Bioluminessoivat organismit ovat kehittyneet kymmeniä kertoja elämähistorian aikana. Mitä biokemiaa tarvitaan pimeyden valaistamiseksi? Tähän aiheeseen on omistettu useita tutkimuksia. Upota tarpeeksi syvälle meren syvyyteen, ja et näe pimeyttä, vaan valoa. 90% kaloista ja meren elämästä, jotka viihtyvät 100 tai jopa 1000 metrin syvyydessä, pystyvät tuottamaan oman valonsa. Taskulamppu kalaa metsästää ja kommunikoida sellaisen Morse-koodin avulla, joka lähetetään kevyillä taskuilla silmien alla. Platytroctidae-perheen kalat ampuvat hehkuvaa mustetta hyökkääjiinsä. Hatchet-kalat tekevät itsensä näkymättömäksi säteilemällä valoa vatsassaan laskevan auringonvalon simuloimiseksi; saalistajat katsovat heitä ja näkevät vain jatkuvan hehkua.
Tutkijat ovat indeksoineet tuhansia bioluminesenssisia organismeja koko elämän puussa ja odottavat lisäävän niitä lisää. He ovat kuitenkin kauan miettineet, kuinka bioluminesenssi tuli. Nyt, kuten äskettäin julkaistut tutkimukset osoittavat, tutkijat ovat edistyneet merkittävästi bioluminesenssin alkuperän ymmärtämisessä - sekä evoluutio- että kemiallisesti. Uudet käsitykset voivat yhtenä päivänä sallia bioluminesenssin käytön biologisessa ja lääketieteellisessä tutkimuksessa.
Yksi pitkäaikaisista haasteista on määrittää, kuinka monta kertaa yksi bioluminesenssi on tapahtunut. Kuinka monta lajia tuli hänen luokseen toisistaan riippumatta?
Vaikka jotkut tunnetuimmat esimerkit elävien organismien valosta ovat maanpäällisiä - ajatelkaa esimerkiksi tulikärpäksiä -, suurin osa bioluminesenssiin liittyvistä evoluutiotapahtumista tapahtui merellä. Bioluminesenssi puuttuu käytännössä ja ilmeisesti kaikissa maanpäällisissä selkärankaisissa ja kukkivissa kasveissa.
Valtameren syvyydessä valo antaa organismeille ainutlaatuisen tavan houkutella saalista, kommunikoida ja puolustaa itseään, kertoo Minnesotan Saint Cloud State Universityn biologi Matthew Davis. Kesäkuussa julkaistussa tutkimuksessa hän ja hänen kollegansa totesivat, että kalat, jotka käyttävät valoa kommunikoimaan ja osoittamaan kohteliaisuutta, olivat erityisen yleisiä. Noin 150 miljoonan vuoden ajan - ei evoluutiostandardin mukaan kauan - tällaiset kalat ovat levinneet laajasti useampiin lajeihin kuin muut kalat. Bioluminessoivat lajit, jotka käyttivät valoaan yksinomaan naamiointiin, toisaalta eivät olleet yhtä erilaisia.
Aviosignaalit voidaan muuttaa suhteellisen helposti. Nämä muutokset puolestaan voivat luoda populaatioon alaryhmiä, jotka lopulta jakautuvat yksilöllisiin lajeihin. Kesäkuussa Kalifornian Santa Barbaran yliopiston evoluutiobiologi Todd Oakley ja yksi hänen opiskelijoistaan, Emily Ellis, julkaisivat tutkimuksen, joka osoitti, että organismeissa, jotka käyttävät bioluminesenssia pariutumissignaaleina, oli paljon enemmän lajeja ja nopeampi lajien kertyminen kuin heidän lähisukulaisensa, jotka eivät käytä valoa. Oakley ja Ellis tutkivat kymmentä organismiryhmää, mukaan lukien tulikärpäkset, mustekalat, hait ja pienet niveljalkaiset, kaulakorut.
Davisin ja hänen työtovereidensa tutkimus rajoitettiin säteilykaloihin, joiden osuus kalalajeista on noin 95%. Davis laski, että jopa tässä yhdessä ryhmässä bioluminesenssi kehittyi ainakin 27 kertaa. Monterey Bayn akvaarioiden tutkimuslaitoksen meribiologi ja biologisen luminesenssin asiantuntija Stephen Haddock arvioi, että kaikista elämänmuodoista bioluminesenssi esiintyi itsenäisesti vähintään 50 kertaa.
