La Bioluminiscencia en el reino animal

Los seres vivos pueden emitir luz (bioluminiscencia) gracias a la quimioluminescencia, fosforescencia o fluorescencia. Estos dos últimos son procesos similares que requieren recibir luz externa previamente.

Los materiales fosforescentes brillan después de “haberse cargado de luz” mientras que la fluorescencia es un acto instantáneo. La quimioluminiscencia en cambio genera luz a partir de una reacción química.

A pesar de ser un fenómeno conocido desde hace mucho, el estudio de la bioluminiscencia es aún poco. Ya para el año 1500 A.C., en algunos escritos chinos, aparecen las primeras referencias sobre luciérnagas y gusanos que eran capaces de brillar. El propio Colón también informó en sus diarios de viaje de extraños avistamientos de luces en los mares tropicales y fue el mismo Michael Faraday quien observó y comenzó a estudiar la luminiscencia después de la muerte de insectos capaces de emitir luz.

Michael Faraday

Fuente: http://openlearn.open.ac.uk/mod/resource/view.php?id=245494

En la actualidad se sabe que este fenómeno se debe en la mayoría de los casos a la acción de dos sustancias: una enzima llamada luciferasa, y su sustrato, una proteína llamada luciferina. Cuando estas dos sustancias reaccionan producen la luz, requiriéndose para esto la presencia de oxígeno.

 
Representación de la molécula de luciferasa de la luciérnaga:

fuente: http://www.rcsb.org/pdb/explore/images.do?structureId=1LCI

 Los estudios bioquimicos realizados a esta enzima, revelan que la luciferasa difiere químicamente de acuerdo con las diferentes especies de animales. Esa es la razón de que el color de la luz que se produce en la bioluminiscencia sea diferente según la especie. En todas las especies animales investigadas hasta hace poco tiempo, los colores se encontraban en la sección visible del espectro y siempre va del verde al azul. Cuando se observaban otros colores se debían a la alteración del tono original mediante diversos órganos que actuaban como filtros o superficies reflectantes distorsionadoras. Cuando estas sustancias se extraen de las células vivas, pierde la propiedad de producir luz, debido a que la enzima funciona solamente en presencia de ATP, el cual se produce dentro de las células en organismos que tienen metabolismo activo ( se encuentran vivos ).

Los seres que habitan los océanos revelan gran diversidad de estructuras luminosas en cuanto al color y forma de acuerdo con la intensidad luminosa que reciben, en ocasiones, gracias a los diferentes tipos de órganos brillantes de variada naturaleza que presentan en su cuerpo.

En los animales la producción de luz se inicia cuando llegan los impulsos nerviosos a las células especializadas de sus órganos productores ( fotóforos o fotocitos ) ; esta luz tiene una longitud de onda del espectro visible por el ojo humano, es decir, roja, amarilla, verdes o azules. En algunos casos cuando la intensidad de la luz es alta y se encuentra localizada en una pequeña zona del animal, la bioluminiscencia producida supera proporcionalmente en luminosidad a una lámpara fluorescente de 6 V.

Se cree que las funciones principales de la luminiscencia están más relacionadas con la alimentación y la defensa que con aspectos reproductivos o de comunicación entre individuos de la misma especie.

En los cefalópodos la distribución de los fotóforos proporciona una primera pista sobre sus funciones. Casi siempre predominan en posición ventral: detrás de los ojos, en los brazos, y ocasionalmente en los tentáculos. Un cefalópodo o un pez puede ocultarse de un depredador que venga de arriba o de los lados, oscureciendo su parte superior o haciendo reflectantes los laterales. El problema más difícil de resolver se da cuando el que lo quiere devorar se aproxima desde abajo, de manera que detecta a la presa a contraluz. En este caso, la solución adoptada es la “contrailuminación”. Gracias a la información que recibe de los fotóforos extraoculares, regula la intensidad y longitud de onda de luz emitida desde la parte ventral, haciéndola coincidir con la iluminación ambiental, lo que le permite volverse prácticamente invisible y desconcertar al depredador.

