคมของแบคทีเรียและเชื้อราเรืองแสงดึงดูดแมลงที่แพร่กระจายเชื้อโรค สปอร์ หรือไมซีเลียม ตัวอ่อนที่กินแมลงของยุง Arachnocampa นิวซีแลนด์สานตาข่ายดักจับและส่องสว่างด้วยร่างกายของมันเองเพื่อดึงดูดแมลง

แสงวูบวาบอาจทำให้ผู้ล่าหวาดกลัวต่อแมงกะพรุน หวีเยลลี่ และสิ่งมีชีวิตที่ช่วยเหลือไม่ได้และอ่อนโยนอื่นๆ เพื่อจุดประสงค์เดียวกัน ปะการังและสัตว์อาณานิคมอื่นๆ ที่เติบโตในน้ำตื้นจะเรืองแสงเพื่อตอบสนองต่อการกระตุ้นด้วยกลไก และเพื่อนบ้านของพวกมันซึ่งไม่มีใครแตะต้องก็เริ่มสั่นไหวเช่นกัน ปะการังใต้ทะเลลึกจะเปลี่ยนแสงที่มีความยาวคลื่นสั้นที่อ่อนแอที่ส่งไปถึงพวกมันให้กลายเป็นรังสีที่มีความยาวคลื่นที่ยาวกว่า ซึ่งอาจจะทำให้สาหร่ายที่อยู่อาศัยในเนื้อเยื่อของพวกมันสังเคราะห์แสงได้

คันเบ็ดพร้อมหลอดไฟ

ลำดับของปลาตกเบ็ด (Lophiiformes) มีความหลากหลายมากที่สุด (16 ตระกูล กว่า 70 สกุลและกว่า 225 สายพันธุ์) และบางทีอาจเป็นปลาทะเลน้ำลึกที่น่าสนใจที่สุด (หลายคนคุ้นเคยกับนักตกปลาทะเลไม่ใช่จากตำราสัตววิทยา แต่จากการ์ตูน "Finding Nemo")

ตัวเมียตกปลาเป็นสัตว์กินเนื้อที่มีปากใหญ่ ฟันแข็งแรง และท้องที่ขยายได้สูง บางครั้งพบปลาตกเบ็ดตายบนพื้นผิวทะเล ทำให้ปลาสำลักได้มากกว่าสองเท่า: ผู้ล่าไม่สามารถปล่อยมันได้เนื่องจากโครงสร้างของฟัน ลำแสงแรกของครีบหลังเปลี่ยนเป็น "คันเบ็ด" (illicium) โดยมี "หนอน" (eska) เรืองแสงอยู่ที่ปลาย เป็นต่อมน้ำมูกที่มีแบคทีเรียเรืองแสง เนื่องจากการขยายตัวของผนังหลอดเลือดแดงที่เลี้ยง escu ด้วยเลือด ปลาจึงสามารถทำให้เกิดการเรืองแสงของแบคทีเรียที่ต้องการออกซิเจนสำหรับสิ่งนี้โดยพลการ หรือหยุดมัน ทำให้หลอดเลือดแคบลง

โดยปกติ แสงวาบจะเกิดขึ้นเป็นชุดของแสงวาบ สำหรับแต่ละสายพันธุ์ Illicium ในสายพันธุ์ Ceratias holboelli สามารถเคลื่อนไปข้างหน้าและหดกลับเข้าไปในช่องพิเศษที่ด้านหลัง เหยื่อล่อเหยื่อ จะค่อยๆ เคลื่อนเหยื่อเรืองแสงไปที่ปากของมันจนกว่าจะกลืนเหยื่อเข้าไป และ Galatheathauma axeli มีเหยื่ออยู่ในปาก

ตำแหน่งของสารเรืองแสงและแม้แต่ลักษณะของการกะพริบของจุดเรืองแสงก็สามารถใช้ในการสื่อสารได้ เช่น เพื่อดึงดูดพันธมิตร และตัวเมียของหิ่งห้อยชาวอเมริกัน Photuris versicolor หลังจากผสมพันธุ์ก็เริ่ม "เอาชนะรหัสมอร์ส" ของตัวเมียในสายพันธุ์อื่นดึงดูดตัวผู้ไม่ได้เพื่อความรัก แต่เพื่อจุดประสงค์ในการกิน

นอกชายฝั่งของญี่ปุ่น งานแต่งงานจำนวนมากมีการเฉลิมฉลองโดย umitoharu (หิ่งห้อยในทะเล) ซึ่งมีขนาดเล็ก ยาว 1-2 มม. สัตว์จำพวกครัสเตเชียในสกุล Cypridina และปลาหมึก Watasenia scintellans ร่างของวาตาซีเนียยาวประมาณ 10 ซม. พร้อมด้วยหนวดมีจุดประกายมุกโฟโตโฟร์และส่องสว่างพื้นที่ที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 25-30 ซม. ลองนึกภาพว่าทะเลดูเหมือนกับปลาหมึกทั้งฝูง!

ในปลาหมึกทะเลลึกหลายๆ ตัว ลำตัวถูกวาดด้วยลวดลายของจุดไฟหลากสี และโฟโตโฟเรสนั้นซับซ้อนมาก เหมือนไฟฉายส่องเฉพาะในทิศทางที่ถูกต้องด้วยรีเฟลกเตอร์และเลนส์ (บางครั้งก็เป็นสองเท่าและมีสี)

กุ้งทะเลน้ำลึกหลายชนิดมีความสามารถในการเรืองแสง ที่แขนขา ด้านข้างและหน้าท้องของร่างกาย พวกมันมีโฟโตเฟอร์มากถึง 150 ตัว ซึ่งบางครั้งถูกคลุมด้วยเลนส์ ตำแหน่งและจำนวนโฟโตโฟรีสำหรับแต่ละสายพันธุ์นั้นคงที่อย่างเคร่งครัด และในความมืดของความลึกของมหาสมุทรช่วยให้ตัวผู้พบตัวเมียและรวมกันเป็นฝูง