ألغاز الطبيعة: تلألؤ بيولوجي

2024 مؤلف: Seth Attwood | [email protected]. آخر تعديل: 2023-12-16 15:57

التلألؤ البيولوجي هو قدرة الكائنات الحية على التوهج ببروتيناتها الخاصة أو بمساعدة البكتيريا التكافلية.

اليوم ، حوالي 800 نوع من الكائنات الحية المضيئة معروفة. يعيش معظمهم في البحر. هذه هي البكتيريا ، وطحالب سوطية وحيدة الخلية ، وعوامل إشعاعية ، وفطريات ، وعوالق ، وريش معوي ، وريش البحر ، و ctenophores ، وشوكيات الجلد ، والديدان ، والرخويات ، والقشريات ، والأسماك.

بعض أكثر الحيوانات توهجًا هي الخنافس الناريّة. من بين أنواع المياه العذبة التي تتلألأ بيولوجيًا ، من المعروف أن رخويات بطنيات الأقدام النيوزيلندية Latia neritoides وعدد من البكتيريا معروفة. من بين الكائنات الحية الأرضية ، تتوهج أنواع معينة من الفطريات وديدان الأرض والقواقع والديدان الألفية والحشرات.

على مستوى العالم المصغر ، التوهج الضعيف للغاية ، والذي لا يمكننا تسجيله إلا بمساعدة أجهزة قياس الضوء شديدة الحساسية ، هو أحد الآثار الجانبية لتحييد أنواع الأكسجين التفاعلية بواسطة الإنزيمات ، وهو أمر ضروري ولكنه سام للخلايا ، التي تشارك في عملية أكسدة الجلوكوز. كما أنها توفر الطاقة اللازمة للتلألؤ الكيميائي لبروتينات الفوسفور المختلفة.

أحد أول المصابيح البكتيرية - قارورة بثقافة بكتيريا مضيئة - تم الترفيه عنها منذ أكثر من مائة عام من قبل عالم النبات وعالم الأحياء الدقيقة الهولندي مارتن بيجيرينك. في عام 1935 ، أضاءت هذه المصابيح القاعة الكبيرة لمعهد باريس لعلوم المحيطات ، وأثناء الحرب عالم الأحياء الدقيقة السوفيتي أ. استخدمت إيغوروفا البكتيريا المضيئة لأغراض مجردة - لإلقاء الضوء على المختبر.

ويمكنك إجراء تجربة مماثلة: ضع السمك النيء أو اللحم في مكان دافئ ، وانتظر أسبوعًا أو أسبوعين ، ثم اصعد ليلًا (من الجانب المواجه للريح!) وانظر ما سيحدث - من المحتمل أن البكتيريا تسكن سوف يتوهج وسط المغذيات بضوء آخر. تتوهج البكتيريا ، خاصة من أجناس Photobacterium و Vibrio ، والكائنات العوالق متعددة الخلايا (في الصورة) في البحر ، لكن المصدر الرئيسي للضوء هو أحد أكبر الكائنات الحية أحادية الخلية (حتى 3 مم!) والكائنات الحية المعقدة أحادية الخلية - طحالب سوط الليل خفيفة.

في البكتيريا ، تنتشر بروتينات الفوسفور في جميع أنحاء الخلية ؛ في الكائنات حقيقية النواة أحادية الخلية (مع نواة الخلية) ، توجد في حويصلات محاطة بغشاء في السيتوبلازم. في الحيوانات متعددة الخلايا ، ينبعث الضوء عادة من خلايا خاصة - خلايا ضوئية ، غالبًا ما يتم تجميعها في أعضاء خاصة - حوامل ضوئية.

تتوهج الخلايا الضوئية من تجاويف الأمعاء والحيوانات البدائية الأخرى ، وكذلك الصور الضوئية التي تعمل بسبب البكتيريا التكافلية ، بشكل مستمر أو لعدة ثوان بعد التحفيز الميكانيكي أو الكيميائي. في الحيوانات التي لديها نظام عصبي متطور إلى حد ما ، فإنه يتحكم في عمل الخلايا الضوئية ، ويقوم بتشغيلها وإيقافها استجابةً للمؤثرات الخارجية أو عندما تتغير البيئة الداخلية للجسم.

