Poniższy artykuł opracowano w oparciu o stan prawny obowiązujący w momencie powstania tego artykułu.
Redakcja nie gwarantuje aktualności tekstu w okresie późniejszym, jak również nie ponosi odpowiedzialności za ew. stosowanie się do zawartych w nim zaleceń.

Rozświetlić ciemność

Człowiek od zarania dziejów kopiuje (z lepszym lub gorszym rezultatem) to, co uda mu się podpatrzeć w otaczającym go środowisku przyrodniczym. Ze świata zwierząt i roślin przejmuje i wdraża do produkcji istniejące i ewoluujące w nim przez wieki rozwiązania materiałowe i technologiczne. Czy również da się wykorzystać, znane ze środowiska naturalnego mechanizmy świecenia w ciemności organizmów żywych tak, by rozświetlić nasze mieszkania i ulice? Czy jest szansa na światło bez ognia i prądu? Po kolei...

Pewnie niejeden raz zastanawialiśmy się, widząc świetliki nad łąką, w jaki sposób organizmy żywe wytwarzają światło? Za powstawanie - emisję światła odpowiedzialny jest zachodzący w żywym organizmie proces reakcji chemicznej zwanej bioluminescencją. Poza owadami bioluminescencja występuje również u bakterii, protistów, morskich jamochłonów, mięczaków (głównie stawonogów), gąbek, skorupiaków, osłonic, grzybów i ryb. Bioluminescencję wykorzystuje ponad 600 gatunków istot żywych. Za świecenie zarówno świetlików, jak i ryb głębinowych (a także niektórych rodzajów drobnoustrojów) odpowiedzialne są lucyferyny - grupa pigmentów zdolnych do emitowania światła. Bioluminescencja jest efektem reakcji ich utleniania katalizowanej enzymem o nazwie lucyferaza. Świecenie może być także skutkiem ubocznym towarzyszącym innym reakcjom chemicznym - tak dzieje się na przykład u grzybów. Zdolność do świecenia wyewoluowała niezależnie u różnych grup organizmów, a reakcje chemiczne prowadzące do emisji światła u poszczególnych grup często w szczegółach wyglądają odmiennie. Jest jednak jedna ważna cecha charakterystyczna dla wszystkich bioluminescencyjnych organizmów - do świecenia konieczny jest tlen.

Bioluminescencja jest najbardziej rozpowszechniona wśród organizmów żyjących w morzach i oceanach - możemy ją zaobserwować u bakterii, jednokomórkowych bruzdnic, parzydełkowców, mięczaków, skorupiaków oraz ryb. To właśnie bioluminescencja jest głównym źródłem światła w głębinach oceanicznych. Co ciekawe, jeden z gatunków bakterii odpowiadających za psucie się morskich ryb, Photobacterium phosphoreum, wykazuje silną bioluminescencję i zdarzały się przypadki, że zakupiono kawałek ryby, który zaświecił w ciemności . Niektóre ryby (np. topornik wyłupiasty) potrafią regulować siłę oświetlenia, doskonale dopasowując się do otoczenia niczym kameleon. Świecenie ma szczególne znaczenie dla ryb głębinowych, żyjących na głębokości ponad 2000 m p.p.m., w warunkach całkowitej ciemności. Rodzina matronicowatych wykształciła na grzbiecie rodzaj świetlnej antenki służącej do wabienia ofiar; u niektórych ryb funkcję narządów świetlnych pełnią gruczoły wypełnione bakteriami luminescencyjnymi; a jeszcze inne mają duże, świecące oczy. Świetlne wabiki wykorzystuje także muchówka Arachnocampa luminosa. Podobnie jak pająk tka swą pajęczynę, tak muchówki spuszczają z sufitu jaskini lepkie włókna. Następnie wystarczy, że rozświetlą swój odwłok, a zwabione tym muszki trafiają w pułapkę. Im większy głód odczuwa ta larwa egzotycznego świetlika, tym jaśniej świeci. Bruzdnice, jednokomórkowe glony zamieszkujące morza, nauczyły się wykorzystywać z kolei światło jako alarm, który włącza się tuż po kontakcie z nieprzyjacielem. Jeśli potencjalny wróg wpłynie do kolonii bruzdnic, glony natychmiast zaczynają świecić. Na jego nieszczęście, to nagłe włączenie się „reflektorów” nie przyniesie mu zwycięstwa a śmierć, bowiem na świetlny sygnał tylko czeka inny, większy drapieżnik, dla którego to on staje się ofiarą.

