Światło w ciemności - bioluminescencja łycznika ochrowego
Poniższy artykuł został opublikowany pierwotnie w czasopiśmie dla nauczycieli Biologia w Szkole (6/2017):
Dla naukowca piękno świata jest często tożsame z jego tajemniczością, ponieważ to dzięki niej możemy ciągle poszukiwać, badać i doświadczać nowych zjawisk. Na szczęście nieprędko poznamy i zrozumiemy wszystko, tak że do zbadania nie pozostanie już nic więcej.
Jednym z takich dawniej tajemniczych, a dziś już dosyć dobrze zbadanych fenomenów natury jest bioluminescencja.
To, że dawniej tego typu zjawiska były postrzegane jako tajemnicze podkreśla fakt, że wiele z nich zyskało walor mitotwórczy. Przykładowo, spotykane w lasach próchno drzew będące środowiskiem życia pewnych grzybów w odpowiednich warunkach emituje słabą, ale wyraźnie dostrzegalną w ciemności poświatę. Było to interpretowane jako przejaw obecności groźnych demonów – nocnic, które miały sprowadzać na manowce samotnych wędrowców [1].
Już w starożytności Arystoteles i Pliniusz Starszy zauważyli, że rozkładające się drewno w pewnych przypadkach świeci w ciemności, zaś Robert Boyle w XVII wieku stwierdził, że tlen z powietrza jest zaangażowany w ten proces.
Oczywiście, temat ten był wykorzystywany także przez autorów opowieści z dreszczykiem – promieniujące słabym, zimnym blaskiem obiekty były tu wręcz doskonałym rekwizytem, o czym przekonuje nas choćby klasyk literatury grozy Howard Philips Lovecraft w jednym ze swoich opowiadań [2].
Bioluminescencja nie jest wcale takim rzadkim zjawiskiem. Organizmy, u których występuje należą do wielu różnych grup, np. bakterii Bacteria, protistów Protista, grzybów Fungi, jamochłonów Coelenterata, mięczaków Molusca, skorupiaków Crustacea, owadów Insecta, osłonic Tunicata, a nawet ryb Pisces. Zważając na tak szerokie rozpowszechnienie w przyrodzie, a także na różne mechanizmy zjawiska, pewne jest, że bioluminescencja w toku ewolucji życia na Ziemi powstała wiele razy.
Jeśli chodzi o przykłady bioluminescencji to pierwsze przychodzą na myśl chrząszcze Coleoptera z rodziny świetlikowatych (robaczków świętojańskich) Lampyridae. Na terenie Polski występują trzy gatunki świetlikowatych. Są to:
- iskrzyk Phausis splendidula,
- świeciuch Phosphaenus hemipterus,
- świetlik świętojański Lampyris noctiluca.
Najbardziej znany jest oczywiście ten ostatni.
W przypadku świetlikowatych (podobnie jak i wielu innych owadów) bioluminescencja pełni rolę atraktanta – pomaga zwabić ewentualnego partnera.
Wśród innych organizmów świecących dosyć często są wspominane głębinowe ryby z rodziny świetlikowatych Myctophidae lub matronicowatych Ceratiidae. U tych ostatnich organ bioluminescencyjny jest osadzony na wydłużonym promieniu płetwy grzbietowej. Powstaje w ten sposób illicium – specjalizowany organ służący wabieniu ofiar tych drapieżnych ryb [3].
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 blask.
Wśród wielu innych ciekawych gatunków wykazujących luminescencję dosyć trudno znaleźć jednak organizmy, których hodowla byłaby łatwa w warunkach szkolnej lub domowej pracowni biologicznej. Myślę, że dla zawarcia pierwszej znajomości ze świecącymi organizmami odpowiednie będą pewne gatunki grzybów.
Wiele egzotycznych gatunków grzybów emituje światło na drodze bioluminescencji. Przykładem może być tutaj kielichowiec pomarańczowy Omphalotus olearius czy spokrewniony z nim Omphalotus illudens.
Nie wszyscy jednak wiedzą, że także grzyby występujące w naszych rodzimych lasach mają zdolność do świecenia. Wspomnieć trzeba tutaj opieńkę miodową Armillaria mellea. Grzyb ten jest saprotrofem i pasożytem - rośnie na drewnie wielu gatunków drzew liściastych. Czasem sprawia wrażenie, jakby rósł na ziemi, ale jest to jedynie złudzenie. Możemy być wtedy pewni, że grzyb zaatakował korzenie jakiegoś drzewa. Światło jest wytwarzane przez ryzomorfy opieńki – charakterystyczne twory, przyjmujące postać sznurów powstałych ze zbitej warstwy grzybni [4].
