Fosforescencja i Cudowne Świetliki… i inne świecące organizmy

„Najpiękniejszym z naszych możliwych doświadczeń – napisał Albert Einstein – jest tajemniczość; to ona daje początek wszelkiej prawdziwej sztuce i wszelkiej nauce. Ten, komu ta emocja jest obca, kto nie potrafi już się zdumiewać, pogrążać w zachwycie, ten na dobrą sprawę już nie żyje, ten zamknął już oczy”

Czytam właśnie ksiażkę, pt. Fosforescencja Julii Baird, w której, o „świeceniu” organizmów mówi się dużo. To co zwykle wydawało się nam niedostępne, staje się widoczne i zrozumiałe. Albo to co tajemnicze jest blisko, na wyciągnięcie ręki – trzeba tyko to dostrzec i celebrować. Niewiele jest tak wciągających, ciekawych i kojących treści płynących prosto z zachwytu nad naturą:

Wewnętrzne światło

Niewiele jest zjawisk równie szokujących jak nieziemska poświata napotkana gdzieś w dziczy, na łonie natury. Świetliki. Świeciuchy. Grzyby luminescencyjne. Latarenkowce. Rekiny z rodziny Etmopteridae. Wampirnice. Neonowo niebieskie fale. Ściółka i korony drzew w lasach, a także głębie i brzegi oceanów pełne są świecących organizmów, stworzeń rozświetlonych od wewnątrz. Od wieków uwodzą nas one swoją magią, niczym świetliści misjonarze zdumienia, emisariusze zachwytu.
Okazuje się, że my również świecimy w ciemności słabym światłem, nawet za dnia. Najwyraźniej jest to cecha wspólna wszystkich żywych organizmów. W 2009 roku opublikowano wyniki badania, w ramach którego pięciu młodych, zdrowych Japończyków umieszczono w pomieszczeniach bez dostępu światła, gdzie – rozebrani do pasa – przez trzy dni w trzygodzinnych odstępach spędzali po dwadzieścia minut. Bardzo czuły system wizyjny pozwolił ustalić, że wszyscy mężczyźni świecili światłem o zmiennym natężeniu w różnych porach dnia, najsilniej z powierzchni twarzy.
Wprawdzie liczebność próby była niewielka, a badania chyba nie powtarzano, ale pomysł był wyśmienity.
Autorzy eksperymentu, Masaki Kobayashi, Daisuke Kikuchi i Hitoshi Okamura, stwierdzili w konkluzjach, że wszyscy „bezpośrednio i rytmicznie” emitujemy światło:
„Ludzkie ciało dosłownie migocze. Natężenie światła emitowanego przez ciało jest tysiąc razy niższe niż czułość naszego nieuzbrojonego oka”.

Być może wszyscy składamy się z pyłu gwiezdnego.

Amerykańska pisarka i biolożka morska Rachel Carson odkryła zjawisko żywego światła, kiedy brodziła w nocy wzdłuż wybrzeża Atlantyku, oświetlając latarką ciemne wody. W sierpniu 1956 roku napisała do ukochanej przyjaciółki, Dorothy Freeman:
Przez cały dzień morze było wezbrane, wzburzone i głośne, więc koło północy zrobiło się naprawdę fascynujące – wszystkie moje skały wieńczyła czapa piany. […] Żeby w pełni doświadczyć dzikości natury, pogasiliśmy latarki – i dopiero wtedy zaczęły się prawdziwe emocje. W falach roiło się od diamentów i szmaragdów, przybój ciskał je dziesiątkami na mokry piasek. Dorothy, najdroższa, tej nocy byliśmy tam całą duszą, tylko wszystko było bardziej intensywne niż zwykle; dziki akompaniament szumu i ruchu, a nade wszystko fosforescencja. Poszczególne iskierki były ogromne – widzieliśmy, jak żarzą się na piasku, a czasami, pochwycone przez igraszki fal, unoszą się tam i z powrotem. Kilkakrotnie sądziłam już, że złapałam którąś w dłoń wśród muszli i żwiru, zdawało mi się, że taką dużą
na pewno będzie można obejrzeć, ale nic z tego.

