Vivimos en una era de iluminación. Antes de 1800, incluso en los países industriales más desarrollados, solo una pequeña proporción de personas vivía en pueblitos en donde podían encontrar alguna forma de iluminación para contrarrestar la oscuridad de la noche. Para el resto de las personas, la noche generalmente traía completa oscuridad, a veces atenuada por la luz de las estrellas y la luna.
Dentro de los hogares podría haber luz de velas o una fogata, pero una persona que se encontrara afuera comenzaría a observar – luego de unos cuantos minutos- alguna forma de luz: hongos luminosos o pequeños insectos que brillan de a ratos en el aire. Si bien esto podría causar desconcierto o miedo, a lo largo de la historia de la humanidad muchas comunidades han utilizado estas criaturas luminosas para decorar o iluminar espacios.
Sin embargo, la luz que provenía de organismos vivos, junto con la de las estrellas y la luna, el fuego o la de una lámpara, necesitaban ser explicadas de alguna forma en la antigüedad… esa “luz viva” es mucho más común en la naturaleza de lo que imaginamos ya que, numerosos organismos marinos y terrestres tienen la capacidad de emitir luz. La producción de luz por parte de seres vivos se denomina bioluminiscencia.
¿Cómo se produce?
Este fenómeno ocurre a través de reacciones químicas que se han observado en múltiples organismos como bacterias, microalgas, hongos, medusas, pulpos, peces, insectos y muchos otros seres vivos.
La reacción química se produce entre una proteína llamada luciferina y el oxígeno molecular, en donde se necesita energía para que ambas sustancias puedan reaccionar y transformarse. La energía es aportada por la molécula adenosin-trifosfato (o ATP) y en ella también participa una enzima llamada luciferasa. El producto principal de esta reacción es la oxiluciferina (la proteína oxidada) y como un producto secundario se produce la emisión de luz, como una forma de eliminar el exceso de energía remanente en la oxiluciferina. Existen muchas variedades de la proteína luciferina, ya que son diferentes según el organismo del que se trate, pero en general la función de esta proteína es la misma: producir luz.
El color de la luz que se emite en la reacción química va a variar dependiendo, principalmente, del lugar o “ambiente químico” en el que ocurra. El ojo humano percibe la luz de diferentes colores según la longitud que tengan las ondas de luz.
Se indican los rangos de longitudes de onda dentro del espectro electromagnético que corresponden a los diferentes colores que percibimos los seres humanos, junto con un representación de la onda de luz correspondiente. (la unidad nm significa nanómetro, que es la mil millonésima parte de un metro).
La reacción química se desencadena por diferentes estímulos que pueden ser químicos (bombas de iones a través de las membranas celulares) o mecánicos (movimiento de sensores táctiles) que se traducen como impulsos eléctricos en el sistema nervioso. El impulso desencadena la reacción química entre luciferina-luciferasa en células especializadas que se denominan fotocitos. Estas células a su vez pueden formar parte de órganos más complejos, denominados fotóforos, que tienen además de fotocitos estructuras similares a lentes refractarios, pigmentos y filtros de color.
¿Para qué sirve la bioluminiscencia en los seres vivos?
La producción de luz puede ser útil, según el organismo del que se trate, para ahuyentar predadores, atraer presas o para fines reproductivos.
A continuación presentamos una breve descripción de algunos de los miles de organismos que producen luz.
Bacterias
La mayoría de las bacterias que producen luz se encuentran en el mar. La función de la bioluminiscencia en estos organismos aún no está del todo clara, sin embargo, se cree que es un efecto secundario de reacciones químicas vitales o bien un mecanismo que utilizan para atraer predadores que al ingerirlas contribuyen a su dispersión. Producen un fenómeno visible en el mar que se denomina “mar de ardora” o milky seas (en inglés), en donde se pueden apreciar parches del mar brillando constantemente, que se asocian a la especie Vibrio harveyi. Estos son impredecibles y actualmente se los estudia a través de imágenes satelitales.
