In the Deep, στοιχεία για το πώς η ζωή κάνει φως

Βουτήξτε αρκετά βαθιά κάτω από την επιφάνεια του ωκεανού και το φως βασιλεύει. Περίπου το 90 τοις εκατό των ψαριών και των καρκινοειδών που κατοικούν σε βάθη 100 έως 1.000 μέτρων είναι ικανά να κάνουν το δικό τους φως. Τα ψάρια με φακό κυνηγούν και επικοινωνούν με έναν κωδικό Μορς που αναβοσβήνει που αποστέλλεται από ελαφριές τσέπες που πάλλονται κάτω από τα μάτια τους. Τα ψάρια σωληνοειδών πυροβολούν φωτεινό μελάνι στους επιτιθέμενούς τους. Τα ψαράκια του λαιμού φαίνονται αόρατα δημιουργώντας φως στους κάτω κοιλιακούς τους για να μιμηθούν το φως του ήλιου. τα αρπακτικά που περιφέρονται από κάτω κοιτάζουν ψηλά για να δουν μόνο μια συνεχή λάμψη.

Οι επιστήμονες έχουν καταγράψει χιλιάδες βιοφωταυγείς οργανισμούς στο δέντρο της ζωής και αναμένουν να προσθέσουν πολλούς άλλους. Ωστόσο, οι ερευνητές έχουν από καιρό αναρωτηθεί πώς προέκυψε η βιοφωταύγεια. Τώρα, όπως εξηγείται σε αρκετές μελέτες που κυκλοφόρησαν πρόσφατα, οι ερευνητές έχουν σημειώσει σημαντική πρόοδο στην κατανόηση της προέλευσης της βιοφωταύγειας — τόσο της εξελικτικής όσο και της χημικής. Η νέα κατανόηση μπορεί μια μέρα να επιτρέψει τη χρήση της βιοφωταύγειας ως εργαλείο στη βιολογία και την ιατρική έρευνα.

Μια μακροχρόνια πρόκληση ήταν να καθοριστεί πόσες ξεχωριστές φορές προέκυψε η βιοφωταύγεια. Πόσα είδη κατέληξαν στο ίδιο συμπέρασμα, ανεξάρτητα το ένα από το άλλο;

Αν και μερικά από τα πιο γνωστά παραδείγματα φωτός από ζωντανούς οργανισμούς είναι επίγεια —σκεφτείτε τις πυγολαμπίδες, τα λαμπερά σκουλήκια και την αλεπούδα— το μεγαλύτερο μέρος των εξελικτικών γεγονότων που αφορούσαν τη βιοφωταύγεια έλαβε χώρα στον ωκεανό. Η βιοφωταύγεια στην πραγματικότητα απουσιάζει σημαντικά από όλα τα χερσαία σπονδυλωτά και τα ανθοφόρα φυτά.

Στο βάθος του ωκεανού, το φως δίνει στους οργανισμούς έναν μοναδικό τρόπο να προσελκύουν το θήραμα, να επικοινωνούν και να αμύνονται, δήλωσε ο Μάθιου Ντέιβις, βιολόγος στο Πανεπιστήμιο St. Cloud State στη Μινεσότα. Σε μια μελέτη που κυκλοφόρησε τον Ιούνιο, αυτός και οι συνάδελφοί του διαπίστωσαν ότι τα ψάρια που χρησιμοποιούν φως για επικοινωνία και σηματοδότηση ερωτοτροπίας ήταν ιδιαίτερα διαφορετικά. Σε μια περίοδο περίπου 150 εκατομμυρίων ετών — σύντομη για τα εξελικτικά πρότυπα — τέτοια ψάρια πολλαπλασιάστηκαν σε περισσότερα είδη από άλλες ομάδες ψαριών. Τα βιοφωταύγεια είδη που χρησιμοποιούσαν το φως τους αποκλειστικά για καμουφλάζ, από την άλλη, δεν ήταν πλέον διαφορετικά.

Τα σήματα ερωτοτροπίας μπορούν να αλλάξουν σχετικά εύκολα. Αυτές οι αλλαγές μπορούν με τη σειρά τους να δημιουργήσουν υποομάδες σε έναν πληθυσμό, οι οποίοι τελικά χωρίζονται σε μοναδικά είδη. Τον Ιούνιο, ο Todd Oakley, ένας εξελικτικός βιολόγος στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια στη Σάντα Μπάρμπαρα, και μια από τις μαθήτριές του, η Emily Ellis, δημοσίευσαν μια μελέτη στην οποία διαπίστωσαν ότι οι οργανισμοί που χρησιμοποιούν βιοφωταύγεια στην ερωτοτροπία είχαν σημαντικά περισσότερα είδη και ταχύτερους ρυθμούς συσσώρευση ειδών, σε σχέση με τους στενά συγγενείς οργανισμούς που δεν χρησιμοποιούν φως. Ο Oakley και ο Ellis μελέτησαν δέκα ομάδες οργανισμών, συμπεριλαμβανομένων των πυγολαμπίδων, των χταποδιών, των καρχαριών και των μικροσκοπικών καρκινοειδών που ονομάζονται ostracods.