Z moich doświadczeń wynika jednak, że stosunkowo łatwo można prowadzić hodowlę i obserwować bioluminescencję w przypadku innego gatunku grzyba, a konkretnie łycznika ochrowego Panellus stipticus.
Zanim jednak przejdziemy do doświadczeń, sądzę, że warto przypomnieć parę informacji na temat grzybów jako takich.
Grzyby – fascynujące organizmy
Grzyby wyróżnia się w systematyce jako oddzielne królestwo z racji występujących w ich przypadku wyraźnych różnic zarówno w stosunku do roślin Plantae, jak i zwierząt Animalia.
Organizmy z tej grupy żyją we wszystkich strefach klimatycznych na naszej planecie - na lądach, w wodach słonych oraz słodkich. Są też bardzo liczne, ponieważ do tej pory opisano około 70 tysięcy gatunków, a szacuje się, że ta liczba jest mocno zaniżona z różnych powodów [5].
Grzyby są zasadniczo wielokomórkowymi lub komórczakowymi organizmami, chociaż istnieją także grzyby jednokomórkowe, np. drożdże Saccharomyces. Są cudzożywne, nie posiadają zdolności do aktywnego ruchu. Ich ściana komórkowa jest zbudowana z chityny będącej wielocukrem.
Grzyby są plechowcami, czyli będąca ich ciałem grzybnia nie jest zróżnicowana na tkanki i organy. Grzybnia jest zbudowana ze splątanych prostych lub rozgałęzionych strzępek tworzących plektenchymę (tkankę rzekomą, nibytkankę).
Odżywianie się grzybów może przyjmować różne formy. Można wyróżnić wśród nich organizmy pobierające martwą materię organiczną (saprobionty), odżywiające się kosztem innych żywych organizmów (pasożyty), a także organizmy symbiotyczne. Ciekawostką jest, że istnieją też grzyby drapieżne polujące na drobne zwierzęta. Jednym z nich jest boczniak ostrygowaty Pleurotus ostreatus, który oprócz pasożytowania na żywych drzewach lub korzystania z ich martwej tkanki produkuje odpowiednie substancje chemiczne, które paraliżują żyjące w drewnie drobne nicienie. Strzępki grzyba następnie wrastają w ciała zwierząt i pobierają z nich substancje odżywcze [6]. Niektóre grzyby wytwarzają nawet odpowiednie pułapki utworzone ze strzępek, służące oczywiście do chwytania niewielkich organizmów.
Komórki grzybów nie posiadają plastydów ani chlorofilu, nie mogą więc prowadzić fotosyntezy. Charakterystyczne zabarwienie wielu grzybów wynika z obecności specyficznych barwników odkładanych w wakuolach lub ścianach komórkowych.
Wśród organizmów tej grupy można znaleźć formy zarówno oddychające tlenowo, jak i beztlenowo.
Grzyby jako materiały zapasowe wykorzystują podobnie jak zwierzęta tłuszcze i glikogen, ale dodatkowo także charakterystyczny polimer fosforanowy – wolutynę.
Sposoby rozmnażania grzybów cechuje duża różnorodność. Wiele z nich wykazuje zdolność do rozmnażania się płciowo i bezpłciowo. Trzeba stwierdzić, że u stosunkowo wielu grup tych organizmów rozmnażanie bezpłciowe ma duże znaczenie. Jest to najprawdopodobniej przystosowanie do jak najszybszego skolonizowania dostępnego substratu odżywczego. Ciekawe jest jednak, że istnieją gatunki rozmnażające się wyłącznie w sposób płciowy.
Hodowla i obserwacje
Łycznik ochrowy należy do rodziny grzybówkowatych Mycenaceae z rzędu pieczarkowców Agaricales.
Grzyb ten jest wybitnie kosmopolityczny – występuje na wszystkich kontynentach z wyjątkiem Antarktydy. Pospolicie można go też spotkać w Polsce.
Łycznik ochrowy żyje na martwym i rozkładającym się drewnie. Wyraźnie preferuje drewno drzew liściastych, ponieważ jedynie bardzo rzadko można go dostrzec na drewnie iglastym. Chętnie występuje na dębach i bukach [7].
Chcąc zaobserwować bioluminescencję w przypadku łycznika ochrowego najlepiej zaprowadzić niewielką hodowlę tego organizmu. Grzyb ten wydaje się szczególnie odpowiedni w tym kierunku, ponieważ nie jest on chorobotwórczy. Jest on najczęściej zaliczany do grzybów niejadalnych – nie jest więc trujący, ale nie spożywa się go z powodu nieprzyjemnego smaku, ciężkostrawności lub innych przyczyn.
