La fisiología de la bioluminiscencia

in #steemstem5 years ago (edited)

El mundo está lleno de color y todo gracias a la luz. Este complejo elemento, se nos muestra de apariencia blanca, sin embargo, es conocido que en él se encuentran todos los colores que somos capaces de observar, esto obedece a que el mismo es la suma de muchas ondas y que cada una de ellas tiene una longitud característica. Así, la luz es una radiación electromagnética que emiten los cuerpos, sea porque dicho cuerpo es capaz de propiamente producirla o simplemente de reflejarla.

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La luz esta compuesta de diversas longitudes de ondas, estas son: Largas (rango de color rojo a naranja), medias (rango de color de amarillo a verdes) y cortas ( rango de color azul a violeta). Un cuerpo se observa de color según la onda que refleje, si absorbe todas menos la azul, se verá azul, si en cambio absorbe todas las longitudes de ondas, se observa negro, mientras que si refleja todas las longitudes, su color será apreciable como blanco.
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En el caso de la bioluminiscencia esta luz y sus coloridos reflejos provienen de los propios organismos vivos, algunos de estos seres son tan frecuentes y cercanos como las luciérnagas, mientras otros su observación es complicada, ya que su hábitat yace en lo más recóndito del surgir de la vida. El producir luz obedece a presión evolutiva y ecológica, es decir, una necesidad a nivel de supervivencia en la especie, que si no era cubierta conllevaría a la extinción.

Habiendo dicho esto, desde el fundamento de la ecofisiología existen tres (3) propósitos para la bioluminiscencia.

  1. Escapar.

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    Emitir luz de manera sorpresiva permite desdibujar tu cuerpo, asustar a tu depredador, anunciar a tu comunidad que hay un depredador presente, e incluso te permite atraer a otro organismo para que deprede al primer agresor , tal ejemplo nos lo muestra el camarón Parapandalus sp. que libera al medio la sustancia emisora de luz para evitar ser presa de algún individuo.
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  2. Reproducción.

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    El hongo conocido como Panellus stipticus ejecuta su bioluminiscencia para inducir a que los organismo lo toquen, esto permite que las esporas en su superficie se adhieran al individuo que realizó el contacto. Este último entonces llevará consigo las esporas y las esparcirá en diversos lugares, favoreciendo la expansión ecológica del hongo.
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  3. Atraer presas.

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Diversos peces abisales como la especie Diceratias trilobus utilizan una estructura conocida como ceratioid la cual emite ráfagas de luz. Dichas ráfagas permiten atraer y distraer a sus presas.
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Ahora bien, ciertamente todo proceso bioluminiscente es considerado como químico, es decir, todo organismo que emite luz lo ejecuta gracias a los principios que quimioluminiscencia, sin embargo, a nivel fisiológico estos pueden variar, y no solo me refiero a las sustancias involucradas, sino también al propio mecanismo que permite la emisión.

Por ejemplo, tenemos la biolumiscencia simbiótica, la cual supone un mutualismo (ganar-ganar) donde bacterias bioluminiscentes ingresan a otra especie y se alojan en un órgano denominado fotóforo, que en este caso funcionará como una caldo de nutrientes para que las bacterias se alimenten y se reproduzcan. Es un mutualismo ya que el organismo con el fótoforo obtiene las ventajas antes mencionada de tener bioluminiscencia, mientras las bacterias (las propiamente emisoras de luz) consiguen un hábitat adecuado para su ciclos vitales.

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Un caso bastante conocido de este tipo de bioluminiscencia, se establece entre los calamares del género Euprymnay las bacterias de la especie Vibrio fischeri. Los Euprymna durante su etapa juvenil presenta apéndices que captan estas bacterias y las depositan en el fotóforo. Cuando la cantidad es suficiente el órgano madura y los apéndices son eliminados por apoptosis celular.
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Los otros casos, ya suponen mecanismo propios de bioluminiscencia, por ende, es necesario conocer primero, los elementos que de manera general integran el proceso. Estos han sido estudiados desde 1950 cuando William McElroy y sus colaboradores indagaron en el fenómeno de emisión lumínica de la luciérnaga en la Universidad de Baltimore, y son ATP, oxígeno, magnesio (como cofactor), una enzima llamada luciferasa y un sustrato denominado luciferina. Bioquímicamente hablando, en el caso de la luciérnaga la reacción supone una descarboxilación oxidativa que da como producto la oxiluciferina (en los otros organismo la reacción varia).