Imagen satelital y sector ampliado que corresponde con uno de los parches bioluminiscentes producidos por la bacteria Vibrio harveyi. Fuente: https://es.wikipedia.org/wiki/Mar_de_ardora#/media/Archivo:Milky_sea.jpg
Noctilucas
Son protistas – llamados dinoflagelados- que forman parte del plancton marino, se alimentan de otros microorganismos y se desplazan en el agua gracias a su flagelo. Estos organismos forman grandes poblaciones en el agua, conocidas como floraciones, las vibraciones o movimientos violentos en el agua desencadenan en sus células la reacción química que produce luz, por eso es común verlas en las costas en donde rompen las olas. Aparentemente la utilizan para ahuyentar predadores pero también para atraer presas. A diferencia de los parches que producen las bacterias, la luz de las noctilucas es intermitente y solo se activa ante estímulos mecánicos. El brillo puede durar desde 20 milisegundos a 6 minutos dependiendo del tipo de estímulo.
Noctiluca scintillans. Fuente: https://www.flickr.com/photos/microagua/3679018923
. Floraciones de noctilucas en el mar. Fuente: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Noctiluca_scintillans.jpg
Hongos
También hay algunas especies de hongos que producen luz utilizando un tipo particular de luciferina. Se cree que emiten luz para atraer insectos. Estos al aproximarse al hongo entrarían en contacto con las esporas y luego contribuirían a su dispersión.
Ctenóforos
Estos animales suelen confundirse con medusas, si bien son similares tienen estructuras corporales y células características, llamadas coloblastos, que producen un mucus para atrapar presas. Estos animales producen luz, en fotocitos que se disponen en hileras a lo largo del cuerpo del animal, para confundir a sus predadores y huir.
Mnemiopsis leidyi, un ctenóforo. Fuente: https://es.wikipedia.org/wiki/Mnemiopsis_leidyi#/media/Archivo:Comb_jelly.tif
Cnidarios
En este grupo se encuentran medusas, anémonas y corales que se caracterizan por tener células llamadas cnidocitos que sirven para atacar presas. Producen luz para defenderse o alertar a posibles predadores sobre su peligrosidad, pero también para atraer presas.
La medusa Aequorea victoria. Fuente:https://es.wikipedia.org/wiki/Aequorea_victoria#/media/Archivo:Aequorea4.jpg
Lombrices terrestres y gusanos marinos
Algunas especies del grupo de lombrices, sanguijuelas y gusanos de tierra producen luz ante estímulos mecánicos, químicos o eléctricos, en pequeñas células que producen luz a partir de la reacción luciferina/luciferasa, que se encuentran distribuidas en diferentes sectores en el interior de su cuerpo. Se cree que emiten luz para distraer a posibles predadores mientras intentan huir.
En el mar habitan numerosas especies de gusanos bioluminiscentes, pertenecientes al grupo Polychaeta. Algunas especies producen luz durante los cortejos reproductivos, se pueden apreciar manchones de luz verde en diferentes sectores de la superficie del mar en donde están nadando estos gusanos. También hay especies que habitan aguas más profundas y producen luz para atraer presas o ahuyentar predadores.
Fridericia heliota, un gusano terrestre. Fuente: https://siberiantimes.com/science/casestudy/news/the-worm-has-turnedluminous-blue/
Odontosyllis enopla, un gusano marino. Fuente: https://www.researchgate.net/figure/Bioluminescent-display-of-Odontosyllis-enopla-During-the-breeding-period-female_fig1_326906247
Apareamiento gusanos marinos. Fuente: http://300daysofbermuda.blogspot.com/2011/08/luminescent-mating-of-polychaetes.html
Insectos
Mosquitas de los hongos (Diptera – Familia Keroplatidae)
Son pequeñas moscas que en sus estados adultos se alimentan de hongos aunque también existen especies predadoras de otros insectos. Se ha observado en algunas especies que habitan Australia, Nueva Zelanda y Brasil que los estadios inmaduros, es decir las larvas, emiten luz. Estas especies se desarrollan en lugares húmedos y oscuros, por lo que se cree que la bioluminiscencia les permitiría atraer presas para alimentarse.
