Nedanstående innehåll är skapat av Mimers Brunns besökare. Kommentera arbete

 

Marin bioluminiscens

- hos djur och encelliga organismer

Filip Wiman

Na16c

Katedralskolan, Linköping

2018 / 2019  

 

 

 

 

Abstract

 

In this report, I summarize data from several different sources, to clarify the chemistry behind and the uses of bioluminescence used by organisms in the oceans. The concept of biolumination, the production and emission of visible light by organisms, has been achieved in several different ways throughout the ages, with several examples of convergent evolution both with and without the help of bioluminescent bacteria. Different organisms use different variations of the chemical compounds used in the chain reaction. All of this has lead to a massive increase in the number of species in the oceans that use bioluminescence.

 

 

Humans have been aware of, and used, bioluminescence for many hundred years, for example as non-flammable lighting in mines.

 

 

The chemical reaction for bacterial bioluminescence can be described as:

FMNH2 + O2 + R-CHO     FMN + H2O + R-COOH + Light

 

The list of applications is long, but a few examples are:

• Lumination: to see your prey easier, or to tell the world that you yourself are dangerous.

• Counterillumination: making your silhouette blend together with the sky above.

• Lure: luring in unsuspecting prey.

• Chock: stunning prey or assailants with explosions of light.

• Communication: alerting others of danger or just keeping the school together.

• Constant flashing: used as scare tactics or in larger groups combined with rapid changes in direction to confuse and disorient predators. It can also be used in courtship or finding a mate.

 

This is a literary study, where various web pages in both english, swedish and german have been used to compile data on this topic. An experiment was also conducted, in which the bacteria Vibrio fischeri were cultivated on a fresh mackerel in salt water. The result was a faint blue bioluminescence, which could be observed by the naked eye if placed in a dark room.

 



Innehållsförteckning



Abstract 1

Innehållsförteckning 2

1. Inledning 3

1.1 Bakgrund 3

1.2 Syfte, frågeställning och avgränsning 3

2. Metod 4

2.1 Utförande 4

2.2 Källkritik 4

3. Resultat 5

3.1 Bioluminiscerande organismer 5

3.2 Resultat från laborationen 5

3.3 Kemin bakom bioluminiscens 6

3.3.1 Bakteriers och andra organismers bioluminiscens 6

3.4 Användningsområden 7

3.4.1 Defensiv funktion 7

3.4.2 Offensiv funktion 7

3.4.3 Övrig funktion och quorum sensing 8

4. Diskussion 9

5. Referenslista 10

5.1 Textreferenser 10

5.2 Bildreferenser 10

6. Bilagor 11

6.1 Bilaga 1 11

6.2 Bilaga 2 12

6.3 Bilaga 3 13



 

 

1. Inledning

1.1 Bakgrund

Bioluminiscens definieras som alstrandet av synligt ljus från organismer. Hos fiskar har bioluminiscens uppstått vid 25 olika tillfällen, oberoende av varandra, i 14 olika fiskgrupper under de senaste 150 miljoner åren. 17 gånger i symbios med bakterier och åtta gånger i fiskarnas egna celler. Det finns idag cirka 1500 olika fiskarter med bioluminiscens, och de är fördelade ungefär hälften i symbios, hälften på egen hand. Människan har länge varit fascinerad över detta ljusfenomen, och på senare tid velat förstå orsaken till varför dessa evolutionärt komplicerade mekanismer finns och används. En av de tidigaste observationerna och funderingarna kring bioluminiscens gjordes av Aristoteles, då han såg dött och fuktigt trä utstråla ett svagt ljussken. Johann Florian Heller visade år 1854 att ljuset kom från bioluminiscerande svamphyfer (1).

 

Även Charles Darwin gjorde observationer på bioluminiscens, bland annat en lysande manet och små kräftdjur som “blixtrade” grönt när vågor rullade över dem. Darwin trodde dock att detta berodde på elektriska störningar i atmosfären, och inte på kräftdjuren själva (1).