Η μελέτη του Ντέιβις και των συναδέλφων του περιορίστηκε στα ψάρια με πτερύγια ακτίνων, μια ομάδα που περιλαμβάνει περίπου το 95 τοις εκατό των ειδών ψαριών. Ο Ντέιβις υπολόγισε ότι ακόμη και σε αυτήν την ομάδα, η βιοφωταύγεια εξελίχθηκε τουλάχιστον 27 φορές. Ο Στίβεν Χάντοκ, θαλάσσιος βιολόγος στο Ερευνητικό Ινστιτούτο Ενυδρείου του Μόντερεϊ Μπέι και ειδικός στη βιοφωταύγεια, υπολόγισε ότι σε όλες τις μορφές ζωής η βιοφωταύγεια εξελίχθηκε ανεξάρτητα τουλάχιστον 50 φορές.

Πολλοί τρόποι λάμψης

Σε όλους σχεδόν τους λαμπερούς οργανισμούς, η βιοφωταύγεια απαιτεί τρία συστατικά:οξυγόνο, μια χρωστική ουσία που εκπέμπει φως που ονομάζεται λουσιφερίνη (από τη λατινική λέξη lucifer , που σημαίνει ότι φέρνει φως), και ένα ένζυμο που ονομάζεται λουσιφεράση. Όταν μια λουσιφερίνη αντιδρά με το οξυγόνο - μια διαδικασία που διευκολύνεται από τη λουσιφεράση - σχηματίζει μια διεγερμένη, ασταθή ένωση που εκπέμπει φως όταν επιστρέφει στη χαμηλότερη ενεργειακή της κατάσταση.

Περιέργως, υπάρχουν πολύ λιγότερες λουσιφερίνες από τις λουσιφεράσες. Ενώ τα είδη τείνουν να έχουν μοναδικές λουσιφεράσες, πολλά μοιράζονται την ίδια λουσιφερίνη. Μόλις τέσσερις λουσιφερίνες είναι υπεύθυνες για το μεγαλύτερο μέρος της παραγωγής φωτός στον ωκεανό. Από σχεδόν 20 ομάδες βιοφωταυγών οργανισμών στον κόσμο, μια λουσιφερίνη που ονομάζεται coelenterazine είναι ο εκπομπός φωτός σε εννέα.

Ωστόσο, θα ήταν λάθος να υποθέσουμε ότι όλοι οι οργανισμοί που περιέχουν coelenterazine είχαν εξελιχθεί από έναν μόνο φωτεινό πρόγονο. Αν είχαν, ρώτησε ο Warren Francis, βιολόγος στο Πανεπιστήμιο Ludwig Maximilian του Μονάχου, τότε γιατί ανέπτυξαν μια τόσο μεγάλη ποικιλία λουσιφερασών; Πιθανώς το πρώτο ζεύγος λουσιφερίνης-λουσιφεράσης θα είχε επιζήσει και πολλαπλασιαστεί.

Είναι πιο πιθανό πολλά από αυτά τα είδη να μην παράγουν τα ίδια coelenterazine. Αντίθετα, το παίρνουν από τη διατροφή τους, είπε ο Yuichi Oba, καθηγητής βιολογίας στο Πανεπιστήμιο Chubu στην Ιαπωνία.

Το 2009, μια ομάδα με επικεφαλής τον Oba ανακάλυψε ότι το κωπηπόποδα βαθέων υδάτων - ένα μικροσκοπικό, σχεδόν πανταχού παρόν καρκινοειδές - φτιάχνει τη δική του κοελεντεραζίνη. Αυτά τα κωπηπόποδα είναι μια εξαιρετικά άφθονη πηγή τροφής για ένα ευρύ φάσμα θαλάσσιων ζώων — τόσο πολύ που «στην Ιαπωνία, ονομάζουμε τα κωπηπόποδα «ρύζι στον ωκεανό»», είπε ο Oba. Πιστεύει ότι τα κωπέποδα είναι το κλειδί για την κατανόηση του γιατί τόσοι πολλοί θαλάσσιοι οργανισμοί είναι βιοφωταυγείς.

Ο Oba και οι συνεργάτες του πήραν αμινοξέα που πιστεύεται ότι είναι τα δομικά στοιχεία της κοελεντεραζίνης, τα επισήμαναν με έναν μοριακό δείκτη και τα φόρτωσαν σε τροφή για κωπηπόποδα. Στη συνέχεια τάισαν αυτή την τροφή σε κωπηλάποδα στο εργαστήριο.