Mainosvideo:
Monia tapoja sytyttää
Lähes kaikissa valoisissa organismeissa bioluminesenssi vaatii kolme ainesosaa: happea, valoa säteilevää pigmentti lusiferiiniä (latinalaisesta sanasta lucifer, joka tarkoittaa”valoa kuljettavaa”) ja lusiferaasi-entsyymiä. Kun lusiferiini on vuorovaikutuksessa hapen kanssa - lusiferaasin kautta, se muodostaa viritetyn, epästabiilin komponentin, jonka sarja emittoi, palaaen alhaisemman energian tilaan.
Kummallista kyllä, lusiferinejä on paljon vähemmän kuin lusiferaasia. Vaikka lajeilla on taipumus olla ainutlaatuinen lusiferaasi, hyvin monilla on sama lusiferiini. Vain neljä lusiferiinia vastaa suurimman osan valon tuottamisesta valtamerellä. Maailman lähes 20 biologisesti luminoivien organismien ryhmästä yhdeksän niistä säteilee valoa lusiferiinista, jota kutsutaan kolenteratsiiniksi.
Olisi kuitenkin virhe uskoa, että kaikki kolenteratsiinia sisältävät organismit ovat syntyneet yhdestä valaisevasta esi-isästä. Jos näin olisi, miksi he kehittäisivät niin laajan lusiferaasispektrin, kysyy Münchenin Ludwig Maximilian -yliopiston biologi Warren Francis. Oletettavasti ensimmäisen lusiferiini-lusiferaasi -parin olisi pitänyt säilyä ja moninkertaistua.
On myös todennäköistä, että monet näistä lajeista eivät tuota kolenteratsiinia yksinään. Sen sijaan he saavat sen ruokavaliostaan, sanoo Japanin Chubun yliopiston biologian professori Yuichi Oba.
Vuonna 2009 Oban johtama ryhmä havaitsi, että syvänmeren äyriäinen (koppodit) - pieni, laajalle levinnyt äyriäinen - oli tekemässä kolenteratsiinia. Nämä äyriäiset ovat erittäin runsaasti ravintolähteitä monille merieläimille - niin runsas, että niitä kutsutaan Japanissa "riisinä valtamerellä". Hänen mielestään nämä äyriäiset ovat avain ymmärtämään, miksi niin monet meren eliöt ovat biologisesti luminoivia.
Molemmat ja hänen kollegansa ottivat aminohappoja, joiden uskotaan olevan koenterateratsiinin rakennuspalikoita, leimasivat ne molekyylimarkkerilla ja latasivat ne ruokapöydälle. Sitten he ruokkivat tätä ruokaa laboratoriossa oleville äyriäisille.
24 tunnin kuluttua tutkijat uuttivat koelenteratsiinia äyriäisistä ja katsoivat lisättyjä markkereita. Ilmeisesti niitä oli kaikkialla - mikä oli lopullinen todiste siitä, että äyriäiset syntetisoivat lusiferiinimolekyylejä aminohapoista.
Jopa meduusat, jotka ensin löysivät koenterateratsiinin (ja nimettiin nimellä), eivät tuota omaa koenterateratsiinia. He saavat lusiferiininsa syömällä äyriäisiä ja muita pieniä äyriäisiä.
Salaperäinen alkuperä
Tutkijat ovat löytäneet toisen vihjeen, joka voisi auttaa selittämään kolenteratsiinin suosion syvänmeren eläimissä: tätä molekyyliä löytyy myös organismeista, jotka eivät säteile valoa. Tämä iski kummallisena Jean-François Riesille, biologille Leuvenin katolisen yliopistossa Belgiassa. On yllättävää, että "niin monet eläimet luottavat samaan molekyyliin valon tuottamiseksi", hän sanoo. Ehkä koelenteratsiinilla on luminesenssin lisäksi muitakin toimintoja?
Kokeissa rotan maksasoluilla Reese osoitti, että kolenteratsiini on voimakas antioksidantti. Hänen hypoteesinsä: Koelenteratsiini on saattanut levitä ensin pintavesissä elävien meren eliöiden keskuudessa. Siellä antioksidantti voisi tarjota tarvittavan suojan haitallisen auringonvalon hapettavilta vaikutuksilta.