Kolejną zdumiewającą rzeczą, jaką zobaczyła Carson tej nocy, był świetlik unoszący się nad wodą, w której odbijał się „jak mały reflektor” – badaczka zdała sobie wtedy sprawę, że owad wziął iskierki na wodzie za inne świetliki. Uratowała go przed utonięciem w lodowatym morzu, wkładając do wiaderka, żeby obeschły mu skrzydełka. Autorka późniejszej Silent Spring (Milcząca wiosna), książki, która dała początek współczesnemu ruchowi ekologicznemu, napisała: „To było jedno z tych doświadczeń, które pozostawiają po sobie osobliwe i trudne do opisania odczucie, w którym poza gołymi faktami jest mnóstwo podtekstów. […] Wyrazić coś takiego naukowym językiem!”. W rzeczy samej.

Język, jakim w ciągu stuleci posługiwali się naukowcy opisujący to nieziemskie zjawisko, zmieniał się wraz z powiększaniem się wiedzy na ten temat. Uwalnianie światła przez substancje naturalne lub organizmy (które zwykle reemitują wchłanianą przez długi okres energię cieplną, na przykład słoneczną) od lat 70. XVIII wieku nazywa się „fosforescencją”; na początku XX wieku stworzono specjalny termin „bioluminescencja”, opisujący emisję światła biochemicznego przez organizmy żywe, często fitoplankton (który za dnia może przypominać „czerwoną falę” glonów), pod wpływem fal lub ruchu w wodzie. Niektórzy badacze – wśród nich Rachel Carson – posługiwali się później tymi terminami zamiennie.

Zanim nauka wyjaśniła poszczególne formy zjawiska fosforescencji, było ono materiałem dla mitów i legend. Arystoteles głowił się nad zagadką mokrego drewna, które świeciło w ciemności. Japończycy wierzyli, że świetliki to dusze zmarłych, a konkretnie samurajów poległych na polu bitwy. Żeglarze, którym zdarzyło się płynąć przez świecące zakwity, sądzili, że to fale się palą; opowiadali o „płonących morzach”, „mlecznych oceanach” albo „rozżarzonych węglach” na wodzie; również Arystoteles pisał o „ognistych wyziewach z morza”. W 1637 roku francuski filozof Kartezjusz zaobserwował, że woda morska „wytwarza iskry podobne do tych, które sypią się z uderzanych kawałków krzemienia”. W 1688 roku francuski jezuita i misjonarz ojciec Tachard orzekł, że iskry te powstają, kiedy „słońce za dnia zapładnia morze nieskończoną liczbą ognistych i świetlistych duchów”, które po zapadnięciu ciemności jednoczą się, „by zgasnąć w stanie wzburzenia”. Niektórzy obserwatorzy smug światła wymykających się przed dziobem na Oceanie Indyjskim nazywali je „kołami Posejdona”.

Dla mnie światła te stanowią dziś idealną metaforę przebłysków życia pośród mroku albo chwil radości w trudnych czasach. W ubiegłych wiekach były one uznawane za magię w czystej postaci. W 1845 roku podczas rejsu po południowym Atlantyku, w rejonie ujścia La Platy, Karol Darwin zachwycił się morzem, które „przedstawiało dziwny i piękny widok. […] Okręt wzbijał swym dziobem dwie fale płynnego fosforu i ciągnął za sobą mleczny tren. Jak okiem sięgnąć, grzebień każdej fali jaśniał i niebo nad horyzontem dzięki odbiciu tego mdłego światła nie było tak całkiem czarne jak na sklepieniu”.

Poważne próby zrozumienia tych tajemniczych zjawisk podjęto dopiero po I wojnie światowej. W czasie konfliktu niewielkie naturalne źródła światła pod powierzchnią morza przypadkowo wspomogły wysiłek wojenny, podświetlając łodzie podwodne: w listopadzie 1918 roku u wybrzeży Hiszpanii oficerowie brytyjskiej marynarki wojennej wyśledzili w głębi, a następnie zaatakowali duży, świetlisty obiekt, którego kontury wyznaczał „podmorski ogień”. Był to ostatni niemiecki u-boot zniszczony w czasie tej wojny… ~Julia Baird, fragment Fosforescencji, 2022

Czym jest bioluminescencja?

