Bioluminestsentsorganismid on eluaja jooksul arenenud kümneid kordi. Millist biokeemiat on vaja pimeduse valgustamiseks? Sellele küsimusele on pühendatud mitmesugused uuringud. Sukelduge piisavalt sügavale ookeani sügavusesse ja te näete mitte pimedust, vaid valgust. 90% kaladest ja mereelust, mis õitsevad 100 või isegi 1000 meetri sügavusel, on võimelised oma valgust tooma. Taskulamp kala jahtima ja suhelda kasutades mingit Morzes koodi saata kergeid taskud silmade all. Platytroctidae perekonna kalad lasevad ründajatel hõõguvat tinti. Haudekala muudavad end nähtamatuks, kiirgades kõhtu valgust, et jäljendada laskuvat päikesevalgust; kiskjad vaatavad neid ja näevad ainult pidevat sära.
Teadlased on kogu elupuu jooksul indekseerinud tuhandeid bioluminestseeruvaid organisme ja loodavad neid juurde lisada. Kuid nad on juba ammu mõelnud, kuidas bioluminestsents tekkis. Nagu hiljuti avaldatud uuringud näitavad, on teadlased teinud bioluminestsentsi päritolu mõistmisel olulist edu - nii evolutsiooniliselt kui ka keemiliselt. Uued teadmised võivad ühel päeval lubada bioluminestsentsi kasutamist bioloogilistes ja meditsiinilistes uuringutes.
Üks pikaajalisi väljakutseid on kindlaks teha, mitu korda on toimunud üksik bioluminestsents. Mitu liiki tuli tema juurde üksteisest sõltumatult?
Kui mõned kõige tuntumad näited elusorganismide valguse kohta on maapealsed - mõelge näiteks tuleroosidele -, toimus enamik bioluminestsentsiga seotud evolutsioonisündmusi ookeanis. Bioluminestsents puudub peaaegu kõigil maismaa selgroogsetel ja õistaimedel.
Ookeani sügavuses annab valgus organismidele ainulaadse viisi saagiks meelitamiseks, suhtlemiseks ja enda kaitsmiseks, ütles Minnesota Saint Cloud State University bioloog Matthew Davis. Juunis avaldatud uuringus leidsid ta koos kolleegidega, et eriti levinud olid kalad, kes kasutavad suhtlemiseks valgust ja annavad märku viisakusest. Umbes 150 miljoni aasta jooksul - mis pole evolutsioonistandardite järgi pikalt olnud - on sellised kalad levinud paljudesse liikidesse rohkem kui teised kalad. Bioluminestsentsliigid, kes kasutasid oma valgust eranditult kamuflaažiks, polnud aga nii mitmekesised.
Abielu signaale saab suhteliselt hõlpsalt muuta. Need muutused võivad omakorda luua populatsioonis alamrühmi, mis lõpuks jagunevad ainulaadseteks liikideks. Juunis avaldasid Santa Barbara California ülikooli evolutsioonibioloog Todd Oakley ja üks tema õpilastest Emily Ellis uuringu, mis näitas, et organismidel, kes kasutavad bioluminestsentsi paaritumissignaalidena, oli palju rohkem liike ja liikide kiirem kuhjumise kiirus oli suurem kui nende lähisugulased, kes valgust ei kasuta. Oakley ja Ellis uurisid kümmet organismirühma, sealhulgas jaanimardikaid, kaheksajalgseid, haisid ning pisikesi lülijalgseid, ostrakaid.
Davise ja tema kolleegide uurimistöö piirdus hariliku hariliku kalaga kaladega, mis moodustavad umbes 95% kalaliikidest. Davis arvutas, et isegi selles ühes rühmas arenes bioluminestsents vähemalt 27 korda. Monterey lahe akvaariumi uurimisinstituudi merebioloog ja bioluminestsentsi ekspert Stephen Haddock hindas, et kõigi eluvormide hulgas ilmnes bioluminestsents iseseisvalt vähemalt 50 korda.