Niestety, nie wszystkie populacje tego grzyba mają zdolność produkowania światła. Z badań wynika, że bioluminescencję wykazują głównie łyczniki pochodzące ze wschodnich wybrzeży Ameryki Północnej, natomiast nie zaobserwowano jej w przypadku grzybów żyjących w Europie, Azji, Nowej Zelandii ani w zachodnich rejonach Ameryki Północnej [8] [9]. Z tego powodu musimy się zaopatrzyć w żywą kulturę starterową grzyba zdolnego do świecenia. Kultury takie mogą mieć postać płynną lub stałą. Dosyć wygodna jest kultura stała w postaci zainfekowanych grzybem kołków drewnianych (Fot.1).
Jako środowisko życia, a jednocześnie pożywkę dla grzyba można wykorzystać odcinek grubszej gałęzi lub konaru dębowego, bukowego lub innego. Ja w swoich doświadczeniach wykorzystałem odcinek konaru brzozy Betula o średnicy około 10cm i długości około 35cm (Fot.2).
Ważne jest, aby wykorzystane drewno nie było przesuszone, najlepiej świeżo ścięte i nie powinno wykazywać oznak chorób. Stan drewna dobrze jest ocenić też po przekroju (Fot.3). Umożliwia to stwierdzenie ewentualnych wad, których zauważenie na powierzchni byłoby utrudnione.
W przygotowanym drewnie należy następnie wywiercić (np. za pomocą wiertła do drewna lub świdra) otwory o średnicy minimalnie większej od średnicy posiadanych kołków i o głębokości odpowiadającej ich długości (Fot.4).
Do tak przygotowanych otworów należy wprowadzić kołki z grzybnią (Fot.5).
Kołki należy oczywiście wbić w otwory tak, by nie wystawały na zewnątrz (Fot.6A). Kolejną ważną rzeczą, jaką musimy zrobić jest zalanie otworów, wraz z tkwiącymi w nich kołkami ciekłą stearyną lub parafiną (Fot.6B). Parafinę lub stearynę najłatwiej uzyskać poprzez stopienie świecy – najlepsze tutaj są egzemplarze zwykłe, bez dodatków zapachowych.
Zalanie otworów krzepnącą w temperaturze pokojowej parafiną lub stearyną ma na celu początkowe zabezpieczenie grzyba przed wyschnięciem.
Dokonując inokulacji umieściłem w kłodzie 10 kołków z grzybnią w opisany wyżej sposób.
Trzeba pamiętać, że grzybowi należy zapewnić odpowiednie warunki rozwoju. Nie znosi on zbyt silnego przesuszenia, ale niewskazana jest też przesadna wilgotność. Dobrym rozwiązaniem jest umieszczenie kłody w zamykanym pojemniku z tworzywa sztucznego, na którego dnie umieszczono kilka warstw bibuły utrzymywanej w stanie ciągłej wilgotności. Bibułę co jakiś czas należy wymieniać, tak by nie dopuścić do rozwoju grzybów pleśniowych. Pamiętajmy, że grzyby te oddychają tlenowo, więc pojemnik nie powinien być idealnie szczelny. W praktyce wystarczy kilka niewielkich otworów w pokrywie lub delikatne przewietrzanie pojemnika co kilka dni.
Grzybom nie jest potrzebne do życia światło, a zbyt silne promieniowanie słoneczne może im wręcz zaszkodzić. Dlatego najlepiej jest, jeśli materiał, z którego jest wykonany pojemnik nie przepuszcza zbyt wiele światła.
Temperatura w czasie hodowli powinna wynosić powyżej 20°C. Według wielu źródeł bioluminescencja przyjmuje najwyższą efektywność w temperaturze 22°C.
Teraz należy się uzbroić w cierpliwość, ponieważ w zależności od warunków kolonizacja drewna może zająć grzybowi od kilku tygodni do kilku miesięcy.
Okazuje się jednak, że w przypadku łycznika ochrowego już sama grzybnia wykazuje wyraźną i łatwą do zaobserwowania gołym okiem bioluminescencję. Spójrzmy na Fot.7. Możemy zauważyć, że biała puszysta grzybnia porasta powierzchnię zainfekowanego kołka drewnianego.