Wśród organizmów lądowych bioluminescencja jest zdecydowanie rzadsza. Najbardziej znanym przykładem tych organizmów są chrząszcze z rodziny świetlikowatych (Lampyridae). Samce jednego z gatunków tych chrząszczy - iskrzyka (Lamprohiza splendidula) są latającymi światełkami spotykanymi w czasie letnich nocy w naszych lasach i na łąkach. Wykorzystują one specjalne narządy umiejscowione w odwłoku do przyciągania osobników płci przeciwnej. Światło o zimnozielonej barwie samice świetlików wykorzystują do zwabienia i pożarcia samców gatunków spokrewnionych. Niektóre chrząszcze z rodziny sprężykowatych lub larwy świetlików świecą po to, by chronić swoje życie. Dla drapieżników, które nie pogardziłyby taką przekąską, światło jest ostrzeżeniem przed trującym pokarmem.

Inną grupą lądowych organizmów, wśród których mamy świecących przedstawicieli, są grzyby. Niektóre gatunki (np. występująca w subtropikalnej Azji Mycena chlorophos) mają świecące owocniki, podczas gdy u innych świeci tylko grzybnia. Również w naszym kraju możemy spotkać bioluminescencyjne grzyby - są nimi opieńki (Armillaria sp.), przy czym nie świecą ich owocniki, lecz grzybnia wywołująca znane od czasów starożytnych zjawisko świecenia próchna.

W przypadku świecenia organizmów mamy do czynienia z tzw. światłem zimnym. Z energii uwalnianej w wyniku reakcji chemicznej powstaje głównie światło i bardzo niewiele ciepła. Stąd właśnie mechanizm bioluminescencji jest bardzo wydajny. Przemieniona energia daje aż 94% światła i tylko 4% ciepła. Skoro wiemy jak "to" działa, nic tylko przenieść mechanizm w strefę codziennego życia. Jakie praktyczne rozwiązania możemy spotkać na rynku? Czy faktycznie otrzymamy niemalże darmowe, niewyczerpalne i ekologiczne źródło światła? Nie oszukujmy się, jest z tym bardzo krucho.

Z pomysłem stworzenia lampy bioluminescencyjnej wyszła np. firma Megaman, znana z produkcji żarówek LED i fluoroscencyjnych. Jej organiczna lampa, zwana także lampą BIO-OLED nie jest zasilana prądem, lecz roślinnym ekstraktem, a ściślej mówiąc świecącymi grzybami. Sproszkowane grzyby wkłada się do lampy. Następnie uruchamia się kontrolowany proces chemiczny, którego produktem końcowym jest światło uzyskane w wyniku elektrochemicznego przetworzenia energii. Światło jest przekazywane dalej do dwóch struktur półprzewodnikowych. W efekcie lampa LED świeci, dając światło podobnej jakości, jakie daje lampa halogenowa o mocy 35 W. Wynalazcy biolampy szacują, że gdy będzie się ją używało przez trzy godziny dziennie, świecący proszek trzeba będzie uzupełnić po mniej więcej miesiącu. Jednakże biolampa nie działa zupełnie bez prądu - jest on potrzebny do jej włączenia i wyłączenia. Lampa nie emituje jednak substancji szkodliwych i korzysta w zasadzie z energii pochodzącej z roślin. Lampa miała wejść na rynek w 2012 roku, próżno jej jednak szukać na naszych i światowych półkach sklepowych.

Inny pomysł zrodził się w Paryżu. Firma Glowee rozwija bioluminescencyjne światła do oświetlania fasad sklepów i znaków drogowych. Do projektu użyto bakterię zwaną Aliivibrio fischeri, zebraną z organizmów morskich, takich jak Hawaiian bobtail squid (ośmiorniczka hawajska). Hodowane na odpowiedniej pożywce zmodyfikowane genetycznie bakterie mogą rozproszyć światło przez ok. 58 godzin. Są one wprowadzane między przezroczyste żelowe okładki zawierające składniki odżywcze, które utrzymują bakterie przy życiu. Pierwsze udane pokazy produktu miały miejsce w grudniu ubiegłego roku - światło z bakterii, świecące przez trzy dni... Obecnie firma pracuje nad produktem, który będzie świecić przez miesiąc lub dłużej. Glowee jest jedną z pierwszych firm rozwijającą produkt komercyjny, który jest dedykowany dla sklepów – bowiem we Francji detaliści nie mogą oświetlać swoich witryn sklepowych między 1 w nocy a 7 rano (wprowadzono ograniczanie zużycie energii). Żarzące się światła bakteryjne mają stać się sposobem na ominięcie tego zakazu. Bakteryjne światło ma być wykorzystane i do innych celów, takich jak oświetlenie dekoracyjne, fasad budynków, znaków drogowych, jak również wszędzie tam, gdzie należy zapewnić oświetlenie bez kabli energetycznych. Mimo problemów, jakimi są dostarczanie składników odżywczych i usuwanie produktów przemiany materii z bakterii, Glowee pracuje dodatkowo nad molekularnym przełącznikiem, który aktywuje bioluminescencję tylko nocą. Pozwoli to na oszczędzanie energii w ciągu dnia i sprawi, że składniki odżywcze wystarczą na dłużej. Zespół dąży do tego, aby bakterie świeciły jaśniej i przetrwały wahania temperatur do 20°C. Firma przewiduje wprowadzenie na rynek produktu komercyjnego w 2017 roku.

