Żywe światła (cz. 1) *

Gdy nadchodzi noc świętojańska, szukający kwiatu paproci, przy odrobinie szczęścia, mogą zobaczyć w ciemnym lesie światełka. Podróżujący statkiem, stojąc w nocy na pokładzie, widzą czasami, jak powierzchnia morza zaczyna rozbłyskiwać niebiesko-zielonym światłem. W XIX wieku pacjenci szpitali wojskowych obserwowali świecenie ran. Na pierwszy rzut oka zjawiska te wydają się ze sobą niezwiązane. Łączy je, jak się zapewne domyślacie, jedno – w każdym z wyżej wymienionych przykładów źródłem obserwowanego promieniowania były żywe organizmy.

Zjawisko świecenia niektórych żywych organizmów, tzw. bioluminescencja, od wieków intrygowało ludzi. Dopiero jednak szybki postęp nauk chemicznych i biochemicznych pozwolił wyjaśnić to zagadkowe zjawisko. Zjawisko po raz kolejny wskazujące na niezrównany stwórczy projekt i jego piękno.

Technicznie nieosiągalna wydajność świetlna

Historia odkrycia mechanizmów bioluminescencji sięga roku 1887. Wtedy to Francuz, Raphael Dubois, znalazł w święcącym śluzie skałotoczka daktylowego dwie substancje, które wchodząc w reakcję wytwarzają światło. Jedną z nich ów Francuz nazwał lucyferyną, a tę drugą lucyferazą. Chemiczna budowa tej drugiej substancji nie jest jeszcze do końca poznana. Wiadomo jedynie, że zawiera ona około 1000 jednostek aminokwasów, a jej struktura jest bardzo skomplikowana i trudna do rozpoznania.

Bioluminescencja powstaje w wyniku enzymatycznej reakcji chemicznej polegającej na utlenianiu lucyferyny tlenem atmosferycznym w obecności enzymu – lucyferazy. Z chemicznego punktu widzenia, lucyferyna i lucyferaza różnych gatunków mogą być zupełnie odmiennymi związkami wykazującymi jednak podobne właściwości i działającymi w podobny sposób. Reakcja wymaga dodatkowo udziału kwasu adenozynotrójfosforowego (ATP) i jonów magnezu. W wyniku utleniania powstaje cząsteczka w stanie wzbudzonym – oksylucyferyna, której przejście do stanu podstawowego wiąże się z emisją światła.

Badania tego zjawiska pozwoliły odkryć, że w procesie bioluminescencji nie powstaje żadne ciepło – liczba utleniających się molekuł lucyferyny odpowiada liczbie emitowanych kwantów światła. Bioluminescencja wytwarza więc „zimne” światło – energia przetwarzana jest w całości na światło. To jest właśnie to, co zdumiewa najbardziej, czego nasi inżynierowie do dzisiaj nie są w stanie powtórzyć. Normalna żarówka przemienia w światło najwyżej 4% dostarczanej energii, a świetlówka maksymalnie 10%. Większość dostarczanej energii zostaje roztrwoniona w postaci ciepła – przyznać trzeba, że nasze lampy są bardziej grzejnikami niż źródłami światła. Natomiast w procesie bioluminescencji urzeczywistniona jest najoptymalniejsza zamiana energii w światło – 100% dostarczonej energii zamienione zostaje w światło. Lepiej naprawdę już nie można.

Coś o świecących chrząszczach

U nas najbardziej chyba znanym stworzeniem wykorzystującym bioluminescencję jest robaczek świętojański (Lampyris i Phausis). Chrząszcze te mają na stronie brzusznej dwa świetlne punkty świecące zielono-żółtym światłem. To dlatego świecenie tego chrząszcza można dostrzec tylko wtedy, gdy fruwa on nad obserwatorem.

Ten świecący organ chrząszczy zbudowany jest z trzech warstw komórek. Pierwszą, wewnętrzną, tworzą komórki, których plazma wypełniona jest bardzo drobnymi kryształkami o ostrych krawędziach. Te kryształki wywołują efekt ściany odbijającej światło – podobnie do efektu światła odblaskowego przy rowerze. Środkowa warstwa zawiera właściwe komórki świecące. Komórki te wypełnione są zaokrąglonymi tworami, tzw. mitochondriami, które są miniaturowymi elektrowniami odpowiedzialnymi za wytwarzanie energii. Są one zaopatrzone w liczne kanaliki oddechowe. Trzecią, zewnętrzną warstwą jest skóra. W tym miejscu jest ona przezroczysta, co pozwala na swobodną emisję światła.

