کرم شب تاب چگونه نور تولید می کند؟

مقدمه

کرم شب تاب یک واکنش شیمیایی در بدن خود ایجاد می کند که به آنها اجازه می دهد تا روشن شوند. به این نوع تولید نور، بیولومینسانس می گویند. روشی که کرم شب تاب از طریق آن نور تولید می کند، شاید بهترین نمونه شناخته شده بیولومینسانس باشد. هنگامی که اکسیژن با کلسیم، آدنوزین تری فسفات (ATP) و ماده شیمیایی لوسیفرین در حضور لوسیفراز، یک آنزیم بیولومنسانس ترکیب می شود، نور تولید می شود. برخلاف لامپ که علاوه بر نور، گرمای زیادی نیز تولید می کند، نور کرم شب تاب “نور سرد” است بدون اینکه انرژی زیادی به عنوان گرما از دست برود. این امر ضروری است زیرا اگر اندام مولد نور یک کرم شب تاب به اندازه یک لامپ داغ شود، کرم شب تاب از این تجربه جان سالم به در نمی برد.

یک کرم شب تاب شروع و پایان واکنش شیمیایی و در نتیجه شروع و توقف انتشار نور خود را با افزودن اکسیژن به سایر مواد شیمیایی مورد نیاز برای تولید نور کنترل می کند. این واکنش در اندام نوری حشره اتفاق می افتد. وقتی اکسیژن در دسترس باشد، اندام نوری روشن می شود و وقتی در دسترس نباشد، نور خاموش می شود. حشرات ریه ندارند، اما در عوض اکسیژن را از خارج از بدن به سلول‌های داخلی از طریق مجموعه‌ای پیچیده از لوله‌های متوالی کوچکتر به نام تراشه منتقل می‌کنند. با در نظر گرفتن سرعت نسبتاً آهسته ماهیچه هایی که انتقال اکسیژن را کنترل می کنند، برای مدت طولانی این یک معما بود که چگونه برخی از گونه های کرم شب تاب چنین سرعت فلاش بالایی را مدیریت می کنند. محققان اخیراً دریافتند که گاز اکسید نیتریک (همان گازی که با مصرف داروی ویاگرا تولید می شود) نقش مهمی در کنترل فلاش کرم شب تاب دارد. اکسیژنی که وارد اندام نوری می شود به سطح اندامک های تولید کننده انرژی سلول، به نام میتروکندری، متصل می شود و بنابراین برای انتقال بیشتر در اندام نوری در دسترس نیست. وجود اکسید نیتریک، که به میتوکندری متصل می شود، به اکسیژن اجازه می دهد تا به اندام نوری جریان یابد و در آنجا با سایر مواد شیمیایی مورد نیاز برای تولید واکنش بیولومینسانس ترکیب می شود. از آنجایی که اکسید نیتریک خیلی سریع تجزیه می شود، به محض اینکه ماده شیمیایی دیگر تولید نمی شود، مولکول های اکسیژن دوباره توسط میتوکندری به دام می افتند و برای تولید نور در دسترس نیستند.

به نظر می رسد کرم های شب تاب به دلایل مختلفی روشن می شوند. لاروها درخشش های کوتاهی تولید می کنند و عمدتاً در شب فعال هستند، اگرچه بسیاری از گونه ها زیرزمینی یا نیمه آبزی هستند. کرم شب تاب در بدن خود استروئیدهای دفاعی تولید می کند که آنها را برای شکارچیان ناخوشایند می کند. لاروها از درخشش خود به عنوان نمایشگر هشدار برای بیان ناپسندی خود استفاده می کنند. در بزرگسالی، بسیاری از کرم شب تاب ها دارای الگوهای فلاش منحصر به فرد گونه خود هستند و از آنها برای شناسایی سایر اعضای گونه خود و همچنین برای تمایز بین اعضای جنس مخالف استفاده می کنند. چندین مطالعه نشان داده است که کرم شب تاب ماده بسته به ویژگی های خاص الگوی فلاش نر جفت انتخاب می کند. نرخ فلاش نر بالاتر و همچنین افزایش شدت فلاش، نشان داده شده است که برای ماده ها در دو گونه مختلف کرم شب تاب جذاب تر است.

مکانیزم واکنش شیمیایی

واکنش شیمیایی که توسط لوسیفراز کرم شب تاب کاتالیز می شود در دو مرحله انجام می شود:

لوسیفرین + ATP → لوسیفریل آدنیلات + PP_i
لوسیفریل آدنیلات + O₂ → اکسی لوسیفرین + AMP + نور

نور تولید می شود زیرا واکنش فوق اکسی لوسیفرین را در حالت برانگیخته الکترونیکی تشکیل می دهد . این واکنش یک فوتون نور آزاد می کند واکسی لوسیفرین به حالت پایه باز می گردد .

فایرفلای لوسیفراز نور را از لوسیفرین در یک فرآیند چند مرحله ای تولید می کند. ابتدا D-luciferin توسط MgATP آدنیله می شود تا لوسیفریل آدنیلات و پیروفسفات را تشکیل دهد. پس از فعال شدن توسط ATP، لوسیفریل آدنیلات توسط اکسیژن مولکولی اکسید می شود تا یک حلقه دی اوکستانون تشکیل شود. یک واکنش دکربوکسیلاسیون یک حالت برانگیخته اکسی لوسیفرین را تشکیل می دهد که بین فرم کتو-انول tautomerize می شود . واکنش در نهایت با بازگشت اکسی لوسیفرین به حالت اولیه، نور ساطع می کند.

اثر دما بر رنگ نور کرم شب تاب

انتشار بیولومینسانس از چند گونه از کرم شب تاب در دماهای مختلف مورد مطالعه قرار گرفته است. تغییرات در مدت زمان فلاش مشاهده شده و نتایج جالبی در این مطالعات گرفته شده است. در اینجا ما انتشارات حالت پایدار و پالسی از نمونه های نر گونه هندی Sclerotia substriata را بررسی می کنیم. در دماهای بسیار بالاتر و پایین تر از دمایی که معمولاً در آنها چشمک می زند. هنگامی که دما به 34 درجه سانتیگراد افزایش می یابد، طول موج اوج قرمز می شود و پالس های ساطع شده باریک ترین می شوند که پس از آن برای افزایش های جزئی دما به طور قابل توجهی گسترش می یابد. این احتمالاً نشان دهنده دناتوره شدن آنزیم لوسیفراز است که واکنش تولید نور را کاتالیز می کند. هنگامی که دما به منطقه 10.5-9 درجه سانتیگراد کاهش می یابد، اوج به رنگ آبی تغییر می کند و مدت زمان فلاش به طور غیر طبیعی با نوسانات زیاد افزایش می یابد. این احتمالاً به معنای دناتوراسیون سرد لوسیفراز است. نتیجه می گیریم که اثر اول یا گرم به احتمال زیاد دلیل تاریک بودن گونه در روزهای گرم است و دومین یا سرد دلیل احتمالی ناپدید شدن آن در شروع زمستان است.