Estadio adulto de la mosquita de los hongos Neoceroplatus betaryiensis. Fuente: https://www.nature.com/articles/s41598-019-47753-w
Larva de Neoceroplatus betaryiensis en donde se ve la luz azul que emiten. Fuente: https://www.nature.com/articles/s41598-019-47753-w
Larva de Arachnocampa luminosa en cavernas de Nueva Zelanda, se puede ver la luz que emite para atraer presas hacia los hilos pegajosos que produce. Fuente: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Nz_glowworm.jpeg
Bichos de luz, luciérnagas (Coleoptera- Familia Lampyridae)
Estos escarabajos tienen órganos de luz en sus cuerpos en donde albergan la luciferina y luciferasa. Estas especies emiten luz para atraer parejas, cada especie lo hace de una forma particular, produciendo luz a ritmos diferentes…como si fuesen canciones, pero de luz. Esto permite que las hembras y machos de una misma especie puedan encontrarse para reproducirse. Además, algunas especies copian los ritmos de emisión de luz de otras especies que buscan pareja para atraerlos y comerlos.
Hembra de Lampyris noctiluca, una especie del hemisferio Norte. Fuente: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/0/07/Firefly_Nevit_02670_cr.jpg
En algunas especies la hembra nunca desarrolla alas y es parecida a gusanos, viven en los suelos y con la luz atraen a los machos, que sí tienen alas, para aparearse.
Hembra (A,B) y macho (C,D) de Photinus signaticollis, una luciérnaga nativa de Argentina/Uruguay. La flechas blancas en B,D señalan el órgano de luz en donde se produce la bioluminiscencia. Fuente: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Photinus_signaticollis_female_and_male_(France).jpg
Tucos, cocuyos (Coleoptera- Familia Elateridae)
Estos escarabajos se caracterizan por tener un mecanismo de huida que produce un sonido tipo “click” seguido de movimiento rápido. Algunas especies del género Pyrophorus, tienen órganos de luz en la parte superior del cuerpo y en el abdomen. A diferencia de las luciérnagas, emiten luz constantemente pero van modificando la intensidad. Aparentemente, la luz serviría para alertar a otros animales sobre su gusto desagradable/toxicidad para evitar ser predados.
Interacciones
Varias especies de bacterias y protistas, además de encontrarse libres en el ambiente marino, pueden hallarse estrechamente relacionadas con muchos otros organismos. Algunos de estos organismos se alimentan de las bacterias y protistas y luego acumulan la luciferina y así es como producen luz. Otros en cambio, establecen interacciones simbióticas con los organismos bioluminiscentes: a cambio de luz, proveen refugio y alimento.
Moluscos
En algunos moluscos se han modificado partes de su cuerpo para formar fotóforos, órganos especializados en los que se produce la reacción que genera luz. En algunas especies de pulpo por ejemplo, las ventosas de sus brazos se han convertido en fotóforos.
Stauroteuthis syrtensis, en este pulpo los fotóforos se desarrollan en los brazos en donde estarían las ventosas. Fuente: https://www.researchgate.net/figure/The-deep-sea-octopus-Stauroteuthis-syrtensis-has-light-organs-instead-of-suckers_fig4_260636182
Otros moluscos como algunas especies de calamar, en cambio, producen luz gracias a interacciones simbióticas con bacterias que se encuentran dentro de alguna región específica de sus cuerpos. Utilizan la luz para ocultarse de sus presas o para atraerlas.
. Watasenia scintillans, calamar luciérnaga. Produce luz en fotóforos ubicados a lo largo de uno de los lados de su cuerpo. https://static.wikia.nocookie.net/endlessocean/images/6/6d/Firefly_Squid_RL.png/revision/latest?cb=20200110195050
Euprymna scolopes, pulpo hawaiano que establece una relación simbiótica con la bacteria Aliivibrio fischeri bioluminscente. Fuente: https://twitter.com/m_didece/status/701230426371846144
Peces
Algunos peces tienen fotóforos en su cuerpo, distribuidos en distintos sectores. Utilizan la luz para confundir a sus presas o posibles predadores.