Trudno o bardziej fascynujący i oddziałujący na wyobraźnię fenomen natury niż bioluminescencja. Przez znaczną część historii naszego gatunku zdążyliśmy się przyzwyczaić, że większość źródeł światła (a do pewnego momentu wszystkie nam znane) były związane z ciepłem. Ogień dawał światło, ale także i ciepło, podobnie wyładowanie elektryczne w lampie łukowej oraz włókno żarowe w klasycznej żarówce. Dzięki obserwacjom natury znaliśmy jednak organizmy potrafiące wytwarzać własne światło. W odróżnieniu jednak od sztucznego światła, jakie potrafiliśmy generować na własne potrzeby, to blask wytwarzany np. przez niektóre owady można określić jako zimny, ponieważ nie wiąże się on z zauważalnym wzrostem temperatury. Z tego powodu często sądzono, że światło produkowane przez żywe istoty jest innej natury niż to dawane nam przez ogień. Bywało to wykorzystywane jako argument na rzecz istnienia tajemniczej siły przepajającej całą przyrodę i nazywanej między innymi jako vis vitalis (gr. siła życia) [1].
Bioluminescencja jest właściwie przypadkiem szczególnym chemiluminescencji, to znaczy zjawiska, podczas którego dochodzi do emisji promieniowania elektromagnetycznego z zakresu światła widzialnego kosztem energii wyzwolonej podczas specyficznych reakcji chemicznych. Nie jest ona wcale tak rzadkim zjawiskiem, jakby mogło się wydawać, ponieważ organizmy, u których występuje, należą do wielu odległych względem siebie grup, np. bakterii Bacteria, protistów Protista, grzybów Fungi, jamochłonów Coelenterata, mięczaków Mollusca, skorupiaków Crustacea, owadów Insecta, osłonic Tunicata, a nawet ryb Piscis. Biorąc to pod uwagę, możemy z pewnością stwierdzić, że bioluminescencja nie powstała w toku ewolucji jedynie raz, a raczej wielokrotnie.
Żyjące w warunkach morskich bakterie świecące należą głównie do rodzajów Vibrio i Photobacterium. Nie są chorobotwórcze i można hodować ich kolonie na odpowiednich pożywkach. Oczywiście światło pojedynczej bakterii nie jest możliwe do zaobserwowania ludzkim okiem, ale kolonie składające się z wielu komórek emitują już całkiem wyraźny niebieski blask (fot. 1).
 

Wśród innych grzybów spotykanych na terenie Polski podobne właściwości ma pasożytująca na drzewach (podobnie jak łycznik) opieńka miodowa Armillaria mellea, w przypadku której świecą głównie jej ryzomorfy. Wiele egzotycznych gatunków grzybów emituje nawet wyraźniejsze światło, czego przykładem może być kielichowiec pomarańczowy Omphalotus olearius czy Omphalotus illudens [3].
Wśród obdarzonych zdolnością bioluminescencji organizmów zwierzęcych żyjących w naszym kraju koniecznie wspomnieć trzeba chrząszcze Coleoptera z rodziny świetlikowatych (robaczków świętojańskich) Lampyridae:

• iskrzyk Phausis splendidula,
• świeciuch Phosphaenus hemipterus,
• świetlik świętojański Lampyris noctiluca.

W moich poszukiwaniach spotkałem iskrzyka, dlatego postaram się opisać pewne obserwacje z udziałem tego sympatycznego owada. W jego przypadku zdolność do emisji światła mają zarówno samce, jak i samice (których niestety nie udało mi się zaobserwować). Jest to wyraźna różnica w stosunku do świetlika świętojańskiego, w przypadku którego światło emitują jedynie samice.