 

Sjömän har under många år berättat historier om ljusfenomen till havs. Ett klassiskt exempel är “mjölkhavet”, då havsvattnet ser ut att förvandlas till lysande mjölk i ett stort område. Många vetenskapsmän misströstade och bortförklarade dessa observationer som myter och sagor. Författaren Jules Verne skrev dock om fenomenet i sin bok “En världsomsegling under havet”. Trots vetenskapens tvivel fortsatte rapporteringar att komma in då och då, till exempel år 1955 då skeppet S.S. Lima observerade ett mjölkhav i nordvästra indiska oceanen. Till slut ville en grupp forskare gå till botten med dessa rykten, så de tog fram satellitbilder från plats och tid angivet av Lima. De fann då ett 14 000 km2 stort område som gav ifrån sig ett ljussken. Vattenprover togs, och man kunde fastslå att det var bakterien “Vibrio harveyis” bioluminiscens som låg bakom mjölkhavsfenomenet. Ett annat namn på detta fenomen är mareld, vilket kan orsakas av flera olika arter, och inte bara av bakterier (2).

 

Även vi människor har utnyttjat bioluminiscens sedan flera hundra år tillbaka, till exempel i gruvor. Då eldslågor riskerade att antända gaser och koldamm i gruvorna, så använde man torkade fiskskinn, framförallt i sydvästra Europa. Fiskskinnen hade bioluminiscerande bakterier på sig, som erbjöd gruvarbetarna en säker men svag ljuskälla. Runt sekelskiftet 1700-1800 uppfann man dock en lampa med eldslåga som var säker att använda i gruvor, vilket helt utkonkurrerade fiskskinnen (3).

 

1.2 Syfte, frågeställning och avgränsning

Syftet med rapporten är att öka förståelsen kring marin bioluminiscens. Frågeställningarna innefattar det historiska/evolutionära perspektivet, hur bioluminiscens fungerar kemiskt och hur organismer (framför allt djuphavsorganismer) använder fenomenet för att överleva. Det finns både svampar, växter och landlevande djur som använder bioluminiscens, men dessa har valts bort då majoriteten av alla bioluminiscerande organismer finns i haven.

 

 

2. Metod

2.1 Utförande

Detta är en litteraturstudie där fakta sammanställts från olika webbplatser, både på engelska, svenska och tyska. Exempel på sökord som har använts är “bioluminiscens”, “bioluminescence”, “quorum sensing”, “luciferase” och “milky sea”.

 

Till denna rapport gjordes också en laboration för att visa bakteriell bioluminiscens vid quorum sensing, se bilaga 1 och bilaga 3. Bakterien “Vibrio fischeri” användes på skinnet av en färsk icke-fryst makrill (Scomber scombrus), där den förekommer i naturligt tillstånd. Den låg i treprocentigt saltvattensbad i kylskåp i 5 dagar. Bild på fenomenet togs den 10/10 2018, efter kontroller flera dagar i rad.

 

2.2 Källkritik

“Alternative Luciferase for Monitoring Bacterial Cells under Adverse Conditions” (publicerad 6/7 2005) av American Society for Microbiology (ASM) är skriven av Wiles, S., Ferguson, K., Stefanidou, M., Young, D. B. och Robertson, B. D. som alla är verksamma vid Imperial College London, ett välkänt brittiskt universitet. Källan riskerar dock att bli vinklad eftersom alla skribenter kommer från samma universitet och då har liknande perspektiv. ASM är en av världens största vetenskapliga samfund med över 30 000 medlemmar, vars syfte är att sprida forskning, hålla föreläsningar, diskussioner samt bidra till forskning. Då denna stora organisation är välkänd, är källa säker att använda. Källan har granskats för att behålla ASMs rykte som trovärdig. Den är visserligen gammal, men den tar mest upp grundläggande fakta.

 

Artikeln “En lysande lösning” (publicerad 21/12 2016) av Forskning och Framsteg är skriven av Nyström, J. som har varit aktiv inom Forskning och Framsteg sedan 2011. Det tyder på att hans artiklar generellt har en hög standard, då han annars inte hade varit kvar så länge. Hans fokus ligger på biologi, kemi och miljö, vilket tyder på att han kan sitt ämne. Tidskriften är välkänd och ges ut av en icke vinstdrivande stiftelse. Stiftelsen har nära kontakt med svensk forskning och stöds ekonomiskt av flera forskningsfinansierande organisationer. Detta talar för källans trovärdighet, då tidskriften strävar efter ett riktigt och intressant innehåll. Dock leder det till att dessa organisationer i viss mån styr vad som publiceras tack vare sin ekonomiska position. Artikeln är relativt ny, så informationen är fortfarande relevant.

