La bioluminescenza: luce negli abissi

Avete mai sentito parlare di bioluminescenza? Quando si parla di vita nel mare ci vengono in mente sempre agli stessi ambienti: affollate e variopinte barriere coralline sono il primo habitat che viene in mente, seguito dalle grandi foreste di kelp e dalle praterie di piante acquatiche. Il resto del mare è freddo, scarsamente popolato, ma soprattutto buio.

E se non fosse così? Gli abissi e l’ambiente pelagico possono risultare quanto mai “abbaglianti” grazie ad un particolare fenomeno biologico: la bioluminescenza.

Cos’è la bioluminescenza?

La bioluminescenza è un fenomeno biologico che coinvolge due sostanze, la luciferina e la luciferasi. Mentre la prima è una molecola che funge da substrato, la seconda è un enzima (o meglio, una classe di enzimi). La luciferina si ossida in presenza di ossigeno e grazie alla catalisi della luciferasi. L’energia viene quindi liberata sotto forma di luce.

Esistono tre diverse fonti di bioluminescenza:

  • Secrezioni extra-cellulari
  • Processi intracellulari
  • Batteri simbionti
Bioluminescenza marina
Figura 1 – Bioluminescenza sulla superficie del mare

Luciferina e luciferasi

La luciferina è una molecola eterociclica che funge da substrato per la reazione catallizzata dalla luciferasi, in cui si ossida deidrogenandosi. Ne esistono varie tipologie, legate alla specie in esame, e tra le prime identificate vi sono quelle delle lucciole:

Molecola luciferina necessaria per la bioluminescenza
Figura 2 – Luciferina di lucciola

I meccanismi molecolari legati alla bioluminescenza nei batteri marini furono studiati in Aliivibrio fischeri (precedentemente inserito nel genere Vibrio), simbionte del calamaro Euprymna scopoles; furono così scoperti l’operone lux e il meccanismo del quorum sensing.

Dagli studi su vari organismi bioluminescenti si è capito che luciferasi e luciferina sono strettamente legate e reagiscono solo se appartenenti alla stessa specie o a specie filogeneticamente affini. Inoltre è possibile isolarle da vari organismi e farle funzionare in vitro, ma non dai batteri: la funzionalità è dipendente dalla struttura protoplasmatica, per cui è possibile coltivare i batteri bioluminescenti in speciali terreni di coltura.

Quali sono gli organismi marini bioluminescenti?

La bioluminescenza è un fenomeno estremamente diffuso in ambiente marino, presente in moltissimi gruppi: tra i più importanti abbiamo protozoi come i radiolari e alghe come i dinoflagellati. Ma anche organismi superiori come policheti, meduse, molluschi, pesci e perfino squali abissali.

Senza dubbio, una delle manifestazioni più belle della bioluminescenza in natura è quella dovuta al dinoflagellato Noctiluca scintillans. Durante le giornate di bloom di questa specie il mare si tinge di rosso, ma di notte la minima vibrazione dell’acqua fa illuminare la superficie del mare. Il rovescio della medaglia di questo affascinante fenomeno è però l’impatto ambientale non trascurabile dato da questa specie.

Noctiluca scintillans bioluminescenza
Figura 3 – N. scintillans

Uno degli esempi più eclatanti di bioluminescenza noti, tanto esteso da poter essere osservato da satellite, è il “Milky Sea“. Nell’oceano Indiano Vibrio harveyi è l’attore di questa spettacolare performance, dove interi tratti di mare si illuminano di un tenue bagliore blu. A differenza del caso precedente, durante il Milky Sea non si hanno brevi lampi di bioluminescenza in favore di una debole luminosità sostenuta.
Questo fenomeno compare nel libro “Ventimila leghe sotto i mari” di Jules Verne, ben prima che se ne capissero le cause o anche solo che potesse essere accertato come fatto e non come leggenda tra i marinai.

Milky Sea Estensione bioluminescenza
Figura 4 – Estensione del “Milky Sea” nell’oceano Indiano

Un altro esempio famoso di bioluminescenza arriva dal mondo dell’animazione: il melanoceto (Melanocetus johnsonii). Questo predatore abissale compare nel film “Alla ricerca di Nemo” dove viene mostrata la sua tecnica di caccia: utilizza uno speciale organo luminoso, il fotoforo, per attrarre le sue prede nel buio degli abissi. A generare luce non è lui direttamente bensì un batterio, Enterovibrio escacola.