A grandes profundidades, donde la oscuridad es total, no tiene sentido contrailuminar. Los pocos animales que tienen luces las “apagan”, ocultándolas o ralentizando su producción, reservándolas para sus cacerías nocturnas en aguas más superficiales. Aquellos que viven en permanente oscuridad ya han evolucionado en el sentido de no tener órganos luminiscentes, al menos para este fin, ya que no todos los fotóforos están organizados en el sentido de favorecer la contrailuminación, lo que podría indicar que la bioluminiscencia posee además otras funciones.

Encontrar a un congénere en la inmensidad de las profundidades, en oscuridad casi absoluta no es tarea sencilla, y en estas situaciones la emisión de luz puede ser de gran ayuda. Pero no sólo para identificarse, sino también para encontrar pareja, ya que algunas especies poseen dimorfismo sexual en el funcionamiento de los fotóforos, alumbrando de modo diferente machos y hembras.

La bioluminiscencia no sólo sirve como mecanismo de defensa o de señalización entre individuos de la misma especie, sino que tiene la capacidad de influir en el comportamiento de otras. Es el caso de Chiroteuthis, calamar de aguas profundas que posee unos fotóforos en la punta de los tentáculos imitando un cebo, de forma que al moverlos a modo de caña de pescar atrae las presas.

Video tomado de http://www.mnh.si.edu/cephs/vrr92/cephs5.htm

Diferentes tipos de Bioluminiscencia

Los seres productores de luz abundan más en el medio oceánico que en el dulceacuícola, el terrestre o el aéreo, haciendo del mar la residencia predilecta de pequeños animales luminosos. Se trata de un fenómeno de evolución convergente, al haberse alcanzado el mismo o parecido fin por distintas vías.

Sin embargo los organismos marinos no se circunscriben a las regiones profundas, batipelágica y abisal, donde reina la oscuridad, también se les encuentra a profundidades menores, e incluso en la misma superficie, donde pueden ser extraordinariamente abundantes, como ocurre con muchos de los pequeños organismos que se localizan flotando, formando el plancton, como protozoarios, cnidarios, moluscos y crustáceos.

Esquema de las principales zonas marinas

fuente: http://www.fao.org/docrep/009/y5852s/Y5852S10.htm

Casi toda la luz generada por los organismos marinos es de color verde-azulado, en el rango de 470-490 nanómetros, que es la longitud de onda óptima para su transmisión en el mar, aunque también se pueden producir otros colores. 
 

En general los seres marinos productores de luz se clasifican en:

1. Organismos que producen bioluminiscencia difusa, generalmente son microorganismos o algas unicelulares, como en el caso de las "fotobacterias", que han dado lugar a curiosos experimentos, como el de construir focos luminosos llenando globos de vidrio con cultivos que contengan multitud de estas. Muchas veces, estas bacterias se asocian con otros organismos del mar haciéndolos participar de su luminosidad, como ocurre con los anfípodos o "pulgas de mar", pequeños crustáceos.

Anfípodo

fuente: http://museumvictoria.com.au/crust/mov1666t.html

2. Organismos que presentan la bioluminiscencia localizada como los ctenóforos o la producen en sus paletas natatorias. En los protocordados, del grupo de los Pirosomas, también tienen puntos de bioluminiscencia en su cuerpo y reciben este nombre por producir intensas luminiscencias en el agua. A gran profundidad se localizan algunas estrellas de mar en que la bioluminiscencia es de carácter intermitente, de tal modo que el cuerpo es recorrido por oleadas de luz.

Ctenóforo o peine de mar

3. Al tercer grupo caracterizado por la presencia de órganos especiales para la producción de luz, pertenecen los crustáceos, los moluscos y los peces, que presentan órganos productores situados en la superficie ventral y más abundante en su cabeza que en otras regiones del cuerpo, con una estructura compleja que permite que la luz emitida pueda variar no sólo en intensidad sino en color. Estos órganos funcionan por acción motora del sistema nervioso y con frecuencia de manera perfectamente voluntaria, como en el caso de los calamares de aguas profundas.

Pez abisal con un órgano productor de luz en la cabeza

fuente http://www.losanimales.net/wp-content/uploads/2008/11/himantolophus.jpg

Gonyaulax es un organismo bioluminiscente el cual pertenece al grupo de los dinoflagelados ( Pyrrophyta ) que significa literalmente "plantas de fuego”. Estos son componentes importantes del Plancton sobre todo en las periodos de la marea roja. Al respecto es interesante referirse a la producción de luz en Pyrrophyta , lo cual al parecer responde a tres tipos de estímulos:

Dinoflagelado bioluminiscente

fuente http://www.icm.csic.es/bio/images/tur4.jpg

1. Mecánicos: Cuando algunas fuerzas tales como las causadas por el movimiento del agua de la estela de un barco o de la onda que deja un pez, deforman la membrana celular y en respuesta se produce un flash corto.