 

“Marine Bioluminescence” (publicerad 2001) från Bioscience Explained, en webbtidskrift utgiven av institutionen för biologi och miljövetenskap vid Göteborgs universitet, är skriven av Widder, E. A som är en amerikansk marinbiolog och oceanograf. Då Göteborgs universitet är internationellt känt och välkänt i Sverige, måste de hålla en hög standard på sina artiklar. Den främsta målgruppen är lärare och blivande studenter, där syftet är att lyfta frågor, intressant fakta och ge ut lärande experiment. Hon har tidigare gjort många publiceringar i stora världskända tidskrifter såsom “Science”, vilket ökar hennes trovärdighet. Texten är gammal, men den har används till basfakta och är därför tillförlitlig.

 

 

3. Resultat

3.1 Bioluminiscerande organismer

Många olika organismer använder sig av bioluminiscens. En stor grupp är bakterier, såsom Vibrio fischeri och Photobacterium phosphoreum. En av de största grupperna som använder bioluminiscens är fiskar, till exempel ficklampfiskar och drakfiskar, men det finns även några ormstjärnor (tagghudingar), en del blötdjur, såsom vissa musslor och bläckfiskar, enstaka kräftdjur och ett fåtal protister, till exempel dinoflagellater som använder fenomenet (1).

 

Evolutionärt sett har bioluminiscens hos fiskar uppstått vid 25 olika tillfällen, konvergent, i 14 olika fiskgrupper de senaste 150 miljoner åren. 17 gånger i symbios med bakterier och åtta gånger i fiskarnas egna celler. Det finns idag cirka 1500 olika fiskarter med bioluminiscens, och de är fördelade ungefär hälften i symbios, hälften på egen hand. Denna artrikedom kommer främst från överlevnadsstrategier, men även sexuell selektion. Det är vanligt att samma organism använder bioluminiscens för flera olika ändamål (1).

 

3.2 Resultat från laborationen

Detta experiment visar bakterier som använder bioluminiscens (det blåaktiga ljuset) som en form av kommunikationsmedel, nämligen quorum sensing. Mer om detta tas upp senare i rapporten. “Dimman” man kan se i vattnet på bilden är fria bakterier, bakterier som inte växer på en yta. Dessa lyser tillsammans svagare, då celltätheten inte är lika hög som på själva fisken. De flesta bakterier växer på fisken, då det är fiskens nedbrytning som utsöndrar den näring bakterierna livnär sig på. Den röda färgen är troligen ljus från bakterierna som reflekterades mot plastbaljan som fisken ligger i. Fiskens huvud pekar snett ner åt höger.

 

Figur 1: Bioluminiscerande bakterier på makrill (egen bild)

3.3 Kemin bakom bioluminiscens

Kemin bakom bioluminiscens är i grund och botten samma för alla organismer. Ett komplex skapas med ett luciferin, ett luciferas och joner, vilket leder till att en eller flera fotoner avges. Olika organismer använder olika luciferin, luciferas och joner för att uppnå bioluminiscens. Luciferin hos bakterier är vanligtvis reducerat riboflavin-5´-fosfat (FMNH2), medan till exempel dinoflagellater oftast använder olika tetrapyrroler, en nära släkting till klorofyll (12).

 

3.3.1 Bakteriers och andra organismers bioluminiscens

“Vilande”/deexciterat luciferas skapar ett komplex tillsammans med reducerat luciferin och väte. Inkommande syre förenas med väte och bildar vatten, vilket leder till att en aldehyd med 10-18 kolatomer (dekanal till oktadekanal) oxideras till en karboxylsyra. Detta gör att luciferas exciteras, och avger ljus (vanligtvis våglängder mellan 460-490 nm) vid deexcitation genom oxidation. Luciferin reduceras sedan igen och får ny energi i form av väte från NADH2. Luciferin och deexciterat luciferas börjar sedan om cykeln på nytt (4, 7, 8, 11). Detta kan även ses illustrerat i bilaga 2 (7).

 

 

Reducerat luciferin                                            Oxiderat luciferin

Aldehyd                                                     Karboxylsyra

 

Figur 2: Kemisk reaktion för bakteriell bioluminiscens (b1)

 

Reaktionen kan även skrivas med formeln:
FMNH2 + O2 + R-CHO     FMN + H2O + R-COOH + Ljus (11)

 

