Bioluminescentie uitgelegd: De chemie achter licht producerende organismen

Glimwormen die boven een zomerveld knipperen en gloeide golven die op een donker strand breken, zijn beide voorbeelden van hetzelfde onderliggende proces: een levend organisme dat zijn eigen licht maakt door middel van scheikunde in plaats van warmte. Wetenschappers noemen dit bioluminescentie, en het is een van de meest voorkomende vormen van biologische lichtproductie op aarde.

De chemische reactie: luciferine, luciferase en zuurstof

Volgens het Natural History Museum in Londen treedt bioluminescentie op wanneer een molecuul genaamd luciferine reageert met zuurstof en energie vrijstelt in de vorm van licht. De reactie heeft normalerwijze een enzym nodig, luciferase, dat het proces versnelt, of in sommige organismen een gerelateerd eiwit genaamd fotoproteine dat in plaats daarvan samenwerkt met calciumionen.

De Amerikaanse National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) merkt op dat hoewel elk bioluminescent organisme afhankelijk is van een reactie tussen een enzym en een substraat, verschillende soorten verschillende chemische combinaties gebruiken. NOAA stelt dat deze diversiteit suggereert dat het vermogen om licht op te wekken meerdere keren onafhankelijk is ontstaan, in plaats van van een enkele gemeenschappelijke voorouder.

De kleur van het licht hangt af van de exacte structuur van de luciferine en de omringende eiwitten. Zowel het Natural History Museum als National Geographic Education stellen vast dat de meeste zeeorganismen blauw of groen gloeien omdat die golflengtes het verst door zeewater reizen, terwijl glimwormen op het land geel licht produceren en een klein aantal diepzeevis, zoals de grootbekdraakvis, zeldzaam rood licht uitstoot dat de meeste andere dieren in de diepte niet kunnen zien.

Waarom produceren organismen licht

Onderzoekers van NOAA en het Natural History Museum verdelen het gebruik van bioluminescentie in enkele hoofdcategorieën: voedsel zoeken, partners aantrekken of signaliseren, en verdediging tegen roofdieren. Sommige soorten combineren verschillende van deze functies.

• Jacht: de diepzeevisser laat een gloeide lokaas genaamd esca voor zijn mond hangen om nieuwsgierige prooi aan te trekken, volgens National Geographic Education.
• Voortplanting: mannelijke glimwormen flitsen soortspecifieke patronen om vrouwtjes te signaleren, meldt National Geographic Education.
• Verdediging: bijlvissen gebruiken 'tegenverlichting', waarbij ze zwak licht op hun onderkant matchen met de zwakke gloed van boven, zodat roofdieren die omhoog kijken hun silhouet niet kunnen zien, volgens National Geographic Education.
• Roofdieren afschrikken: sommige inktvisssen flitsen plotseling om een aanvaller af te schrikken, en de vampierinktvis werpt gloeide slijm uit in plaats van inkt, volgens National Geographic Education.

Waar bioluminescentie het meest voorkomt

NOAA stelt dat 80 procent van de dieren die tussen 200 en 1.000 meter (656 en 3.280 voet) diep in de oceaan leven bioluminescent zijn. Het Natural History Museum geeft een hogere schatting voor een ander gebied en stelt dat tot 90 procent van het leven in de schemerzone van de oceaan licht produceert in een of andere vorm. Op het land is bioluminescentie relatief zeldzaam en het best bekend van glimwormen, sommige gloeiwormlarven en ongeveer 75 soorten schimmels die een zwakke groene gloed afgeven, volgens het Natural History Museum.

De oceaanfeitenpagina van NOAA wijst op een open wetenschappelijke vraag: onderzoekers hebben nog niet volledig verklaard waarom bioluminescentie zo voorkomen is in zeemilieu's maar in wezen afwezig is in zoetwatermeren en rivieren, en zij hebben ook niet precies bepaald hoe vaak, of hoe, het kenmerk onafhankelijk in verschillende geslachtslijnen is ontstaan.

Opmerkelijke voorbeelden

Naast glimwormen en anglervissen illustreren verschillende andere gevallen het bereik van bioluminescent leven. Dinoflagellaten — eencellig plankton — produceren flitsen van blauwgroen licht wanneer zij door golven of beweging in het water worden verstoord, een effect dat soms 's nachts als sprankelend schuim zichtbaar is, volgens National Geographic Education. Grote, aanhoudende vlekken van deze gloed veroorzaakt door kolonies luminescente bacteriën staan bekend als 'melkzeeën' en zijn soms helder genoeg om door satellieten in tropische wateren te worden gedetecteerd, merkt National Geographic Education op. Sommige soorten, zoals de Hawaiiaanse bolvinger, produceren het licht helemaal niet zelf; zij huisvesten kolonies bioluminescent bacteriën, inclusief Vibrio fischeri, in een symbiotische relatie beschreven door het Natural History Museum.

In al deze gevallen is de onderliggende scheikunde vergelijkbaar — een luciferine die met zuurstof reageert, gekatalyseerd door luciferase of een fotoproteine — maar de specifieke moleculen, kleuren en biologische doeleinden verschillen van de ene geslachtslijn tot de volgende, wat de vele afzonderlijke oorsprongen van dit kenmerk weerspiegelt die door NOAA en het Natural History Museum zijn geïdentificeerd.