بیولومنسنس: شیمی پشت موجودات نورتاب

کرم ستاره‌ای‌ها که در بالای یک دشت تابستانی می‌درخشند و امواج درخشان که بر روی ساحل تاریکی می‌شکند هر دو نمونه‌های یک فرآیند بنیادی هستند: یک موجود زنده نور خود ساخته خود را از طریق شیمی و نه گرما تولید می‌کند. دانشمندان این را بیولومنسنس می‌نامند، و این یکی از پراش اشکال تولید نور بیولوژیکی روی زمین است.

واکنش شیمیایی: لوسیفرین، لوسیفراز و اکسیژن

بر اساس موزه‌ی تاریخ طبیعی لندن، بیولومنسنس زمانی رخ می‌دهد که یک مولکول به نام لوسیفرین با اکسیژن واکنش نشان دهد و انرژی را به شکل نور آزاد کند. واکنش معمولاً به یک آنزیم، لوسیفراز، که فرآیند را تسریع می‌کند نیاز دارد، یا در برخی موجودات یک پروتئین مرتبط به نام photoprotein که به جای آن با یون‌های کلسیم کار می‌کند.

سازمان ملی اقیانوسی و اتمسفری آمریکا (NOAA) توجه می‌دهد که اگرچه هر موجود بیولومینسنسی بر یک واکنش بین یک آنزیم و یک سوبسترا تکیه می‌کند، گونه‌های مختلف از ترکیبات شیمیایی مختلفی استفاده می‌کنند. NOAA می‌گوید این تنوع نشان می‌دهد که توانایی ایجاد نور چندین بار به‌طور مستقل تکامل یافت، نه از یک پدر و مادر مشترک واحد.

رنگ نور به ساختار دقیق لوسیفرین و پروتئین‌های اطراف آن بستگی دارد. موزه‌ی تاریخ طبیعی و آموزش ناشیونال جئوگرافیک هر دو توجه می‌دهند که اکثر موجودات دریایی به رنگ آبی یا سبز درخشان هستند زیرا این طول‌موج‌ها در آب دریا بیش‌تر مسافت را طی می‌کنند، در حالی که کرم‌های ستاره‌ای بر روی زمین نور زرد تولید می‌کنند و تعداد کمی از ماهی‌های اعماق دریا، مانند ماهی درماز با فک شل، نور قرمز نادری ساطع می‌کنند که اکثر حیوانات دیگر در اعماق نمی‌توانند آن را ببینند.

چرا موجودات نور را تولید می‌کنند

محققین در NOAA و موزه‌ی تاریخ طبیعی استفاده از بیولومنسنس را در چند دسته اصلی دسته‌بندی می‌کنند: یافتن غذا، جذب یا سیگنال دادن به همسالان، و دفاع در برابر شکارچیان. برخی گونه‌ها چندین مورد از این کارکردها را ترکیب می‌کنند.

• شکار: ماهی شنگ اعماق یک طعم درخشان به نام esca را در مقابل دهان خود می‌آویزاند تا شکار کنجکاو را جذب کند، بر اساس آموزش ناشیونال جئوگرافیک.
• جفت‌گیری: نرهای کرم ستاره‌ای نمونه‌های خاص گونه را برق می‌زنند برای سیگنال به ماده‌ها، ناشیونال جئوگرافیک می‌گوید.
• دفاع: ماهی تبر از 'counterillumination' استفاده می‌کند، نور خافتی در زیربخش‌های خود را مطابقت می‌دهند با درخشش خافت بالا تا شکارچیانی که به بالا نگاه می‌کنند نتوانند سایه‌ی آنها را ببینند، بر اساس آموزش ناشیونال جئوگرافیک.
• شگفت‌زده کردن شکارچیان: برخی اختاپوس‌ها ناگهان برق می‌زنند تا حملهکننده را شگفت‌زده کنند، و اختاپوس خون‌خوار مخاط درخشان را به جای جوهر تخلیه می‌کند، بر اساس آموزش ناشیونال جئوگرافیک.

جایی که بیولومنسنس رایج‌ترین است

NOAA بیان می‌کند که 80 درصد از حیوانات زندگی‌کننده بین 200 و 1000 متر (656 و 3280 فوت) عمق در اقیانوس بیولومینسنس هستند. موزه‌ی تاریخ طبیعی تخمین بالاتری برای منطقه‌ی متفاوتی می‌دهد و می‌گوید که تا 90 درصد از حیات در منطقه‌ی شفق اقیانوس نور را به شکلی تولید می‌کنند. بر روی زمین، بیولومنسنس نسبتاً نادر است و بیشتر از کرم‌های ستاره‌ای، برخی کرم‌های درخشان، و تقریباً 75 نوع قارچ شناخته شده است که یک درخشش سبز خافت می‌دهند، بر اساس موزه‌ی تاریخ طبیعی.

صفحه‌ی حقایق اقیانوسی NOAA به یک سؤال علمی باز اشاره می‌کند: محققین به طور کامل توضیح نداده‌اند چرا بیولومنسنس در محیط‌های دریایی بسیار رایج است اما در حقیقت در دریاچه‌ها و رودخانه‌های آب شیرین وجود ندارد، و دقیقاً چند بار یا چگونه، صفت به‌طور مستقل در خطوط نسبی مختلف تکامل یافت.

نمونه‌های قابل توجه

فراتر از کرم‌های ستاره‌ای و ماهی‌های شنگ، چندین مورد دیگر طیف زندگی بیولومینسنس را نشان می‌دهند. دینوفلاژله‌ها — پلانکتون تک‌سلولی — وقتی توسط موج‌ها یا حرکت در آب آشفته می‌شوند، درخشش‌های نور آبی-سبز را تولید می‌کنند، یک اثری که گاهی به عنوان سطح برق‌زن در شب قابل رویت است، بر اساس آموزش ناشیونال جئوگرافیک. پچ‌های بزرگ و پایدار این درخشش که توسط مستعمره‌های باکتری روشن ایجاد می‌شوند به نام 'دریاهای شیری' شناخته می‌شوند و گاهی به اندازه‌ای روشن هستند که توسط ماهواره‌ها در آب‌های استوایی قابل تشخیص هستند، ناشیونال جئوگرافیک یادآوری می‌کند. برخی گونه‌ها، مانند اختاپوس دومدم هاوایی، خود نور را تولید نمی‌کنند؛ آنها مستعمره‌های باکتری بیولومینسنس، از جمله Vibrio fischeri، را در یک رابطه‌ی تکافلی که توسط موزه‌ی تاریخ طبیعی توصیف شده میزبانی می‌کنند.

در تمام این موارد، شیمی بنیادی مشابه است — لوسیفرین با اکسیژن واکنش می‌دهد، توسط لوسیفراز یا photoprotein تسریع می‌شود — اما مولکول‌های خاص، رنگ‌ها و اهداف بیولوژیکی از یک نسب به نسب دیگر متفاوت است، منعکس کننده بسیاری از اصول مستقل این صفت که توسط NOAA و موزه‌ی تاریخ طبیعی مشخص شده‌اند.