3.4 Användningsområden

3.4.1 Defensiv funktion

Bioluminiscens kan ha många olika och varierande uppgifter när det gäller överlevnad. Det kan ha en defensiv funktion, till exempel genom att skrämma bort eller förvirra rovdjur genom kraftiga ljusimpulser, vilket är dokumenterat bland annat hos vissa bläckfiskar och encelliga alger. Några bläckfiskar släpper istället bioluminiscerande kroppsdelar för att distrahera rovdjur medan de själva hinner fly, och olika kräftdjur spottar ur sig ett bioluminiscerande ämnen som distraherar fiender (5). Vissa dinoflagellater lyser upp när de blir anfallna, och fortsätter att lysa även när de blivit uppätna, vilket gör att rovdjuret i sig blir ett lätt byte för större fiskar (1). Ficklampfiskar sluter och öppnar sina bakteriefyllda kindpåsar varje gång de byter riktning, vilket leder till att rovdjuret inte kan då fokusera på en enskild individ och då snabbt blir utmattat utan att fånga något byte (4). Vissa blötdjur och tagghudingar använder bioluminiscens, både mönster och blinkningar, för att signalera att de är farliga. Detta fungerar på samma sätt som starka färger gör hos giftiga arter på land. Det finns då både de som har andra försvarsmekanismer, och de som försöker påstå att de har det genom att likna verkligt farliga arter. Det är dock vanligare att använda bioluminiscens som kamouflage, vilket prickfiskarna gör i stor utsträckning. Artegna bioluminiscerande mönster på undersidan och längs kanter gör att fiskens siluett suddas ut mot himlen ovanför, då ljuset anpassas för att stämma överens med mängden ljus som kommer ovanifrån (5).

Figur 3: Ljusdistraktion från en räka (b2) Figur 4: En tecknad marulk (b3)

 

3.4.2 Offensiv funktion

Bioluminiscens används även flitigt i offensivt syfte, det vill säga i jakt. Det vanligaste är att ett spröt fyllt med bioluminiscerande bakterier används som lockbete av mindre rovdjur vid jakt, där ett exempel är den ikoniska marulken. Dessa lockbeten kan se ut på väldigt många olika sätt, beroende på artens nisch. De kan även fungera som lampor, som lyser upp omgivningarna och eventuella bytesdjur. Vissa glappkäkfiskar har utvecklat ett ljusorgan vars utsända röda ljus är osynligt för andra än den egna arten. Detta betyder att de kan belysa bytesdjuren utan att de vet om att de blir sedda. Bioluminiscens behöver dock inte alltid vara passivt vid jakt, utan kan till exempel användas av ficklampfiskar i form av kraftiga impulser för att chocka byten, vilket temporärt förlamar eller förvirrar dem och gör dem lätta att fånga (5).

 

3.4.3 Övrig funktion och quorum sensing

Ett stort användningsområde för bioluminiscens är kommunikation (1, 5) och sexuell selektion. Då det i princip inte finns några fysiska barriärer ute på öppet vatten, så är sexuell selektion den enda förklaringen till den stora artrikedomen som finns. Eftersom det antingen råder totalt mörker eller relativt låg ljusnivå, är det olika bioluminiscerande mönster som organismerna måste gå efter. De kan inte kan se mycket annat, till exempel kroppsspråk, som organismer som lever i högre ljusnivåer kan. Kommunikationen består till största del av blinkningar (1). Både mönster och kommunikation är artegna, så olika arter inte förvirrar varandra. I vissa fall har specifika grupper egna mönster och signaler, vilket kan leda till artbildning i framtiden genom sexuell selektion (5).

 

Hos vissa bakterier, till exempel Vibrio fischeri, finner man bioluminiscens i koppling till quorum sensing, det vill säga bakterierna börjar producera ljus när de känner av att populationen har uppnått en viss storlek. Detta är en effekt av kemisk kommunikation, men det har ännu inte framkommit ett specifikt användningsområde för denna bioluminiscens. Quorum sensing har dock i vissa fall stor betydelse för kolonins överlevnad, till exempel genom att reglera virulens (6).



 

4. Diskussion

Under evolutionens gång har organismer funnit en stor mängd användningsområden för bioluminiscens, både i stor och liten skala. De drivande faktorerna har varit överlevnad, sexuell selektion och kommunikation. Om man ser till kemin bakom bioluniscensen finner man bevis för konvergent evolution. Detta, ihop med den stora mängd bioluminiscerande organismer som finns i haven, tyder på att bioluminiscens är en evolutionär fördel för havslevande organismer.