Μετά από 24 ώρες, οι ερευνητές εξήγαγαν κοελεντεραζίνη από τα κωπηπόποδα και αναζήτησαν τις ετικέτες που είχαν προσθέσει. Σίγουρα, οι ετικέτες υπήρχαν — οριστική απόδειξη ότι τα καρκινοειδή είχαν συνθέσει μόρια λουσιφερίνης από τα αμινοξέα.

Ακόμη και η μέδουσα στην οποία ανακαλύφθηκε για πρώτη φορά η κοελεντεραζίνη (και πήρε το όνομά της) αργότερα διαπιστώθηκε ότι δεν παράγει καθόλου τη δική της κοελεντεραζίνη. Λαμβάνει τη λουσιφερίνη του τρώγοντας κωπέποδα και άλλα μικρά καρκινοειδή.

Mysterious Origins

Οι ερευνητές βρήκαν μια άλλη ένδειξη που θα μπορούσε να βοηθήσει στην εξήγηση της δημοτικότητας της κοελεντεραζίνης σε ζώα βαθέων υδάτων:το μόριο υπάρχει επίσης σε οργανισμούς που δεν εκπέμπουν φως. Αυτό φάνηκε παράξενο ο Jean-François Rees, βιολόγος στο Καθολικό Πανεπιστήμιο της Louvain, στο Βέλγιο. Είναι ήδη εκπληκτικό «το ότι τόσα πολλά διαφορετικά ζώα βασίζονται ακριβώς στο ίδιο μόριο για την παραγωγή φωτός», είπε. Ίσως η κοελεντεραζίνη είχε άλλη λειτουργία εκτός από τη φωταύγεια;

Σε πειράματα με ηπατικά κύτταρα αρουραίου, ο Rees έδειξε ότι η κολεντεραζίνη είναι ένα ισχυρό αντιοξειδωτικό. Η υπόθεσή του:ίσως η κοελεντεραζίνη πρωτοπολλαπλασιάστηκε σε θαλάσσιους οργανισμούς που ζουν σε επιφανειακά ύδατα. Εκεί, ένα αντιοξειδωτικό θα παρείχε την απαραίτητη προστασία από το οξειδωτικό στρες από τις βλαβερές ακτίνες του ήλιου και τους υψηλούς ρυθμούς αναπνοής.

Όταν αυτοί οι οργανισμοί άρχισαν να αποικίζουν βαθύτερα στρώματα του ωκεανού, όπου η ανάγκη για αντιοξειδωτικά είναι χαμηλότερη, η ικανότητα της κοελεντεραζίνης να εκπέμπει φως έγινε χρήσιμη, θεωρεί ο Rees. Με την πάροδο του χρόνου, οι οργανισμοί εξέλιξαν διαφορετικές στρατηγικές —όπως λουσιφεράσες και εξειδικευμένα ελαφρά όργανα — για να ενισχύσουν αυτήν την ιδιότητα.

Ωστόσο, οι ερευνητές δεν έχουν ανακαλύψει πώς άλλοι οργανισμοί εκτός από τα κωπηπόποδα του Oba παράγουν την κοελεντεραζίνη. Τα γονίδια που κωδικοποιούν την κοελεντεραζίνη είναι επίσης εντελώς άγνωστα.

Εισάγετε το ζελέ χτένας. Αυτά τα αρχαία θαλάσσια πλάσματα - που κάποιοι πιστεύουν ότι είναι το πρώτο κλαδί του γενεαλογικού δέντρου των ζώων - υποπτευόταν από καιρό ότι ήταν σε θέση να παράγουν κοελεντεραζίνη. Κανείς όμως δεν μπόρεσε να το επιβεβαιώσει, πόσο μάλλον να παρακολουθήσει το κιτ γενετικών οδηγιών στην εργασία.

Στην εργασία που αναφέρθηκε πέρυσι, ωστόσο, μια ομάδα ερευνητών με επικεφαλής τον Φράνσις και τον Χάντοκ χρησιμοποίησε ένα γονίδιο που μπορεί να εμπλέκεται στη σύνθεση της λουσιφερίνης. Για να το κάνουν αυτό, εξέτασαν μεταγραφήματα από ζελέ χτένας, τα οποία παρέχουν ένα στιγμιότυπο των γονιδίων που εκφράζει ένα ζώο ανά πάσα στιγμή. Έψαχναν για γονίδια που κωδικοποιούσαν μια ομάδα τριών αμινοξέων — τα ίδια αμινοξέα που τροφοδοτούσε ο Oba στα κωπέποδά του.