بالإضافة إلى النوع داخل الخلايا ، في جمبري أعماق البحار والأخطبوطات والحبار والحبار ، هناك نوع إفرازي من التوهج: يتم إخراج مزيج من منتجات إفراز غدتين مختلفتين من الوشاح أو من أسفل القشرة وينتشر في الماء مثل السحابة الساطعة ، وعمى العدو.

مثال كلاسيكي آخر على تلألؤ بيولوجي هو تعفن الخشب. ليست الشجرة نفسها هي التي تضيء فيها ، ولكن فطريات فطر العسل العادي.

وفي الفطريات الأعلى من جنس Mycena ، التي تنمو أيضًا على شجرة متعفنة ، ولكن في المناطق الدافئة مثل البرازيل واليابان ، تتوهج الأجسام المثمرة - ما يسمى عادةً بالفطر (على الرغم من أن العفن والخمائر والفطريات الأخرى هي أيضًا عيش الغراب ، إلا أن الأنواع السفلية منها فقط). أحد الأنواع من هذا الجنس يسمى M. lux-coeli ، "mycene - ضوء سماوي."

التطبيق الأكثر لفتا للانتباه للتلألؤ البيولوجي هو خلق النباتات والحيوانات المعدلة وراثيا. تم إنشاء أول فأر تم إدخال جين GFP في الكروموسومات في عام 1998.

هناك حاجة لبروتينات متوهجة للعمل على تقنيات لإدخال جينات غريبة في كروموسومات الكائنات الحية المختلفة: إذا توهجت ، فهذا يعني أن الطريقة تعمل ، يمكنك استخدامها لإدخال الجين المستهدف في الجينوم. تم طرح أول سمكة مضيئة - سمكة الزرد المعدلة وراثيًا (Brachydanio rerio) وأسماك أرز الميداكا اليابانية (أوريزياس لاتيبس) - للبيع في عام 2003.

البحر المتوهج

أولئك الذين حالفهم الحظ بما يكفي للسباحة في البحر ليلا أثناء توهجه سيتذكرون هذا المنظر الساحر مدى الحياة. غالبًا ما يكون سبب التوهج هو الطحالب السوطية لضوء الليل (Noctiluca). في بعض السنوات ، يزداد عددها لدرجة أن البحر كله يضيء. إذا لم يحالفك الحظ ووجدت نفسك على شواطئ البحار الدافئة في الوقت الخطأ ، فحاول صب ماء البحر في مرطبان وأضف القليل من السكر هناك.

سوف يتفاعل نوكتليستس مع هذا عن طريق زيادة نشاط بروتين لوسيفيرين. هز الماء واستمتع بالتوهج المزرق. وعندما تتوقف عن الإعجاب ، يمكنك أن تتذكر أنك تبحث في أحد ألغاز الطبيعة التي لم يتم حلها: فقد لوحظ عدم وضوح الآليات التطورية لظهور القدرة على التوهج في الأصناف المختلفة في فصل منفصل من " أصل الأنواع "لداروين ، ومنذ ذلك الحين لم يتمكن العلماء من تسليط الضوء على هذا السؤال هو نور الحقيقة.

يمكن أن يكون اللمعان قد تطور في الكائنات الحية التي تعيش في ظروف إضاءة جيدة ، بناءً على مركبات الصبغ التي تؤدي وظيفة حماية الضوء.

لكن التراكم التدريجي للسمة - فوتون واحد في الثانية ، اثنان ، عشرة - بالنسبة لهم ولأقاربهم في الليل وفي أعماق البحار لا يمكن أن يؤثر على الانتقاء الطبيعي: مثل هذا التوهج الضعيف لا تشعر به حتى أكثر العيون حساسية ، و يبدو من المستحيل أيضًا ظهور آليات جاهزة للتوهج الشديد على الموقع العاري. وحتى وظائف التوهج في العديد من الأنواع تظل غير مفهومة.

لماذا يتوهجون؟

تجذب المستعمرات البكتيرية والفطريات المتوهجة الحشرات التي تنشر الجراثيم أو الأبواغ أو الفطريات. تقوم يرقات البعوض النيوزيلندي Arachnocampa آكلة الحشرات بنسج شبكة محاصرة وتضيءها بجسمها ، وتجذب الحشرات.