Porichthys myriaster. Fuente: https://www.whatsthatfish.com/fish/specklefin-midshipman/2939
Prácticamente todas las especies de un grupo de peces, los Lophiiformes, han desarrollado una especie de caña de pescar (a partir de los radios de sus aletas) que en el extremo lleva una estructura que funciona como un reflector, que a su vez contiene bacterias luminiscentes. Utilizan esta estructura como un anzuelo para atraer presas en las aguas oscuras.
Un lofiforme con el órgano de luz iluminado. Fuente: https://www.nationalgeographic.es/video/tv/cuando-encuentra-una-hembra-el-rape-macho-se-aferra-a-ella-y-no-la-suelta-0
Algunas de las reacciones químicas que producen luz en los organismos han podido replicarse en laboratorios. Esto ha posibilitado, por ejemplo, crear mecanismos de detección de patógenos, proteínas, sensado de toxicidad ambiental, pH, iones, diferentes compuestos químicos, etc.
Fotóforos en Porichthys myriaster . Fuente: https://cortesmuseum.com/wp-content/uploads/2019/04/Blog-10-Fig.8.jpg
Como sospecharán, en muchos casos el rol que la producción de luz tiene aún no está muy claro, sin embargo, es un fenómeno que se repite en tantísimos organismos que habitan nuestro planeta que, aunque no seamos capaces aún de comprender qué funciones cumple en cada uno, podemos apreciar, disfrutar y contemplar.
Biofluorescencia
Algunos organismos vivos tienen compuestos químicos que son capaces de absorber luz de su entorno, como las sustancias que dan el color a las hojas o a los pétalos de las flores, peo que luego pueden re-emitir luz en otra longitud de onda de menor energía (ondas más largas). Este proceso en términos generales se denomina fluorescencia, y en este caso particular, biofluorescencia.
Estos compuestos no reaccionan químicamente con otras sustancias, como vimos en el fenómeno de bioluminiscencia, sino que absorben la luz azul o ultravioleta (UV, longitudes de onda cortas y con mucha energía) y posteriormente la re-emiten en longitudes de onda más largas y de menor energía dentro del espectro visible, lo que provoca que veamos colores fluorescentes brillantes que incluyen azules, verdes y rojos.
Escorpión brillando ante la exposición a luz UV. Fuente: https://www.lavanguardia.com/natural/20200305/473973950583/escorpiones-fluorescentes-capacidad-proteccion-parasitos-nuevo-estudio.html
Este fenómeno se puede observar en muchas especies de corales. Se cree que las proteínas responsables de este proceso sirven para proteger a las algas simbiontes, que habitan dentro de los corales, de la radiación solar. Los corales utilizan los productos de fotosíntesis de las algas y estas obtienen refugio y nutrientes.
Pedetidae capensis, una especie de roedor africano que ante la luz UV emite luz rojo/anaranjada. Fuente: https://blog.nature.org/science/2021/04/05/when-mammals-glow-in-the-dark/ – © J. Martin and E. Olson, Northland College; from Olson et al. 2021, Scientific Reports
Sin embargo, también se ha observado biofluorescencia en muchos otros grupos de seres vivos. Este fenómeno se relaciona con una forma de protección ante la radiación pero también como posibles adaptaciones para comunicación intra- (encontrar pareja) e inter-especie (confundir predadores o atraer presas).
Platygyra sp. un coral cerebroide que emite luz verde ante la exposición a luz UV. Fuente: https://www.nationalgeographic.com.es/naturaleza/actualidad/los-corales-aguas-profundas-brillan-oscuridad-para-sobrevivir_11711
Al igual que para la bioluminiscencia, se han podido aislar proteínas o moléculas que absorben la luz UV para poder utilizarla en laboratorios e industrias. Actualmente se pueden “construir” organismos fluorescentes modificando su ADN, se agrega una secuencia genética que codifica una fotoproteína que reacciona ante la luz UV emitiendo luz verde o roja. Esto tiene múltiples aplicaciones en el área de la biotecnología que pueden resultar útiles en la medicina, la agronomía e incluso la industria alimentaria.
Ratas transgénicas que han recibido los genes de fluorescencia para emitir luz roja/verde.
Agostina Bourdunale, integrante de Plaza Cielo Tierra