Reklaamvideo:
Paljud süttimisviisid
Peaaegu kõigi helendavate organismide jaoks vajab bioluminestsents kolme koostisosa: hapnikku, valgust kiirgavat pigmenti lutsiferiini (ladinakeelsest sõnast lucifer, mis tähendab “valgust kandvat”) ja ensüümi lutsiferaasi. Kui lutsiferiin interakteerub hapnikuga - lutsiferaasi kaudu -, moodustab see erutunud, ebastabiilse komponendi, mille komplekt väljastab, naastes madalama energiaga olekusse.
Kummalisel kombel on lutsiferine palju vähem kui lutsiferaasi. Ehkki liikidel on tavaliselt ainulaadne lutsiferaas, on väga paljudel sama lutsiferiin. Ainult neli lutsiferiini vastutavad ookeani suurema osa valguse tekitamise eest. Maailma ligi 20 bioluminestseeruvate organismide grupist eraldab neist üheksa luciferiinist, mida nimetatakse kolenterasiiniks, valgust.
Siiski oleks viga arvata, et kõik kolenterasiini sisaldavad organismid pärinesid ühest helendavast esivanemast. Kui see oleks nii, siis miks võiks neil välja töötada nii laia lutsiferaasi spektri, küsib Müncheni Ludwig Maximiliani ülikooli bioloog Warren Francis. Eeldatavasti oleks esimene lutsiferiin-lutsiferaasi paar pidanud ellu jääma ja korrutama.
Samuti on tõenäoline, et paljud neist liikidest ei tooda üksi kolenterasiini. Selle asemel saavad nad seda oma dieedist, ütleb Jaapani Chubu ülikooli bioloogiaprofessor Yuichi Oba.
2009. aastal avastas Oba juhitud meeskond, et süvamere koorikloomad (koplikad) - pisike, laialt levinud koorikloom - tegid oma kolenterasiini. Need koorikloomad on paljude mereloomade jaoks äärmiselt rikkalik toiduallikas - nii arvukalt, et neid nimetatakse Jaapanis "ookeani riisiks". Ta leiab, et need koorikloomad on võti mõistmaks, miks nii paljud mereorganismid on bioluminestsentsed.
Mõlemad ja tema kolleegid võtsid aminohappeid, mis arvatakse olevat kolenterasiini ehitusplokid, märgistasid need molekulaarse markeriga ja laadisid need koplikode söömiseks. Siis toitsid nad seda toitu laboratooriumis koorikloomadele.
24 tunni pärast ekstraheerisid teadlased koorikloomadest kolenterasiini ja vaatasid lisatud markereid. Ilmselt oli neid igal pool - mis oli ülim tõend sellest, et koorikloomad sünteesisid aminohapetest lutsiferiini molekule.
Isegi meduusid, kes esimesena avastasid kolenterasiini (ja said oma nime), ei tooda oma koolelenterasiini. Oma lutsiferiini saavad nad koorikloomi ja muid väikseid koorikloomi süües.
Saladuslik päritolu
Teadlased on leidnud veel ühe vihje, mis võiks aidata selgitada kolenterasiini populaarsust süvamereloomade seas: seda molekuli leidub ka organismides, mis ei eralda valgust. See tabas Belgia Leuveni katoliku ülikooli bioloogi Jean-François Riesi veider. On üllatav, et "nii paljud loomad loodavad valguse tootmiseks samast molekulist," ütleb ta. Võib-olla on kolenterasiinil lisaks luminestsentsile ka muid funktsioone?
Roti maksarakkudega tehtud katsetes näitas Reese, et kolenterasiin on tugev antioksüdant. Tema hüpotees: Koelenterasiin võib esmakordselt levida pinnavees elavate mereorganismide seas. Seal võiks antioksüdant pakkuda vajalikku kaitset kahjuliku päikesevalguse oksüdeeriva mõju eest.
Kui need organismid hakkasid koloniseerima sügavamaid ookeanivette, kus antioksüdantide vajadus on väiksem, tuli kolenterasiini võime valgust kiirgata, soovitas Reese. Aja jooksul on organismid selle kvaliteedi parandamiseks välja töötanud erinevad strateegiad - näiteks lutsiferaas ja spetsialiseerunud kerged elundid.