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Los términos luciferasa, luciferina y oxiluciferina son palabras honorarias al organismo modelo, las lucierngas. Todos estos son genéricos para los organismos bioluminiscente, es decir, todos los seres que emiten luz tienen luciferasa, luciferina y oxiluciferina, sin embargo, la reacción catalítica que hace la enzima, el sustrato y el producto obtenido varían de acuerdo al tipo de organismo.
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Así, ciertos organismos tienen células medianamente especializas en efectuar la bioluminiscencia, las cuales se ubican en el epitelio exterior (la piel) del organismos. Estas células son conocidas como células fotogénicas tipo 1 y tipo 2, las cuales convergen sus capacidades para que ocurra la emisión lumínica, la cual en este caso es denominada bioluminiscencia extracelular.

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Las células fotogéneticas tipo 1 y 2 son las responsables de la bioluminiscencia extracelular. Se le denomina extracelular ya que los componentes, la luciferasa, la luciferina el ATP, y el oxígeno son liberados a la matriz intercelular, es decir, al espacio entre una célula y otra, o al exterior plenamente dicho, como vimos en el caso del camarón, por ende tanto la reacción como la formación del emirsor ocurre afuera de las células. Ambas son células ciliadas glandulares y por si solas liberan todos los componentes, la única diferencia entre ellas son sus granúlos secretores, las de tipo 1 tienen granúlos basófilos (se colorean con colorantes básicos) mientas las de tipo 2 los poseen acidófilos (se colorean con colorantes ácidos)
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Por último, tenemos a los organismo plenamente especializados en bioluminiscencia (como las luciérnagas) los cuales emplean su fotóforo como órgano propio de emisión.Como supondrás, el fotóforo en este caso no es un caldo nutritivo, sino que las células ejecutan la reacción química que permite la obtención del emisor. Estas células son conocidas como fotocitos y son controladas por procesos neuro-hormonales.

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La reacción de bioluminiscencia en los fotocitos ocurre en su interior, especificamente en un organúlo conocido como peroxisoma. Gracias al oxígeno proporcionado por los sistemas de respiración, estas células obtienen el ATP (mediante Fosforilación oxidativa) necesario para la reacción. Posteriormente el organismo libera el neutrotransmisor conocido como octopamina, el cual induce la activación de la enzima Óxido Nítrico Sintasa(NOS) en las células encargadas de difundir el oxígeno. La enzima NOS sintetiza Óxido Nítrico(NO) el cual ingresa al fotocito e inhibe la fosforilación oxidativa de las mitocondrias, por lo tanto el oxígeno ingresa, y no es usado como aceptor de electrones sino como elemento de la reacción de bioluminiscencia. Por último el oxígeno y el ATP ingresan al peroxisoma, donde esta la luciferasa y la luciferina y se da paso al proceso bioquímico obteniendo así, al emisor
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Por esto, los fotocitos se distribuyen en los sistemas de difusión de oxigeno y están ligados a terminaciones nerviosas y a elementos de recubrimiento (piel y sus respectivos músculos) los cuales son responsable de controlar su función.

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La especie Photoblepharon palpebratus puede mostrar u ocultar su fotóforo mediante los pliegues de su párpado. Normalmente el fotóforo es visible ya que el párpado se pliega debajo del órgano, pero si lo requiere, el pez es capaz de levantar el pliegue para ocultar la emisión de luz. La bioluminiscencia de esta especie es de tipo simbiótica.
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Antes de despedirme, me gustaría mencionarte, que la bioluminiscencia ha sido muy empleada para los estudios de cuantificación del ATP (si las cantidades son muy pequeñas) y como una curiosidad, también tuvo su apogeo a nivel histórico, ya que la emisión de luz de la especie Euphausia pacifica era usada para la lectura de mapas en la oscuridad. Espero te haya gustado esta publicación y nos leemos la próxima.

Referencias.

1)Gabás J. Maxwell: la teoría electromagnética de la luz.[En línea]. Arbor, Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC). España. 2015; 775 (191): pp. 265. URL:
http://arbor.revistas.csic.es/index.php/arbor/article/view/2068/2628

2)Haddock S, Maloni M. Bioluminescence in the Sea [En línea].Annual Review of Marine Science. Estados Unidos; 2(1): pp. 443-93.URL:
https://www.researchgate.net/publication/49667852_Bioluminescence_in_the_Sea

3)Rasmesh Ch, Mohanraju. A Review on Bioluminescence and its Applications. [En línea].International Journal of Luminescence and Applications. Estados Unidos. 1(5): pp. 45-46. URL:
https://pdfs.semanticscholar.org/6fc1/de64eadb613da24073f8a160e0b49a0e00f1.pdf

4)Fallon T, Lower S, Chang C, Bessho M, Martin G, Bewick A, et al. Firefly genomes illuminate the origin and evolution of bioluminescence. [En línea]. BioRXiv, Cold Spring Harbor Laboratory. Estados Unidos.2018; 1(1): 1-124.URL:
https://www.biorxiv.org/content/biorxiv/early/2017/12/21/237586.full.pdf

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