Jeśli jednak będziemy obserwować ten sam obiekt w ciemności, to po przyzwyczajeniu oczu do warunków oświetlenia zauważymy emisję światła o barwie zielonej. Można ją z łatwością uchwycić na fotografii o wydłużonym czasie ekspozycji (Fot.8).
Warto więc co pewien czas oglądać w ciemności kłodę, na której rozwija się grzyb, ponieważ po pewnym czasie można zauważyć wyraźne świecenie, nawet w rejonach odległych od miejsc inokulacji.
Owocniki łycznika także są bardzo efektowne, ale ich uzyskanie bywa problematyczne. Trudno jest jednoznacznie wskazać warunki w jakich ten grzyb wykształca owocniki – polecam poeksperymentować w tym kierunku. Czasem dochodzi do wykształcenia na powierzchni zaatakowanego drewna charakterystycznych struktur, nie będących jednak właściwymi owocnikami. Są one wydłużone, ostro zakończone, a czasem nawet rozgałęzione (Fot.9).
W tym przypadku także można zarejestrować wyraźną bioluminescencję – jej intensywność jest większa niż samej grzybni (Fot.10).
Największą satysfakcję zapewnia jednak uzyskanie owocników hodowanego grzyba. Ich trzon ma długość 1-2cm. Średnica kapelusza wynosi najczęściej od 1cm do 4cm, a jego kształt jest najczęściej okrągły lub nerkowaty. Kolor kapelusza jest ochrowy (Fot.11A). Obserwacja w ciemności ponownie ujawnia piękną bioluminescencję.
Hymenofor to część owocnika grzyba, na powierzchni której znajduje się hymenium – warstwa grzybni produkująca zarodniki. Struktura ta u łycznika ochrowego ma postać blaszek (Fot.12). Niektóre blaszki nie dochodzą do trzonu – są to tak zwane międzyblaszki [10].
Obserwując w ciemności spód kapelusza można z łatwością stwierdzić, że to właśnie blaszki są najsilniejszym źródłem bioluminescencji (Fot.13).
Wysyp zarodników jest jasnoochrowy. Zarodniki są bardzo małe, elipsoidalne, o gładkiej powierzchni.
Hodując łycznika na drewnie i w razie potrzeby przenosząc fragmenty grzybni na nowe substraty można utrzymywać go przy życiu całymi latami, ciągle obserwując fascynujące zjawisko bioluminescencji. Polecam także poeksperymentować z innymi gatunkami drewna, a także odmiennymi pożywkami.
Wyjaśnienie
Bioluminescencja jest właściwie szczególnym przypadkiem chemiluminescencji. Zjawisko to polega na emisji światła będącej wynikiem zachodzenia pewnych reakcji chemicznych. Taki rodzaj luminescencji wykazuje wiele różnych substancji otrzymanych sztucznie. W swojej pracowni syntezowałem odpowiednie substancje i obserwowałem m.in. niebieską chemiluminescencję luminolu C8H7N3O2, żółtozieloną lofiny C21H16N2 i zróżnicowaną względem barwy (zależną od wykorzystanego barwnika fluorescencyjnego) z wykorzystaniem pochodnych kwasu szczawiowego, np. szczawianu bis(2,4,6-trichlorofenylu) C14H4Cl6O4 (Fot.14). Przyznam, że uzyskany efekt w każdym przypadku jest naprawdę interesujący [11] [12].
Oczywiście istnieje także wiele innych przykładów chemiluminescencji, zarówno odnoszących się do związków organicznych, jak i nieorganicznych. Jednym z pierwszych znanych przykładów chemiluminescencji było zimne światło powstające podczas utleniania białej odmiany alotropowej fosforu P, odkryte już w XVII wieku przez Henniga Branda [13].
W przypadku zwierząt czy innych organizmów za świecenie odpowiada także fakt, że produkują one pewne substancje chemiczne, podczas utleniania których dochodzi do chemiluminescencji.
Związki odpowiedzialne za bioluminescencję zbiorczo nazywa się lucyferynami. Trzeba jednak zaznaczyć, że lucyferyny różnych organizmów znacząco się różnią, między innymi pod względem budowy. Wzór strukturalny lucyferyny robaczków świętojańskich C11H8N2O3S2 przedstawia Rys.1.
Reakcję utleniania lucyferyn katalizują enzymy nazywane z kolei lucyferazami.
Należy tu zauważyć, że niektóre organizmy same produkują potrzebne do bioluminescencji substancje (np. robaczki świętojańskie), natomiast inne wykorzystują w tym celu zamieszkujące ich ciało bakterie (wiele ryb).