ISKRZYK

Świetlikowate, nazywane też bardziej poetycko robaczkami świętojańskimi, są grupą owadów z rzędu chrząszczy. Jest to dosyć liczna rodzina, ponieważ należy do niej nawet około 2000 gatunków podzielonych na 83 rodzaje. Rozpowszechnione są na całym świecie, jednak największą różnorodność gatunkową osiągają w tropikalnych rejonach Azji i Ameryce Południowej [4].
Wielu przedstawicieli tej rodziny – choć nie wszyscy – znanych jest ze swej zdolności do bioluminescencji. Barwa wytwarzanego światła we wszystkich przypadkach jest jasnozielona. Narządy świetlne są położone na brzusznej stronie odwłoka i mogą przyjmować zróżnicowane kształty: pojedynczej plamki lub plamek, paska, a u niektórych pokrywają całe segmenty odwłoka. Wytwarzanie światła służy tym owadom do komunikacji, sygnalizowania przynależności gatunkowej i ma swoje znaczenie w odnajdywaniu partnera. Larwy wspomnianych chrząszczy występują powszechnie w środowiskach o średnim stopniu wilgoci, gdzie znaleźć je można wzdłuż strumieni i stawów, a także w ściółce i gnijących kłodach. W wilgotnych środowiskach spotykamy je ponad ziemią. Uaktywniają się w nocy, często tuż po opadach deszczu. Wszystkie znane larwy świetlikowatych mają zdolność do bioluminescencji, podobnie jak ich formy dorosłe.
Zdarza się, że samice niektórych świetlikowatych naśladują błyski spokrewnionych gatunków i zjadają zwabione w ten sposób samce. Czasem udaje się też zaobserwować synchroniczne błyski wielu samców [5].
Po tym krótkim wstępie, przybliżającym bardziej ogólnie interesującą rodzinę owadów, do której należy bohater niniejszego artykułu, możemy zapoznać się bliżej z nim samym.
Iskrzyk, jak już wspomniałem, jest jednym z trzech gatunków świetlikowatych występujących na terenie naszego kraju. Szczególnie chętnie bytuje na skrajach lasów obficie porośniętych krzewami, w zbiorowiskach wysokich bylin, okolicach żywopłotów i w parkach.
Owad charakteryzuje się bardzo wyraźnym dymorfizmem płciowym. Samce są uskrzydlone, z brązowymi pokrywami skrzydeł i nieco jaśniejszym przedpleczem wyposażonym przejrzystą płytką podzieloną na dwie części (fot. 3). Cecha ta dosyć wyraźnie odróżnia iskrzyka od świetlika świętojańskiego, u którego wspomniana płytka nie jest podzielona.
Samice z kolei są bezskrzydłe i swoim wyglądem przypominają larwy – są też wyraźnie większe od samców, mogą osiągać nawet do 2,5 cm długości. Świetliki obu płci są wyposażone w narządy świetlne położone na spodniej stronie ciała (fot. 4).
 

Zasięg tego gatunku rozciąga się od w południowo-wschodniej części Europy przez Europę Środkową, docierając na zachód do Renu, a na południe do środkowych Włoch i Półwyspu Bałkańskiego. W regionach położonych bardziej na północ jest spotykany wyraźnie rzadziej. W Polsce iskrzyk jest dość pospolity – występuje od Bałtyku aż po Tatry. Zamieszkuje tereny nizinne i podgórza. 
Produkcja światła dla iskrzyka jest bardzo żywotnym zagadnieniem, ponieważ ma na celu przywabienie partnera. Samice emitują jasnozielone światło z narządu świetlnego zlokalizowanego na spodzie ciała, w pobliżu końca odwłoka, co ma na celu przywabienie uskrzydlonych, a więc bardziej ruchliwych samców. Samice emitują światło przez około dwie godziny każdego wieczora, do momentu zwabienia odpowiedniego samca. Z obserwacji wynika, że pojedyncza samica może powtarzać ten cykl nawet około 10 razy, jeśli nie znajdzie wcześniej partnera. Chrząszcze te są najaktywniejsze w czerwcu i lipcu. Prowadzą nocny tryb życia.
Nietrudno się domyślić, że jednymi z najważniejszych narządów położonych w części głowowej samca chrząszcza są olbrzymie kuliste oczy złożone (fot. 5). 
 

Wielkość oczu owada nie dziwi, ponieważ najważniejszym jego celem jest zauważenie i ocena światła wytwarzanego przez napotkaną samicę – w sprzyjających warunkach chrząszcz potrafi dostrzec wybrankę nawet z odległości 50 metrów. Blask wytwarzany przez pojedynczego samca także robi wrażenie – można skorzystać z niego jak z niewielkiej latarenki, co umożliwia np. odczytanie tekstu (fot. 6).
 

