Weird Science

Żywa latarnia - o iskrzyku

Poniższy arty­kuł został opu­bli­ko­wany pier­wot­nie w cza­so­pi­śmie dla nau­czy­cieli Bio­lo­gia w Szkole (4/2021):

Ilustracja

Ples M., Iskrzyk - żywa latar­nia, Bio­lo­gia w Szkole, 4 (2021), Forum Media Pol­ska Sp. z o.o., str. 52-56

Trudno o bar­dziej fascy­nu­jący i oddzia­łu­jący na wyo­braźnię feno­men nae­tury 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 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 Molu­sca, 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 VibrioPho­to­bac­te­rium. 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).

Fot.1 – Bio­lu­mi­ne­scen­cja kolo­nii bak­te­rii Alii­vi­brio fischeri roz­wi­ja­jących się na sztucz­nej pożywce

Jakiś czas temu opi­sy­wa­łem na łamach "Bio­lo­gii w Szkole" spo­sób hodowli występu­jącego na tere­nie Pol­ski grzyba o wła­ści­wo­ściach bio­lu­mi­ne­scen­cyj­nych, czyli łycz­nika och­ro­wego Panel­lus stip­ti­cus (Fot.2) [2].

Fot.2 – Bio­lu­mi­ne­scen­cja łycz­nika och­ro­wego; górny wiersz – owoc­nik, widok z boku, dolny wiersz – owoc­nik, widok na hyme­no­for, lewa kolumna – widok na świe­tle dzien­nym, prawa kolumna – widok w ciem­no­ści, wyraźnie dostrze­galna jasno­zie­lona bio­lu­mi­ne­scen­cja

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:

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, u 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 - znani są 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 posia­dają 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, 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.

Fot.3 – Samiec iskrzyka, widok na górną powierzch­nię ciała

Samice z kolei są bez­skrzy­dłe i swoim wyglądem przy­po­mi­nają larwy - są też wyraźnie więk­sze od sam­ców, mogą osiągać nawet do 2,5cm dłu­go­ści. Świe­tliki obu płci są wypo­sa­żone w narządy świetlne poło­żone na spod­niej stro­nie ciała (Fot.4).

Fot.4 – Samiec iskrzyka, widok na dolną powierzch­nię ciała, strzałk­ami zazna­czono narządy świetlne

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.

Nie trudno się domy­ślić, że jed­nymi z naj­ważn­iej­szych narządów poło­żo­nych w czę­ści gło­wo­wej samca chrząsz­cza są olbrzy­mie, kuli­ste oczy zło­żone (Fot.5).

Fot.6 – Oczy zło­żone iskrzyka

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).

Fot.6 – Bio­lu­mi­ne­scen­cja samca iskrzyka, A – chrząszcz odpo­czy­wa­jący na ścia­nie, B – ten sam chrząszcz w ciem­no­ści, widoczny blask oświe­tla­jący powierzch­nię ściany

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, w których zacho­dzi che­mi­lu­mi­ne­scen­cja (Fot.7).

Fot.7 – Zbli­że­nie na pra­cu­jące narządy świetlne iskrzyka, wyraźnie widoczna bio­lu­mi­ne­scen­cja

Reak­cja che­miczna, w trak­cie której docho­dzi do emi­sji świa­tła jest kata­li­zo­wana przez spe­cy­ficzny enzym, którego szcze­gółowa struk­tura che­miczna jest okre­ślana przez indy­wi­du­alną infor­ma­cję gene­tyczną kon­kret­nego 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 czę­ściej zwra­cają uwagę na samice pro­du­ku­jące jaśniej­sze świa­tło [6] [7]. Jak widać, u iskrzy­ków to samice kon­ku­rują o sam­ców, czyli prze­ciw­nie niż u więk­szo­ści zwie­rząt. 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].

Ilustracja
Rys.1 – Wzór struk­tu­ralny lucy­fe­ryny robacz­ków święto­jańs­kich

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

X → [Y]* → Y + hν

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 sztucz­nie wypro­du­ko­wane sub­stan­cje. Foto­gra­fia 8 przed­sta­wia roz­twór otrzy­ma­nej przeze mnie sub­stan­cji będącej szcza­wia­nową pochodną wani­liny C8H8O3 wraz z sen­sy­bi­li­za­to­rem (barw­ni­kiem flu­o­re­scen­cyj­nym) w octa­nie etylu C4H8O2.

Fot.8 – Roz­twór che­mi­lu­mi­no­foru

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).

Fot.9 – Che­mi­lu­mi­ne­scen­cja roz­tworu

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.

Lite­ra­tura:

Auto­rem foto­gra­fii i rysun­ków jest Marek Ples.

W powyższym tek­ście doko­nano nie­wiel­kich zmian edy­tor­skich w sto­sunku do wer­sji opu­bli­ko­wa­nej w  cza­so­pi­śmie, w celu uzu­pełn­ie­nia i lep­szego przy­sto­so­wa­nia do pre­zen­ta­cji na stro­nie inter­ne­to­wej.

Marek Ples

Aa