Inną ciekawostką jest budowa tarczy szyjnej chrząszcza. Chroni ona jego głowę podobnie jak kask ochronny motocyklistę. Ponadto ten mocny materiał jest tak ukształtowany, że jest on przed oczami chrząszcza – ale tylko tam – przezroczysty.

Jeśli uda nam się zaobserwować liczne punkty świetlne w trawie, są to najpewniej samiczki świetlika. One nie potrafią latać. W okresie godowym wspinają się na najwyższe źdźbła traw i gdy tylko zbliży się samczyk, podnoszą wysoko do góry tył tułowia, zaopatrzony w organ świecący. W ten sposób zielono-żółte światło widoczne jest z daleka i umożliwia parzenie się. Latem samiczka składa jaja w wilgotnym miejscu, pod liśćmi. Z nich rozwijają się najpierw na wpół wyrośnięte larwy. Zimują one w tym samym miejscu, przepoczwarzają się, a następnej wiosny wykluwają się z nich robaczki świętojańskie.

Do wrogów świetlików należą żaby. Jeśli zje ona wiele jaj chrząszczy, wtedy zaczyna w ciemności świecić. Ma to związek z tym, że już jaja świetlików oddają trochę światła – naturalnie, larwy i poczwarki także.

Krewnym naszego świetlika jest świetlik północnoamerykański (Photinus pyralis). W jego przypadku samiczki i samce porozumiewają się przy pomocy błysków świetlnych. Taki błysk trwa tylko sześć setnych sekundy. Warte zapamiętania jest jednak to, że samce emitują błysk w odstępie co 5,7 sekundy, a samiczki odpowiadają w odpowiednim rytmie, ale 2,1 sekundy później. W jaki sposób te chrząszcze potrafią to światło tak szybko i regularnie włączać i wyłączać, tego do dzisiaj nie wie nikt. Podobne zjawisko ma miejsce w lasach południowej Azji. Tam, nad rzekami, na niektórych drzewach gromadzą się tysiące świecących chrząszczy, które następnie, w równym rytmie, zaczynają błyskać. Podróżujący po Birmie lub Tajlandii nie znajdują słów, by opisać to zdumiewające zjawisko – nieraz każdy liść na wielu sąsiednich drzewach zajęty jest przez jednego chrząszcza. Również w tym przypadku nauka nie ustaliła, dlaczego te owady tak wspólnie błyskają.

Niesamowicie efektowny jest również brazylijski chrząszcz „kolejowy” (Phrixothrix). U larwy tego chrząszcza, na przodzie, świecą dwa światełka pomarańczowego koloru. Jeżeli natomiast dostrzeże on niebezpieczeństwo, włącza wówczas po bokach, z lewej i prawej strony, rząd jedenastu zielono świecących lampek i wtedy w ciemności wygląda jak mały pociąg. Z kolei jeden z owadów z rodziny sprężykowatych w tym samym regionie – Pyrophorus noctilucus, którego rodzimi mieszkańcy zwą cucujo, ma tak jasne światło, że niektórzy ludzie zamykają te owady do małych klatek i używają jako latarnie, a kobiety wpinają go sobie czasem we włosy – wieczorem świeci on bowiem jak brylant.

Natomiast podczas II wojny światowej japońscy żołnierze używali w polowych warunkach niektórych świecących owadów do oświetlania swoich map. Dla odmiany marynarze eskortowców korzystali z pomocy bruzdnic (Dinoflagellatae) – jednokomórkowych organizmów planktonowych – które świecąc pod wpływem mechanicznych zaburzeń przyczyniały się do demaskowania okrętów podwodnych.

„Wykorzystanie” świecących owadów nie ogranicza się tylko do tego. W 1986 r. naukowcy pomyślnie wszczepili fragment DNA pobrany ze świecących bakterii do roślin tytoniu, otrzymawszy w ten sposób wspaniałe, świecące plantacje tej rośliny. Otrzymano także soję o świecących na niebiesko korzeniach, gdy odczuwa niedobór azotu. Prowadzone są dalsze badania nad wyhodowaniem roślin, które natężeniem i barwą światła informowałyby o swoich potrzebach i funkcjach życiowych.

(dok. nastąpi)