Natomiast zespół naukowców z Uniwersytetu Syracuse chce użyć nanotechnologii, aby wykorzystać naturalną bioluminescencję świetlików, tak by stworzyć oświetlenie, które nie wymaga żadnej dodatkowej energii!!! Zespół wierzy, że dzięki zastosowaniu nanotechnologii można stworzyć naturalny system bioluminescencyjny oświetlenia, który będzie 20-30 razy bardziej efektywny niż jakiekolwiek wcześniej wykonane. Chociaż technologia obecnie jest w fazie prób laboratoryjnych, to naukowcy uważają iż skalowanie systemu będzie bardzo proste i wykorzystywane w nim świecące nanopręty staną się zamiennikami lamp LED.

W Holandii zaprojektowano lampę z mikroorganizmami, które po wystawieniu na działanie tlenu wydzielają miękki niebieski blask. Podobnie jak w przypadku firmy Glowee wykorzystano w projekcie bakterie Photobacterium. Obecnie bakterie w lampie mogą żyć tylko przez kilka dni. Prace biologów zmierzają do przedłużenia ich żywotności i jasności.

Jak widzimy, wszystko to przynosi póki co bardzo mierne (można rzec żadne) rezultaty komercyjne.
W takim razie, czy ta cała bioluminescencja to tylko źródło doznań estetycznych? Wcale nie, moc bioluminescencji można wykorzystać również do innych, bardzo ważnych celów.
Oto kilka przykładów:

  • GFP - Green Fluorescent Protein - to naturalnie występujące białko wykazujące fluorescencję, świeci na zielono w ultrafiolecie. GFP jest małym białkiem (238 aminokwasów, 26,9 kDa) pochodzącym z meduzy Aequorea victoria. Za jego odkrycie Chalfie, Shimomura i Tsien otrzymali nagrodę Nobla w 2008 roku. Jego łatwa wizualizacja i brak toksyczności wobec organizmów żywych sprawia, że znakomicie sprawdza się jako cząsteczka reporterowa, służąca do badania np. aktywności promotorów lub wydajności transfekcji komórek. Można również tworzyć białka fuzyjne złożone z GFP i badanego białka, co pozwala na uwidocznienie lokalizacji tego białka w komórce lub zmiany tej lokalizacji pod wpływem różnych czynników.
     
  • Obrazowanie bioluminescencyjne - albo BLI - umożliwia nieinwazyjne obrazowanie procesów biologicznych w żywych zwierzętach, badanie procesów różnych chorób i ich leczenie. Może być m.in. stosowane do lokalizacji nowotworów.
     
  • Transfer energii rezonansu bioluminescencji lub BRET jest używany do mapowania obwodów neuronalnych w celu zrozumienia funkcji mózgu.
     
  • Badania nad bioluminescencją bakterii w wodzie morskiej doprowadziły do odkrycia "Quorum sensing". Jest to sposób "porozumiewania się" bakterii między sobą za pomocą cząsteczek związków chemicznych. Naukowcy zauważyli, że podczas hodowli w pewnym momencie bakterie zaczynają świecić. Zjawisko to miało miejsce dopiero w momencie dużego zagęszczenia szczepów. Postawiono pytanie, dlaczego zjawisko nie zachodziło w małym zagęszczeniu szczepów? Po przeprowadzeniu badań naukowcy doszli do wniosku, że gdy hodowla osiągnie duże zagęszczenie to, aby nie zginąć z powodu braku pokarmu lub samozatrucia metabolitami, wytwarza ona związki chemiczne informujące kolonię o potrzebie zaprzestania rozmnażania.
     
  • Opracowano narzędzia, w których bakterie bioluminescencyjne są wykorzystywane jako biosensory wykrywające zanieczyszczenie wody.
     

Tak więc widzimy, jak ważną rolę pełni bioluminescencja, wspomagając nas w badaniach genetycznych, w celu wykrycia choroby Alzheimera i raka, w stomatologii, do określenia ryzyka próchnicy, w badaniu patogenów opornych, do oceny toksyczności i wielu innych. Gdyby tak jeszcze udało się uzyskać w pełni "zielone", najlepiej darmowe źródło światła dla naszych domów...