La bioluminescenza spiegata: la chimica degli organismi che producono luce

Le lucciole che lampeggiano su un campo estivo e le onde luminose che si infrangono su una spiaggia buia sono entrambi esempi dello stesso processo sottostante: un organismo vivente che produce la sua stessa luce attraverso la chimica piuttosto che il calore. Gli scienziati chiamano questo fenomeno bioluminescenza, ed è una delle forme più diffuse di produzione biologica di luce sulla Terra.

La reazione chimica: luciferina, luciferasi e ossigeno

Secondo il Natural History Museum di Londra, la bioluminescenza si verifica quando una molecola chiamata luciferina reagisce con l'ossigeno e rilascia energia sotto forma di luce. La reazione normalmente richiede un enzima, la luciferasi, che accelera il processo, o in alcuni organismi una proteina correlata chiamata fotoproteina che funziona insieme agli ioni di calcio.

La National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) degli Stati Uniti osserva che sebbene ogni organismo bioluminescente dipenda da una reazione tra un enzima e un substrato, diverse specie utilizzano diverse combinazioni chimiche. La NOAA afferma che questa diversità suggerisce che la capacità di produrre luce si è evoluta indipendentemente molte volte, piuttosto che da un singolo antenato comune.

Il colore della luce dipende dalla struttura esatta della luciferina e dalle proteine circostanti. Sia il Natural History Museum che il National Geographic Education osservano che la maggior parte degli organismi marini brillano di blu o verde perché queste lunghezze d'onda viaggiano più lontano nell'acqua marina, mentre le lucciole sulla terraferma producono luce gialla e un piccolo numero di pesci abissali, come il pesce dragone dalle fauci enormi, emettono il raro colore rosso che la maggior parte degli altri animali nelle profondità non riescono a vedere.

Perché gli organismi producono luce

I ricercatori della NOAA e del Natural History Museum raggruppano gli usi della bioluminescenza in alcune categorie principali: trovare cibo, attirare o segnalare ai partner, e difesa dai predatori. Alcune specie combinano diverse di queste funzioni.

• Caccia: il pesce abissale angler fa ondeggiare un'esca luminosa chiamata esca davanti alla sua bocca per attirare prede curiose, secondo National Geographic Education.
• Accoppiamento: le lucciole maschio lampeggiano schemi specifici della specie per segnalare alle femmine, secondo National Geographic Education.
• Difesa: i pesci scure usano la 'contriluminazione', abbinando la luce debole sulla loro parte inferiore al bagliore tenue dall'alto in modo che i predatori che guardano verso l'alto non riescono a vedere la loro silhouette, secondo National Geographic Education.
• Sorprendere i predatori: alcuni calamari lampeggiano improvvisamente per sorprendere un attaccante, e il calamaro vampiro eietta muco luminoso invece di inchiostro, secondo National Geographic Education.

Dove la bioluminescenza è più comune

La NOAA afferma che l'80% degli animali che vivono tra 200 e 1.000 metri (656 e 3.280 piedi) di profondità nell'oceano sono bioluminescenti. Il Natural History Museum fornisce una stima più alta per una zona diversa, affermando che fino al 90% della vita nella zona crepuscolare dell'oceano produce luce in una forma o nell'altra. Sulla terraferma, la bioluminescenza è relativamente rara ed è meglio nota dalle lucciole, alcuni vermi luminosi e circa 75 specie di funghi che emettono un debole bagliore verde, secondo il Natural History Museum.

La pagina dei fatti oceanici della NOAA evidenzia una questione scientifica aperta: i ricercatori non hanno ancora completamente spiegato perché la bioluminescenza è così comune negli ambienti marini ma essenzialmente assente nei laghi e nei fiumi d'acqua dolce, né hanno individuato esattamente quante volte, o come, il tratto si sia evoluto indipendentemente tra diverse linee di discendenza.

Esempi notevoli

Oltre alle lucciole e ai pesci angler, molti altri casi illustrano la gamma di vita bioluminescente. I dinoflagellati — plancton unicellulare — producono lampi di luce blu-verde quando disturbati da onde o movimento nell'acqua, un effetto a volte visibile come surf scintillante di notte, secondo National Geographic Education. Grandi aree sostenute di questo bagliore create da colonie di batteri luminosi sono note come 'mari lattei' e a volte sono abbastanza luminose da essere rilevate dai satelliti nelle acque tropicali, secondo National Geographic Education. Alcune specie, come il calamaro hawaiano a coda, non producono affatto la luce da sole; ospitano colonie di batteri bioluminescenti, incluso il Vibrio fischeri, in una relazione simbiotica descritta dal Natural History Museum.

In tutti questi casi, la chimica sottostante è simile — una luciferina che reagisce con l'ossigeno, catalizzata dalla luciferasi o da una fotoproteina — ma le molecole specifiche, i colori e gli scopi biologici differiscono da una linea di discendenza all'altra, riflettendo i molti origini separate di questo tratto identificate dalla NOAA e dal Natural History Museum.