 

När det gäller jakt är det vanligtvis viktigt att finna nya nischer med mindre konkurrens för att överleva. Olika former av lockbeten och jakt med hjälp av bioluminiscens gör det möjligt för rovdjur att jaga nya bytesdjur djupare ner i haven, där de tidigare varit utom räckhåll. Detta leder till att nya nischer skapas och de många nya tillvägagångssätten gör att artrikedomen ökar. För bytesdjurens del ger olika former av bioluminiscens en stor bredd på försvarsmekanismer. Dock har de inte tillgång till många vanliga försvar som landlevande organismer, såsom att gömma sig i terrängen eller maskera sin doft. Djuphavsorganismer försöker istället gömma sig genom att få sin silhuett att smälta in i den enfärgade bakgrunden genom att avge samma mängd ljus som himlen ovanför. Jakten skapar i och med detta och dylikt ett selektionstryck som tvingar bytesdjuren att finna nya eller förbättrade försvarsmetoder, och därmed ökar antalet arter. Vidare är det normalt att samma organism använder bioluminiscens för flera olika ändamål samtidigt, där ficklampfiskarnas sammanslagning av kommunikation, förvirrande blinkningar och chockattacker är ett utmärkt exempel. Effektiv bioluminiscens fungerar sällan på land, då ljusnivån för det mesta är för hög. Detta gör att det för landlevande djur finns evolutionärt enklare alternativ än bioluminiscens för att gömma sig, till exempel genom att utnyttja terrängen eller varierande täckning.

 

Bakteriell bioluminiscens i form av quorum sensing har sedan det upptäcktes förbryllat forskarvärlden. Då bakterier är för små för att enskilt alstra tillräckligt med ljus för annat än enkel kemisk kommunikation, finns det ingen logisk förklaring till deras bioluminiscens. Den är dock så pass utbredd i flera olika variationer, att det knappast är en slump. En teori är att de som större koloni vill synas. De växer ofta på död fisk, och det kan tyda på att de vill bli uppätna vid en viss mängd. Anledningen till detta hypotiseras till att de använder fiskarna som transport för att spridas över ett större område, och på så sätt öka sina överlevnadschanser. Detta är ett intressant forskningsområde för framtiden i form av grundforskning.

 

 

5. Referenslista

5.1 Textreferenser

1. Wikipedia, sökord “bioluminescence”. Hämtat 13/11 2018.

https://en.wikipedia.org/wiki/Bioluminescence

 

2. Hedquist, C., “What is the "milky sea" phenomenon?”, Science. Hämtat 13/11 2018.

https://science.howstuffworks.com/environmental/earth/oceanography/milky-sea.htm

 

3. Wikipedia, sökord “safety lamp”. Hämtat 13/11 2018.

https://en.wikipedia.org/wiki/Safety_lamp

 

4. Wiles, S., Ferguson, K., Stefanidou, M., Young, D. B. och Robertson, B. D.,  “Alternative Luciferase for Monitoring Bacterial Cells under Adverse Conditions”, American Society for Microbiology. Publicerad 6/7 2005.  https://aem.asm.org/content/71/7/3427

 

5. Nyström, J., “En lysande lösning”, Forskning och framsteg. Publicerad 21/12 2016.

https://fof.se/tidning/2017/1/artikel/en-lysande-losning

 

6. Wikipedia, sökord “quorum sensing”. Hämtat 6/2 2019.

https://en.wikipedia.org/wiki/Quorum_sensing

 

7. Madden, D. och Lidesten, BM., “Bacterial Illumination”, Institutionen för biologi och miljövetenskap vid göteborgs universitet. Hämtat 5/10 2018.

https://bioenv.gu.se/digitalAssets/1566/1566430_photoen.pdf

 

8. Wikipedia, sökord “bioluminescent bacteria”. Hämtat 11/2 2019.

https://en.wikipedia.org/wiki/Bioluminescent_bacteria

 

9. Wikipedia, sökord “noctiluca scintillans”. Hämtat 20/2 2019.

https://en.wikipedia.org/wiki/Noctiluca_scintillans

 

10. Davis, M. P., Sparks, J. S. och Smith, W. L., “Repeated and Widespread Evolution of Bioluminescence in Marine Fishes”, Plos One. Publicerat 8/6 2016.

https://journals.plos.org/plosone/article?id=10.1371/journal.pone.0155154

 

11. Wikipedia, sökord “luciferine”. Hämtat 18/3 2019.  https://de.wikipedia.org/wiki/Luciferine

 

12. Widder, E. A., “Marine Bioluminescence”, Institutionen för biologi och miljövetenskap vid göteborgs universitet. Publicerad 2001, hämtat 5/10 2018.

https://bioenv.gu.se/digitalAssets/1566/1566428_biolumen.pdf

 

5.2 Bildreferenser