Σε 22 είδη βιοφωταυγών ζελέ χτενών, οι επιστήμονες βρήκαν μια ομάδα γονιδίων που ταιριάζουν με τα κριτήριά τους. Αυτά τα ίδια γονίδια απουσίαζαν σε δύο άλλα μη φωτεινά είδη ζελέ χτενιού.

«Είναι πολύ ισχυρές, αλλά ακόμα περιστασιακές, αποδείξεις» ότι αυτά τα γονίδια ενδέχεται να εμπλέκονται στην παραγωγή κοελεντεραζίνης, είπε ο Χάντοκ. Καθώς οι τεχνικές για την εργασία με ζελέ χτένας στο εργαστήριο γίνονται πιο προηγμένες, πιστεύει ότι μπορεί σύντομα να είναι δυνατό να δοκιμαστούν τα ευρήματα της ομάδας του με πειράματα γονιδιακής χειραγώγησης.

Ο νέος φακός

Ο γενετικός μηχανισμός της βιοφωταύγειας έχει εφαρμογές πέρα ​​από την εξελικτική βιολογία. Εάν οι επιστήμονες μπορούν να απομονώσουν γονίδια για ένα ζεύγος λουσιφερίνης και λουσιφεράσης, μπορούν ενδεχομένως να δημιουργήσουν μηχανικούς οργανισμούς και κύτταρα ώστε να λάμπουν, για διάφορους λόγους.

Το 1986, επιστήμονες στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια στο Σαν Ντιέγκο, τροποποίησαν και εισήγαγαν το γονίδιο της λουσιφεράσης της πυγολαμπίδας σε ένα φυτό καπνού. Η μελέτη δημοσιεύτηκε στο περιοδικό Science με μια εικόνα ενός από αυτά τα φυτά που λάμπει απόκοσμα σε σκούρο φόντο.

Το φυτό δεν δημιουργούσε φως από μόνο του, ωστόσο — περιείχε λουσιφεράση, αλλά έπρεπε να ποτιστεί με διάλυμα που περιέχει λουσιφερίνη για να λάμψει.

Τριάντα χρόνια αργότερα, οι επιστήμονες εξακολουθούν να μην μπορούν να κατασκευάσουν γενετικά αυτοφωτεινούς οργανισμούς επειδή δεν γνωρίζουν τις βιοσυνθετικές οδούς για τις περισσότερες λουσιφερίνες. (Η μόνη εξαίρεση είναι στα βακτήρια:οι ερευνητές έχουν εντοπίσει τα γονίδια «lux» που κωδικοποιούν το βακτηριακό σύστημα λουσιφερίνης-λουσιφεράσης, αλλά αυτά τα γονίδια πρέπει να τροποποιηθούν για να είναι χρήσιμα σε οποιονδήποτε μη βακτηριακό οργανισμό.)

Μία από τις μεγαλύτερες πιθανές χρήσεις της λουσιφερίνης και της λουσιφεράσης είναι στην έρευνα κυτταρικής βιολογίας — η εισαγωγή τους θα ήταν παρόμοια με την εγκατάσταση φώτων σε κύτταρα και ιστούς. «Αυτός ο τύπος τεχνολογίας μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την παρακολούθηση οτιδήποτε, από το πού βρίσκεται ένα κύτταρο, μέχρι την έκφραση γονιδίων, την παραγωγή πρωτεϊνών», είπε η Jennifer Prescher, καθηγήτρια χημείας στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια, Irvine.

Οι χρήσεις για μόρια βιοφωταύγειας θα είναι παρόμοιες με εκείνες της πράσινης φθορίζουσας πρωτεΐνης, η οποία έχει χρησιμοποιηθεί για την παρακολούθηση της μοίρας των μολύνσεων από τον HIV, την απεικόνιση όγκων και την παρακολούθηση της βλάβης των νευρικών κυττάρων στη νόσο του Αλτσχάιμερ.

Επί του παρόντος, οι ερευνητές που χρησιμοποιούν λουσιφερίνη για πειράματα απεικόνισης πρέπει να δημιουργήσουν μια συνθετική έκδοση ή να την αγοράσουν με 50 $ ανά χιλιοστόγραμμο. Η παροχή εξωτερικά παραγόμενων λουσιφερινών στα κύτταρα μπορεί επίσης να είναι κάπως δύσκολη — ένα πρόβλημα που δεν θα υπήρχε εάν τα κύτταρα μπορούσαν να κατασκευαστούν για να παράγουν τη δική τους λουσιφερίνη.

Ενώ οι πρόσφατες μελέτες περιορίζουν τις εξελικτικές και χημικές διεργασίες του τρόπου με τον οποίο οι οργανισμοί παράγουν φως, τόσο μεγάλο μέρος του βιοφωταύγιστου κόσμου παραμένει ακόμα στο σκοτάδι.