Bioluminescerande organismer har utvecklats dussintals gånger under livshistorien. Vilken biokemi behövs för att lysa upp mörkret? Olika studier ägnas åt denna fråga. Kasta dig djup nog i havets djup, så ser du inte mörker, utan ljus. 90% av fisken och det marina livet som trivs på djupet 100 eller till och med 1000 meter kan producera sitt eget ljus. Ficklampa fiskar och kommunicerar med hjälp av en slags morskod som skickas med ljusfickor under ögonen. Familjen Platytroctidae fiskar glödande bläck på sina angripare. Kläckfiskar gör sig osynliga genom att släppa ut ljus i buken för att simulera fallande solljus; rovdjur tittar på dem och ser bara en kontinuerlig glöd.
Forskare har indexerat tusentals bioluminescerande organismer i hela livets träd och förväntar sig att lägga till fler. De har dock länge undrat hur bioluminescens blev. Nu, som nyligen publicerade studier visar, har forskare gjort betydande framsteg när det gäller att förstå ursprunget till bioluminescens - både evolutionärt och kemiskt. Ny insikt kan en dag låta bioluminescens användas i biologisk och medicinsk forskning.
En av de långvariga utmaningarna är att bestämma hur många gånger en enda bioluminescens har inträffat. Hur många arter kom till henne oberoende av varandra?
Medan några av de mest kända exemplen på ljus i levande organismer är markbundna - tänk eldflugor, till exempel, ägde de flesta av de evolutionära händelserna i samband med bioluminescens i havet. Bioluminescens är praktiskt taget och uppenbarligen frånvarande i alla markbundna ryggradsdjur och blommande växter.
I havets djup ger ljus organismer ett unikt sätt att locka byte, kommunicera och försvara sig, säger Matthew Davis, en biolog vid Saint Cloud State University i Minnesota. I en studie som publicerades i juni fann han och hans kollegor att fisk som använder ljus för att kommunicera och signalera fängelse var särskilt vanligt. Under en period av cirka 150 miljoner år - inte länge enligt evolutionära normer - har sådana fiskar spridit sig mycket till fler arter än andra fiskar. Bioluminescerande arter, som använde deras ljus uteslutande för kamouflage, å andra sidan var inte lika olika.
Äktenskapssignaler kan förändras relativt lätt. Dessa förändringar kan i sin tur skapa undergrupper i befolkningen, som så småningom delas upp i unika arter. I juni publicerade Todd Oakley, en evolutionsbiolog vid University of California, Santa Barbara, och en av hans studenter, Emily Ellis, en studie som visade att organismer som använde bioluminescens som parningssignaler hade många fler arter och snabbare arter av ansamling än deras nära släktingar som inte använder ljus. Oakley och Ellis studerade tio grupper av organismer, inklusive eldflugor, bläckfiskar, hajar och små leddjur, ostracods.
Davis och hans kollegors forskning var begränsad till strålefinnfisk, som utgör ungefär 95% av fiskarterna. Davis beräknade att även i denna grupp utvecklades bioluminescens minst 27 gånger. Stephen Haddock, en marinbiolog vid Monterey Bay Aquarium Research Institute och en expert på bioluminescens, uppskattade att bland alla livsformer visade sig bioluminescens självständigt minst 50 gånger.
Kampanjvideo:
Många sätt att antända
I nästan alla lysande organismer kräver bioluminescens tre ingredienser: syre, det ljusemitterande pigmentet luciferin (från det latinska ordet lucifer, som betyder”bärande ljus”), och enzymet luciferas. När luciferin interagerar med syre - via luciferas - bildar det en upphetsad, instabil komponent som apparaten sänder ut och återgår till ett lägre energitillstånd.
Märkligt nog finns det mycket färre luciferiner än luciferas. Även om arter tenderar att ha ett unikt luciferas har mycket många samma luciferin. Endast fyra luciferiner ansvarar för att producera det mesta av ljuset i havet. Av de nästan 20 grupperna av bioluminescerande organismer i världen avger nio av dem ljus från luciferin som kallas coelenterazin.
Det skulle emellertid vara ett misstag att tro att alla organismer som innehåller coelenterazin härstammade från en lysande förfader. Om så var fallet, varför skulle de utveckla ett så brett spektrum av luciferas, frågar Warren Francis, en biolog vid Ludwig Maximilian University i München. Antagligen borde det första paret av luciferin-luciferas ha överlevt och multiplicerat.
Det är också troligt att många av dessa arter inte producerar coelenterazin på egen hand. Istället får de det från sin diet, säger Yuichi Oba, professor i biologi vid Chubu University i Japan.
Under 2009 upptäckte ett team under ledning av Oba att en djupgående havskaldjur (copepods) - en liten, utbredd kräftdjur - gjorde sitt coelenterazine. Dessa kräftdjur är en oerhört riklig matkälla för ett brett utbud av marina djur - så rikligt att de kallas "ris i havet" i Japan. Han tror att dessa kräftdjur är nyckeln till att förstå varför så många marina organismer är bioluminescerande.