ومضات الضوء يمكن أن تخيف الحيوانات المفترسة من قناديل البحر ، وتمشط الهلام وغيرها من الكائنات اللطيفة التي لا حول لها ولا قوة. للغرض نفسه ، تتوهج الشعاب المرجانية والحيوانات الاستعمارية الأخرى التي تنمو في المياه الضحلة استجابةً للتحفيز الميكانيكي ، كما يبدأ جيرانهم ، الذين لم يلمسه أحد ، في الوميض. تقوم الشعاب المرجانية في أعماق البحار بتحويل الضوء الضعيف قصير الموجة الذي يصل إليها إلى إشعاع بطول موجي أطول ، ربما للسماح للطحالب التكافلية التي تعيش في أنسجتها بعملية التمثيل الضوئي.

سنارة صيد مع لمبة

يعتبر ترتيب أسماك Anglerfish (Lophiiformes) هو الأكثر تنوعًا (16 عائلة ، وأكثر من 70 جنسًا وأكثر من 225 نوعًا) وربما الأكثر إثارة للاهتمام من أسماك أعماق البحار. (كثيرون على دراية بصيادي البحر ليس من كتاب علم الحيوان ، ولكن من الرسوم المتحركة "العثور على نيمو").

إناث الصياد هي مفترسات لها أفواه كبيرة وأسنان قوية ومعدة منتفخة للغاية. في بعض الأحيان ، توجد أسماك الصياد الميتة على سطح البحر ، تختنق بالأسماك بأكثر من ضعف حجمها: لا يستطيع المفترس إطلاقها بسبب بنية أسنانها. يتم تحويل الشعاع الأول من الزعنفة الظهرية إلى "قضيب صيد" (إيليسيوم) مع "دودة" مضيئة (إسكا) في نهايته. إنها غدة مليئة بالمخاط تحتوي على بكتيريا ضيائية حيوية. بسبب توسع جدران الشرايين التي تغذي الإسكو بالدم ، يمكن أن تتسبب الأسماك بشكل تعسفي في تألق البكتيريا التي تحتاج إلى إمداد بالأكسجين لهذا الغرض ، أو إيقافه ، مما يؤدي إلى تضييق الأوعية.

عادة ، يحدث التوهج في شكل سلسلة من الومضات الفردية لكل نوع. Illicium في النوع Ceratias holboelli قادر على التحرك للأمام والتراجع إلى قناة خاصة على الظهر. يستدرج هذا الصياد الطُعم المضيء تدريجيًا إلى فمه حتى يبتلع الفريسة. و Galatheathauma axeli لديه الطعم مباشرة في الفم.

يمكن أن يعمل موقع الفوسفور وحتى طبيعة وميض البقع المتوهجة على التواصل - على سبيل المثال ، لجذب الشريك. وتبدأ إناث حشرة اليراع الأمريكية Photuris المبرقشة ، بعد التزاوج ، في "التغلب على شفرة مورس" لإناث الأنواع الأخرى ، وتجذب الذكور ليس من أجل الحب ، ولكن لأغراض تذوق الطعام.

قبالة سواحل اليابان ، يتم الاحتفال بحفلات الزفاف الجماعية من قبل umitoharu (اليراعات البحرية) - وهي قشريات صغيرة بطول 1-2 مم من جنس Cypridina - والحبار Watasenia scintellans. أجسام Vatazenia يبلغ طولها حوالي 10 سم ، جنبًا إلى جنب مع مخالب ، منقطة باللآلئ الضوئية وتضيء مساحة قطرها 25-30 سم - تخيل كيف يبدو البحر مع مجموعة كاملة من هذه الحبار!

في العديد من رأسيات الأرجل في أعماق البحار ، يتم رسم الجسم بنمط من البقع الضوئية متعددة الألوان ، وتكون الصور الضوئية معقدة للغاية ، مثل كشاف يضيء في الاتجاه الصحيح فقط مع عاكسات وعدسات (أحيانًا مزدوجة وملونة).

العديد من الجمبري في أعماق البحار لديها القدرة على التوهج. على الأطراف وعلى الجانبين وعلى الجانب البطني من الجسم ، لديهم ما يصل إلى 150 صورة ضوئية ، وأحيانًا مغطاة بالعدسات. موقع وعدد الصور الضوئية لكل نوع ثابت تمامًا وفي ظلام أعماق المحيط يساعد الذكور في العثور على الإناث وكل ذلك معًا - للتجمع في قطعان.