Grzybnia łycznika ochrowego zawiera pewne ilości charakterystycznego seskwiterpenu, który został nazwany panalem C15H18O5 (Rys.2).
Stwierdzono też, że w bioluminescencji uczestniczą najprawdopodobniej dwie pochodne panalu: PS-A i PS-B. Do emisji światła dochodzi w czasie utleniania wspomnianych substancji nadtlenkiem wodoru H2O2 w środowisku o odpowiednim pH, w obecności pierwszorzędowych amin i jonów żelaza(II) [14].
Funkcja bioluminescencji u grzybów jest ciągle dyskusyjna. Czasem postuluje się, że ma ona wabić stawonogi, pomagające następnie w rozprzestrzenianiu zarodników. U większości grzybów jednak bioluminescencję przejawia jedynie grzybnia, a nie owocniki – wydaje się to zaprzeczać wspomnianemu przypuszczeniu.
Wydajność bioluminescencji jako procesu przemiany energii jest bardzo wysoka. Żarówka wolframowa zmienia w światło maksymalnie kilka procent zużywanej przez nią energii, podczas gdy owady świecące przekształcają w światło nawet ponad 80% energii przeznaczonej na ten cel [15].
W razie problemów z wykonaniem podobnych doświadczeń lub przy okazji wszelkich pytań zachęcam, aby napisać do mnie pod wskazany poniżej adres poczty elektronicznej.
Literatura:
- [1] Danel R., Słownik bohaterów podań i legend Śląska Cieszyńskiego, Biblioteka Miejska w Cieszynie, 2006 powrót
- [2] Lovecraft H. P., Przeklęty dom, w: Droga do szaleństwa, Wydawnictwo Zysk i Spółka, Poznań, 2004 powrót
- [3] Kowalska K., Rembiszewski J., Rolik., Matronicowce, w: Mały słownik zoologiczny: ryby, Wiedza Powszechna, Warszawa, 1976 powrót
- [4] Bulak P., Grzyby bioluminescencyjne, w serwisie: e-biotechnologia.pl, dostępne online: http://www.e-biotechnologia.pl/Artykuly/bioluminescencja [dostęp 09.10.2017] powrót
- [5] Ławrynowicz M., Królestwo grzybów na przełomie tysiącleci, Wiadomości Botaniczne, 46, 2002 powrót
- [6] Kwok O.C.H., Plattner R., Weisleder D., Wicklow D.T., A nematicidal toxin from Pleurotus ostreatus NRRL 3526, Journal of Chemical Ecology, 18 (2), 1992, s. 127 – 136 powrót
- [7] Lohmeyer T.R., Kũnkele U., Grzyby. Rozpoznawanie i zbieranie, Parragon, Warszawa, 2006 powrót
- [8] Petersen R.H., Bermudes D., Panellus stypticus: geographically separated interbreeding populations, Mycologia, 84 (2), 1993, str. 209 – 213 powrót
- [9] Macrae R., Interfertility studies and inheritance of luminescence in Panus stypticus, Canadian Journal of Research, Section C: Botanical Sciences, 20 (8), 1942, str. 411 – 434 powrót
- [10] Gumińska B., Wojewoda W., Grzyby i ich oznaczanie, Powszechne Wydawnictwo Rolnicze i Leśne, Warszawa, 1985 powrót
- [11] Ples M., Chemiluminescencja luminolu aktywowana żelazicyjankiem, w serwisie: weirdscience.eu, dostępne online: http://weirdscience.eu/Chemiluminescencja%20luminolu%20aktywowana%20%C5%BCelazicyjankiem.html [dostęp 09.10.2017] powrót
- [12] Ples M., Chemiluminescencja lofiny, w serwisie: weirdscience.eu, dostępne online: http://weirdscience.eu/Chemiluminescencja%20lofiny.html [dostęp 09.10.2017] powrót
- [13] Ples M., Chemiluminescencja fosforu, w serwisie: weirdscience.eu, dostępne online: http://weirdscience.eu/Chemiluminescencja%20fosforu.html [dostęp 09.10.2017] powrót
- [14] Shimomura O., Satoh S., Kishi Y., Structure and non-enzymatic light emission of two luciferin precursors isolated from the luminous mushroom Panellus stipticus, Journal of Bioluminescence and Chemiluminescence, 8 (4), str. 201 – 205, 1993 powrót
- [15] Strebeyko P., Fotobiologia (Biblioteka Problemów, tom 169), Państwowe Wydawnictwo Naukowe, Warszawa, 1971, str. 279 powrót
Autorem fotografii i rysunków jest Marek Ples.
Marek Ples