Både och hans kollegor tog aminosyror, som tros vara byggstenarna i coelenterazin, märkta dem med en molekylär markör och laddade dem i mat för copepods. Sedan matade de denna mat till kräftdjur på laboratoriet.
Efter 24 timmar extraherade forskare coelenterazin från kräftdjur och tittade på markörerna som lades till. Uppenbarligen var de överallt - vilket var det ultimata beviset på att kräftdjur syntetiserade luciferinmolekyler från aminosyror.
Till och med maneterna som först upptäckte coelenterazin (och fick sitt namn) producerar inte sina egna coelenteraziner. De får sin luciferin genom att äta skaldjur och andra små kräftdjur.
Mystiska ursprung
Forskare har hittat en annan ledtråd som kan hjälpa till att förklara populariteten för coelenterazin bland djuphavsdjur: denna molekyl finns också i organismer som inte avger ljus. Detta slog Jean-François Ries, en biolog vid det katolska universitetet i Leuven i Belgien, som konstigt. Det är förvånande att "så många djur förlitar sig på samma molekyl för att producera ljus," säger han. Kanske har coelenterazin andra funktioner förutom luminescens?
I experiment med råttleverceller visade Reese att coelenterazin är en potent antioxidant. Hans hypotes: Coelenterazine kan först spridas bland marina organismer som lever i ytvatten. Där kan antioxidanten ge det nödvändiga skyddet mot de oxidativa effekterna av skadligt solljus.
När dessa organismer började kolonisera djupare havsvatten, där behovet av antioxidanter är lägre, kom förmågan hos coelenterazin att släppa ut ljus praktiskt, föreslog Reese. Med tiden har organismer utvecklat olika strategier - som luciferas och specialiserade ljusorgan - för att förbättra denna kvalitet.
Men forskare har inte räknat ut hur andra organismer, inte bara Oba-copepoderna, gör coelenterazin. De gener som kodar för coelenterazin är också helt okända.
Ta till exempel kamgelé. Dessa gamla havsdjur - som av vissa anses vara djurträdets första gren - har länge varit misstänkta för att producera coelenterazin. Men ingen har kunnat bekräfta detta, än mindre identifiera specifika genetiska instruktioner på jobbet.
Förra året rapporterades dock att en grupp forskare under ledning av Francis och Haddock stötte på en gen som kan vara involverad i syntesen av luciferin. För att göra detta studerade de transkriptomerna från ctenophorer, som är ögonblicksbilder av generna som ett djur uttrycker vid ett givet ögonblick. De letade efter gener som är kodade för en grupp med tre aminosyror - samma aminosyror som Oba matade till sina copepoder.
Bland 22 arter av bioluminescerande kamgeléer har forskare hittat en grupp gener som matchar deras kriterier. Samma gener var frånvarande i två andra icke-luminescerande ctenoforarter.
Ny värld
Den genetiska mekanismen för bioluminescens har tillämpningar utanför evolutionär biologi. Om forskare kan isolera generna för luciferin och luciferaspar kan de potentiellt få organismer och celler att glöda, av en eller annan anledning.
1986 modifierade och införlivade forskare vid University of California i San Diego och integrerade eldflux-luciferasgenen i tobaksplantor. Studien publicerades i tidskriften Science, med en av dessa växter som glödde konstigt mot en mörk bakgrund.
Denna växt producerar inte själv i sig själv - den innehåller luciferas. Men för att denna tobak ska lysa måste den vattnas med en lösning som innehåller luciferin.
Trettio år senare har forskare fortfarande inte kunnat skapa självlysande organismer med genteknik, eftersom de inte känner till de biosyntetiska vägarna för de flesta luciferiner. (Det enda undantaget hittades i bakterier: Forskare kunde identifiera de glödgener som kodar för det bakteriella luciferin-luciferas-systemet, men dessa gener måste modifieras för att vara användbara för alla icke-bakteriella organismer.)
En av de största potentiella användningarna av luciferin och luciferas i cellbiologi är att införliva dem som lökar i celler och vävnader. Denna typ av teknik skulle vara användbar för att spåra cellplats, genuttryck, proteinproduktion, säger Jennifer Prescher, professor i kemi vid University of California i Irvine.
Användningen av bioluminescensmolekyler kommer att vara lika användbar som användningen av ett fluorescerande protein, som redan används för att övervaka utvecklingen av HIV-infektioner, för att visualisera tumörer och spåra skador på nervceller i Alzheimers sjukdom.
För närvarande måste forskare som använder luciferin för avbildningsexperiment skapa en syntetisk version av det, eller köpa det till $ 50 per milligram. Att införa luciferin från utsidan i cellen är också svårt - det skulle inte vara ett problem om cellen skulle kunna skapa sitt eget luciferin.
Forskningen fortsätter och definierar gradvis evolutionära och kemiska processer för hur organismer producerar ljus. Men det mesta av den bioluminescerande världen är fortfarande i mörkret.
Ilya Khel