Kun nämä organismit alkoivat siirtää syvemmälle valtamerelle, jossa antioksidanttien tarve on alhaisempi, koenteraterasiinin kyky säteillä valoa tuli hyödylliseksi, Reese ehdotti. Ajan myötä organismit ovat kehittäneet erilaisia strategioita - kuten lusiferaasi ja erikoistuneet kevyet elimet - tämän laadun parantamiseksi.
Tutkijat eivät kuitenkaan ole selvittäneet, miten muut organismit, paitsi Oba-koppapodit, valmistavat kolenteratsiinia. Koelelenteratsiinia koodaavat geenit ovat myös täysin tuntemattomia.
Otetaan esimerkiksi kampahyytelö. Näiden muinaisten merieläinten - joiden joidenkin mielestä se on eläinpuun ensimmäinen haara - on jo kauan epäilty tuottavan kolenteratsiinia. Mutta kukaan ei ole pystynyt vahvistamaan tätä, puhumattakaan siitä, että tunnistetaan tietyt geneettiset ohjeet työssä.
Viime vuonna kuitenkin ilmoitettiin, että Francis ja Haddockin johtamat tutkijaryhmät löysivät geenin, joka voi olla osallisena lusiferiinin synteesissä. Tätä varten he tutkivat ctenofoorien transkriptioita, jotka ovat tilannekuvia geeneistä, joita eläin tietyllä hetkellä ilmaisee. He etsivät geenejä, jotka koodattiin kolmen aminohapon ryhmälle - samoille aminohapoille, joita Oba ruokki koirakodeilleen.
22 bioluminesenssisten ktenofoorilajien joukosta tutkijat ovat löytäneet ryhmän geenejä, jotka täyttävät heidän kriteerinsä. Nämä samat geenit puuttuivat kahdessa muussa ei-luminoivassa ktenoforilajissa.
Uusi maailma
Bioluminesenssin geneettisellä mekanismilla on sovelluksia evoluutiobiologian ulkopuolella. Jos tutkijat voivat eristää lusiferiini- ja lusiferaasiparien geenit, he voivat potentiaalisesti saada organismeja ja soluja hehkuvaan jostakin syystä.
Vuonna 1986 San Diegon Kalifornian yliopiston tutkijat modifioivat ja sisällyttivät Firefly-lusiferaasigeenin tupakkakasveihin. Tutkimus julkaistiin Science-lehdessä, jossa esitettiin yksi näistä kasveista hehkuva hirveästi tummaa taustaa vasten.
Tämä kasvi ei tuota valoa itsessään - se sisältää lusiferaasia. Mutta jotta tämä tupakka hehkuu, sitä on kasteltava lusiferiinia sisältävällä liuoksella.
Kolmekymmentä vuotta myöhemmin tutkijat eivät ole vieläkään pystyneet luomaan itsevalaisevia organismeja geenitekniikan avulla, koska he eivät tunne biosynteesireittejä useimmille lusiferiineille. (Ainoa poikkeus löytyi bakteereista: Tutkijat pystyivät tunnistamaan hehkugeenit, jotka koodaavat bakteeri-lusiferiini-lusiferaasijärjestelmää, mutta näitä geenejä on muokattava, jotta ne olisivat hyödyllisiä kaikille muille kuin bakteereille.)
Yksi suurimmista mahdollisista lusiferiinin ja lusiferaasin käyttökohteista solubiologiassa on sisällyttää ne sipulina soluihin ja kudoksiin. Tällainen tekniikka olisi hyödyllinen jäljitettäessä solujen sijaintia, geeniekspressiota ja proteiinien tuotantoa, sanoo Kalifornian yliopiston kemian professori Jennifer Prescher.
Bioluminesenssimolekyylien käyttö on yhtä hyödyllistä kuin fluoresoivan proteiinin käyttö, jota käytetään jo HIV-infektioiden kehityksen seuraamiseen, kasvaimien visualisointiin ja Alzheimerin taudin hermovaurioiden seuraamiseen.
Tällä hetkellä luciferiinia kuvantamiskokeisiin käyttävien tutkijoiden on luotava siitä synteettinen versio tai ostettava se 50 dollarilla milligrammalta. Luciferiinin tuominen ulkopuolelta soluun on myös vaikeaa - ei olisi ongelma, jos solu voisi valmistaa oman lusiferiinin.
Tutkimusta jatketaan ja se määrittelee vähitellen evoluutio- ja kemiallisia prosesseja siitä, miten organismit tuottavat valoa. Mutta suurin osa bioluminesenssista maailmasta on edelleen pimeässä.
Ilja Khel