Iskrzyk emituje światło w sposób ciągły, ale potrząsanie odwłokiem przez samicę powoduje często wrażenie migotania. Owad może regulować w pewnym zakresie produkcję światła, kontrolując dopływ tlenu do struktur emitujących światło (fot. 7). 
 

Reakcja chemiczna, w trakcie której dochodzi do emisji światła, jest katalizowana przez specyficzny enzym, którego szczegółowa struktura chemiczna jest określana przez indywidualną informację genetyczną owada – dzięki temu między osobnikami mogą występować niewielkie różnice w świeceniu. Dodatkowo sama jasność bioluminescencji jest dla samców wskaźnikiem żywotności, a więc także płodności samic. Pozwala to na optymalny dobór partnera do rozrodu – samce częściej zwracają uwagę na samice produkujące jaśniejsze światło [6] [7]. Z wiadomych powodów samce świetlików bywają wabione także przez sztuczne źródła światła.
Formy dorosłe iskrzyków żyją dosyć krótko, maksymalnie do kilku tygodni i praktycznie nie pobierają pokarmu – polegają na rezerwach energetycznych zgromadzonych w czasie życia larwalnego. Po dokonaniu godów imagines giną, a z jaj złożonych w nieco wilgotniejszych miejscach (np. pod mchem) po kilku tygodniach wylęgają się drapieżne larwy, których głównym pokarmem są ślimaki, dżdżownice i tym podobne niewielkie zwierzęta. Larwy przed przepoczwarczeniem mogą żyć dwa lata – zimują zagrzebane w glebie, pod kłodami, kamieniami lub w butwiejącym drewnie.

WYJAŚNIENIE

Zdolność do emisji światła przez organizmy żywe opiera się najczęściej na utlenianiu specyficznych substancji (nazywanych lucyferynami) pod wpływem białkowych katalizatorów – lucyferaz. Lucyferyny i lucyferazy u różnych grup organizmów mają odmienną budowę, czasem bardzo różną. Rysunek 1 obrazuje strukturę lucyferyny robaczków świętojańskich [8].
 

Podobnie jak w większości reakcji chemiluminescencyjnych – do których należy też bioluminescencja – możemy zauważyć pewien schemat:

X → [Y]* → Y + hv

Jak widzimy, wyniku reakcji substratu X (w naszym przypadku lucyferyny) pod wpływem katalizatora powstaje produkt przejściowy [Y]*, który istnieje początkowo w stanie wzbudzonym o wysokiej energii. Stan taki jest metastabilny, a więc nietrwały. Produkt przejściowy przekształca się więc spontanicznie w produkt ostateczny Y (o niższej energii), co jest termodynamicznie dużo bardziej korzystne. Nadwyżka energii zostaje oddana do środowiska w postaci energii promienistej hv. Dzieje się tak, ponieważ – jak wiemy z zasady zachowania energii – nie może ona powstać z niczego ani zniknąć bezpowrotnie [9].
W laboratorium możemy przeprowadzić wiele różnych reakcji chemiluminescencyjnych, których substratami są otrzymane syntetycznie substancje. Fotografia 8 przedstawia roztwór zsyntezowanej przeze mnie substancji będącej szczawianową pochodną waniliny C8H8O3 wraz z sensybilizatorem (barwnikiem fluorescencyjnym) w octanie etylu C4H8O2.
Po dodaniu do roztworu niewielkiej ilości utleniacza w postaci nadtlenku wodoru H2O2 i przy pomocy odpowiednich katalizatorów rozpoczyna się reakcja, podczas której jest emitowane zimne światło (fot. 9).
Opisana reakcja nie jest jedynie ciekawostką. Podobne związki są wykorzystywane w chemicznych źródłach światła dostępnych komercyjnie – inspiracją do pewnego stopnia były tutaj właśnie owady i inne organizmy zdolne do wytwarzania naturalnego światła. 
 

autor: Marek Ples

źródło: czasopismobiologia.pl, fot. swiatobrazu.pl