Melanoceto imbalsamato Museo Londra
Figura 5Melanoceto imbalsamato conservato al Museo di Storia Naturale di Londra

E. escacola appartiene alla famiglia Vibrionaceae, assieme ad ogni altro batterio simbionte bioluminescente. Altri membri importanti sono il genere Photobacterium e A. fischeri. Si tratta di batteri con simbiosi facoltativa e che vivono anche in forma libera. Il trasferimento verticale di batteri da una generazione all’altra di ospiti sembra escluso e che quindi ogni organismo acquisisca i batteri dall’ambiente circostante.

Altri microrganismi bioluminescenti non simbionti sono membri della classe Gammaproteobacteria ed i principali appartengono alle famiglie Enterobacteriaceae, Shewanellaceae ed alla già citata Vibrionaceae.

Il ruolo della bioluminescenza

Abbiamo visto come la bioluminescenza possa essere usata per la caccia; da molti organismi viene usata per la fuga, per distrarre il predatore, mentre per altri serve a trovare un compagno per la riproduzione nelle buie profondità abissali.

E per i microrganismi? I motivi della bioluminescenza nei microrganismi sono tanto vari quanto i microrganismi stessi e solo adesso stiamo iniziando a comprenderli.

Batteri bioluminescenti. Bioluminescenza
Figura 6 – Batteri bioluminescenti coltivati in una piastra petri

Ovviamente la simbiosi con organismi più grandi porta vantaggi a entrambi: la capacità di produrre luce è utilissima nell’oscurità delle profondità marine ed il microrganismo viene ripagato con protezione o sostanze utili.

In N. scintillans la bioluminescenza è innescata da vibrazioni meccaniche, solitamente causate dall’avvicinarsi di un erbivoro. Un rapido ed intenso flash servirebbe quindi a disorientarlo ed evitare di essere mangiati. Un’altra teoria ipotizza che la bioluminescenza prodotta durante il pascolo possa rendere ben visibili gli erbivori ai predatori, scoraggiando così gli erbivori dal nutrirsi dell’alga.

Per V. harveyi si osserva il fenomeno opposto: il fenomeno del Milky Sea sembrerebbe essere un’enorme esca per pesci che possano ingerire questo batterio. Difatti è un patogeno di pesci e di alcuni invertebrati, dannoso anche per le attività di acquacoltura.

Un diverso ruolo della bioluminescenza, ancora poco studiato, riguarda la protezione da specie reattive dell’ossigeno (ROS) e dai danni degli UV. Pare infatti che l’emissione di luce sia legata alla riparazione del DNA, mediante un enzima chiamato DNA fotoliasi.

Fonti

  • Marine Microbiology, Munn C. B., 3rd Edition; CRC
  • Biologia Marina, Danovaro R., 2° Edizione; UTET
  • Biologia Marina, Cognetti G., Sarà M., Magazzù G., 2° Edizione; Calderini
  • Hua Zhang X., He X., Austin B., 2020 – Vibrio harveyi: a serious pathogen of fish and invertebrates in mariculture
    https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC7223180/
  • Figura1: Jed from San Diego, California Republic, CC BY-SA 2.0 https://creativecommons.org/licenses/by-sa/2.0, via Wikimedia Commons, https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Dinoflagellate_bioluminescence.jpg
  • Figura2: Yikrazuul, Public domain, via Wikimedia Commons https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Firefly_luciferin.svg
  • Figura3: By Maria Antónia Sampayo, Instituto de Oceanografia, Faculdade Ciências da Universidade de Lisboa – http://planktonnet.awi.de (provided under a Creative Commons Attribution 3.0 License), CC BY 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=4611082
  • Figura4: Dr Steve Miller, from the Naval Research Laboratory; and PNAS, Public domain, via Wikimedia Commons, https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Milky_sea_nightcolor5x5.jpg
  • Figura5: Drow male, CC BY-SA 4.0 https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0, via Wikimedia Commons. https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Melanocetus_johnsonii.001_-_Natural_History_Museum_of_London.JPG
  • Figura6: Rob Cruickshank, CC BY 2.0 https://creativecommons.org/licenses/by/2.0, via Wikimedia Common https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Bioluminescent_bacteria_-Flickr-_Rob_Cruickshank.jpg

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