Teadlased ei ole aga välja mõelnud, kuidas muud organismid, mitte ainult Oba koplikad, teevad kolenterasiini. Koelelenterasiini kodeerivad geenid pole samuti täielikult teada.
Võtke näiteks kammikreem. Neid iidseid mereelukaid - keda mõned peavad loomapuu esimeseks haruks - on juba pikka aega kahtlustatud kolenterasiini tootmises. Kuid keegi pole suutnud seda kinnitada, rääkimata konkreetsete geneetiliste juhiste tuvastamisest tööl.
Eelmisel aastal teatati aga, et Franciscuse ja Haddocki juhitud teadlaste rühm sattus geeni, mis võib olla seotud lutsiferiini sünteesiga. Selleks uurisid nad ctenofooride transkriptoome, mis on hetkvõte geenidest, mida loom antud hetkel väljendab. Nad otsisid geene, mis olid kodeeritud kolmest aminohappest koosneva rühma jaoks - need olid samad aminohapped, mida Oba toitis oma kaasvõsalistele.
22 bioluminestseeruvate ktenofooride liigi hulgast on teadlased leidnud nende kriteeriumidele vastava geenirühma. Need samad geenid puudusid kahel teisel mitte-luminestsentssel ctenofooril.
Uus Maailm
Bioluminestsentsi geneetilisel mehhanismil on rakendusi väljaspool evolutsioonibioloogiat. Kui teadlased suudavad isoleerida lutsiferiini ja lutsiferaasi paaride geenid, võivad nad ühel või teisel põhjusel panna organismid ja rakud hõõguma.
Aastal 1986 modifitseerisid San Diego California ülikooli teadlased jaanilembese lutsiferaasi geeni tubakataimedesse. Uuring avaldati ajakirjas Science, kus kirjeldati ühte neist taimedest, mis tumedal taustal hõõgusid.
See taim ei tooda ise valgust - see sisaldab lutsiferaasi. Kuid selleks, et see tubakas hõõguks, tuleb seda joota lutsiferiini sisaldava lahusega.
Kolmkümmend aastat hiljem pole teadlased ikka veel suutnud geenitehnoloogia abil luua isevalgustavaid organisme, sest nad ei tea enamiku lutsiferiinide biosünteesi radu. (Ainus erand leiti bakteritest: teadlased suutsid tuvastada hõõggeenid, mis kodeerivad bakteriaalse lutsiferiini-lutsiferaasi süsteemi, kuid neid geene tuleb modifitseerida, et need oleksid kasulikud kõigi mittebakteriaalsete organismide jaoks.)
Üks suurimaid lutsiferiini ja lutsiferaasi kasutusvõimalusi rakubioloogias on nende sibulatena rakkudesse ja kudedesse lisamine. Selline tehnoloogia oleks kasulik rakkude asukoha, geeniekspressiooni ja valkude tootmise jälgimiseks, ütles Irvine'i California ülikooli keemiaprofessor Jennifer Prescher.
Bioluminestsentsmolekulide kasutamine on sama kasulik kui fluorestsentsvalgu kasutamine, mida juba kasutatakse HIV-nakkuste arengu jälgimiseks, tuumorite visualiseerimiseks ja Alzheimeri tõve närvirakkude kahjustuste jälgimiseks.
Praegu peavad lutsiferiini pildikatseteks kasutavad teadlased looma sellest sünteetilise versiooni või ostma selle hinnaga 50 dollarit milligrammi kohta. Lutsiferiini väljast sisse viimine rakku on samuti keeruline - poleks probleem, kui rakk saaks ise oma lutsiferiini valmistada.
Uuringud jätkuvad ja määratlevad järk-järgult evolutsioonilised ja keemilised protsessid selle kohta, kuidas organismid valgust toodavad. Kuid suurem osa bioluminestsentsmaailmast on endiselt pimedas.
Ilja Khel
