Bioluminescenza: la capacità di brillare al buio

CHE COS’È LA BIOLUMINESCENZA ?

La bioluminescenza è un fenomeno per cui gli organismi viventi sono capaci di emettere luce visibile. L’emissione di luce può essere causa di: bioluminescenza caratteristica dell’organismo (lucciole, batteri o protozoi); un meccanismo molecolare che coinvolge reazioni di ossidoriduzione; presenza di batteri simbionti. La bioluminescenza è considerata un tipo di luminescenza, l’emissione di luce da una molecola che, dallo stato eccitato, decade allo stato fondamentale. Lo stato eccitato viene raggiunto a seguito di una somministrazione di energia. A seconda della causa che determina lo stato eccitato si definiscono vari tipi di luminescenza: elettroluminescenza (corrente elettrica in gas ionizzato o semiconduttore), termoluminescenza (temperatura e radioattività), radioluminescenza (materiale radioattivo presente nel fosforo), fotoluminescenza (assorbimento di luce), chemiluminescenza (reazione chimica), bioluminescenza (reazione enzimatica).

La bioluminescenza è considerata un caso speciale di chemiluminescenza in quanto le sostanze chimiche coinvolte sono sintetizzate da cellule viventi e la reazione è catalizzata enzimaticamente quindi, così come nella chemiluminescenza, l’emissione di radiazioni luminose accompagna alcune reazioni chimiche. Tali reazioni sono catalizzate da un enzima, luciferasi, che in presenza di ossigeno favorisce l’ossidazione dei gruppi prostetici delle fotoproteine. Le responsabili dell’emissione di luce sono, generalmente, fotoproteine che permettono l’ossidazione di un gruppo prostetico. I gruppi prostetici sono diversi per i vari organismi ma vengono chiamati con lo stesso nome di luciferina. Il sistema luciferina-luciferasi è alimentato dagli elettroni provenienti dalla normale catena respiratoria batterica, per mezzo della quale una frazione di elettroni viene trasferita dal substrato all’ossigeno.

I colori della bioluminescenza

In natura la bioluminescenza produce diversi colori e i principali sono il blu, il verde e il giallo. Il colore dipende dall’ambiente in cui la specie si è evoluta. La luce blu si osserva nell’oceano profondo, la luce verde nelle specie che vivono lungo le coste, e la gialla (ma anche verde) nelle specie terrestri e di acqua dolce. Specie diverse hanno vari tipi di luciferina e spesso accade che alcune luciferine possono produrre luce di più colori. Alcuni esempi sono la luciferina delle lucciole che produce i colori verde e arancio e la luciferina dei celenterati che produce i colori blu e viola. Inoltre può esservi la presenza di molecole aggiuntive,  i fluorofori, che sono in grado di emettere luce e possono inoltre modificare il colore della luminescenza. La medusa Aequorea victoria contiene uno di questi  fluorofori, la green fluorescent protein (GFP). La GFP assorbe la luce blu prodotta dalla reazione enzimatica e la riemette come luce verde, quindi la bioluminescenza risulta verde.

ORGANISMI BIOLUMINESCENTI

Negli ultimi centinaia di anni, molti scienziati hanno contribuito alla raccolta e alla classificazione degli organismi bioluminescenti. Molto prima Aristotele fu probabilmente il primo ad osservare specie luminescenti e successivamente complete ed estese descrizioni di organismi bioluminescenti furono pubblicati da Plinio il Vecchio. Uno dei primi organismi studiati e descritti fu il mollusco bioluminescente Pholas dactylus, nel Regno Unito comunemente noto come “piddock”.  Il fenomeno della bioluminescenza è proprio di alcuni organismi marini come microrganismi, teleostei, celenterati, cnidari e organismi terrestri come insetti, funghi e anellidi. Tra i principali e più suggestivi casi di  organismi bioluminescenti vi sono gli organismi planctonici: i batteri della famiglia Vibrionaceae (Vibrio fischeri, Vibrio harveyi, Photobacterium phosphoreum) e le alghe dinoflagellate (Noctiluca scintillans, Pyrodinium bahamense, Pyrocystis fusiformis e Lingulodinium polyedrum).

Bioluminescenza del plancton

Il plancton è l’insieme degli organismi acquatici, animali e vegetali, di grande varietà e di dimensioni comprese tra 5 mm e 5 cm, che vivono sospesi nella colonna d’acqua e non hanno alcun rapporto con il fondale marino. La caratteristica comune degli organismi planctonici è l’incapacità di nuotare attivamente, sono trasportati dalle correnti e dalle onde marine. La bioluminescenza dei batteri del genere Photobacterium e Vibrio avviene quando i batteri raggiungono una certa concentrazione soglia: maggiore è la quantità di batteri più intensa è la luce emessa. Tale fenomeno luminoso nell’oceano è conosciuto come “milky sea”, ampie aree di mare di notte brillano così intensamente da essere viste dai satelliti terrestri. Tra gli organismi planctonici capaci di emettere luce vi sono anche le alghe dinoflagellate del genere Noctiluca. In questo caso la luce viene prodotta in seguito ad uno stimolo meccanico come il moto ondoso o il contatto con un altro organismo. La bioluminescenza del plancton si può osservare in tanti luoghi nel mondo in particolare a Bali (Indonesia), a Cairns (Australia), a Cortez (Florida), nei laghi di Gippsland (Australia), a Reethi beach (Maldive), a Mission Bay (California).

GLI SCOPI DELLA BIOLUMINESCENZA

Quali sono gli scopi di avere la capacità di brillare nel buio? Può sembrare un paradosso ma farsi notare ha i suoi vantaggi. Emettere luce comporta un dispendio di energia necessario per il funzionamento dell’enzima luciferasi, se non ci fossero dei benefici non sarebbe una capacità che si è conservata ed evoluta nel tempo. Gli scopi della bioluminescenza sono molteplici: l’aposematismo (tossicità apparente)  per apparire come specie velenose ai possibili predatori (ad esempio le lucciole  Photinus ignitus e Lucidata atra); difesa per spaventare i predatori emettendo intermittenti lampi luminosi (ad esempio il pesce lanterna); corteggiamento per comunicare prima e dopo l’accoppiamento; adescamento usando la luce come esca per attirare le prede (ad esempio la rana pescatrice); mimetizzazione per confondersi con l’ambiente circostante. Un animale in mare può apparire scuro rispetto alla lucentezza della superficie dell’acqua, dunque produrre la propria luce può aiutare i pesci abissali a nascondersi da possibili predatori (ad esempio i calamari come Abralia verany). Un altro importante vantaggio di brillare nel buio è quello di illuminare il predatore rendendolo visibile ai predatori del livello trofico successivo, tale illuminazione è percepita come un pericolo e genera quindi la fuga.