2. Químicos: producido por la variación del pH alrededor de la célula puede hacer que algunos dinoflagelados brillen intensamente, como se ha observado en condiciones de laboratorio.

3. Térmicos: También en condiciones de laboratorio se ha podido lograr que algunos organismos brillen intensamente si se baja la temperatura.

En algunos dinoflagelados se conoce que el proceso es precedido por un potencial de acción durante el cual el interior de la membrana vacuolar se hiperpolariza, esto permite las condiciones para la reacción química que produce la luz. El potencial de acción extrae los iones de hidrógeno de la vacuola y baja el pH citoplasmático, bajo estas condiciones ácidas, el complejo luciferasa - luciferina se activa.

Bioluminiscencia en Nemátodos

Quizás los primeros estudios de enfermedades causadas por nemátodos fueron realizados por Aldrovandi hace aproximadamente 400 años. Aldrovandi también escribió sobre bioluminiscencia en insectos, pero fue hasta Poinar que documentó por primera vez de un nemátodo parásito que emplea bacterias bioluminiscentes del género Xenorhabdus, para invadir insectos como parte de su ciclo vital. Los nematodos invaden el insecto a través de la boca, o de los espiráculos penetrando luego en la pared del intestino, donde luego se incorporan el hemocele. Éstos crecen rápidamente en la hemolinfa. Sin las bacterias, el nemátodo no podría terminar su ciclo vital, porque las bacterias proporcionan permiten la asimilación de varios alimentos al liberar proteasas y de lipasas extracelulares, además inhiben el crecimiento de otras bacterias produciendo diversos antibióticos. 

Fotografia de un nemátodo con Xenorhabdus

De esta manera el insecto no se pudre durante dos semanas, cuando los nemátodos se alimentan y reproducen. Las aplicaciones en control biológico por Xenorhabdus y el uso de nemátodos para control biológico se comenzó a emplear en los años 30. Los nemátodos poseen quimiorreceptores que permiten encontrar a sus hospederos con eficacia. El descubrimiento de Xenorhabdus parecía prometedor porque en la relación simbionte se mata al anfitrión tan rápidamente que los nematodos no han tenido que adaptarse a un ciclo vital especifico y esto puede ser utilizado en una gran variedad de insectos, incluyendo escarabajos, gorgojos, hormigas, grillos y otros. Desdichadamente, las evaluaciones de campo produjeron resultados mezclados, debido a una carencia de la comprensión de los tipos de condiciones requeridas para facilitar la ingestación, incluyendo factores abióticos tales como humedad del suelo, temperatura y radiación solar, tan bien como factores bióticos talen como tensión del nemátodo, y etapa y defensas del anfitrión.

Referencias

Widder, EA; Johnsen, S. (2000) 3D spatial point patterns of bioluminescent plankton: a map of the 'minefield'. J.Plankton Res. 22:409-420.

Deheyn, D; Mallefet, J; Jangoux, M. (2000) Cytological changes during bioluminescence production in dissociated photocytes from the ophiuroid Amphipholis squamata (Echinodermata) Cell Tissue Res. 299:115-128.

Johnsen, S.; Balser, E.J.; Fisher, E.C.; Widder, E.A. (1999) Bioluminescence in the deep-sea cirrate octopod Stauroteuthis syrtensis (Mollusca: Cephalopoda). Biol. Bull. 197: 26-39.

Enlaces WEB y sitios para visitar

Wikipedia

http://es.wikipedia.org/wiki/Bioluminiscencia

Bioluminiscencia

http://www.casaciencias.org/aquarium/con-pies-y-cabeza/histnat/bioluminiscencia.html

Luciferasa

http://www.ebi.ac.uk/interpro/DisplayIproEntry?ac=IPR016048
Symbiotic Association of the entomogenous nematode Steinernema carpocapsae and the bacterium Xenorhabdus nematophilus 
http://web.uconn.edu/mcbstaff/graf/XnSt/XnStmain.htm