La bioluminiscencia. ¿Pueden los seres vivos producir luz?

Te encuentras en el bosque una noche de verano, y ves a lo lejos una luz verdosa que capta tu atención, a veces bailando entre los árboles y otras veces estática en sus troncos, pero ¿qué es esa luz? Las luciérnagas podrían ser los primeros organismos que te ayuden a observar con tus propios ojos la bioluminiscencia.

Sin embargo, hay miles de seres vivos alrededor del mundo que utilizan esta herramienta para numerosas funciones, algunos como estrategia de supervivencia o camuflaje, otros como comunicación sexual, distracción o defensa. El filósofo Aristóteles se preguntó cómo podían producir algunos seres vivos luz en su propio organismo. Desde entonces muchas son las figuras científicas que han estudiado este magnífico fenómeno.

¿Qué es la bioluminiscencia y cómo se produce?​

La bioluminiscencia es un proceso químico mediante el cual los organismos vivos son capaces de emitir luz. En esta reacción química participa una molécula denominada luciferina, la cual es oxidada en presencia de oxígeno gracias a la enzima luciferasa. El ATP (molécula energética denominada Adenosintrifosfato) proporciona la energía que necesita la reacción para obtener el estado excitado de la luciferina. Esta pasa a un estado inestable de mayor excitación energética (oxiluciferina excitada). Después vuelve al estado estable emitiendo radiación en la región visible del espectro electromagnético en forma de fotones de luz. Ésto generaría como producto secundario dióxido de carbono.

En algunos casos hay una variante de la enzima luciferasa, una fotoproteína, cuyo mecanismo de acción es la formación de un complejo con moléculas de tipo luciferinas. Las fotoproteínas desencadenan la producción de luz tras unirse un ión o cofactor, como el ión calcio (Ca2+) o el ión magnesio (Mg2+). Esta unión causa un cambio conformacional de la proteína y ofrece al organismo una forma para controlar con precisión el momento de emisión de luz. Un ejemplo de este tipo de complejos luciferina-fotoproteína es la aequorina. Estos complejos son producidos por las medusas del género Aequorea. 

Las medusas que pertenecen al género Aequorea, como la famosa medusa de cristal (Aequorea victoria), son animales capaces de producir su propia luz interactuando con la fotoproteína aequorina
Las medusas que pertenecen al género Aequorea, como la famosa medusa de cristal (Aequorea victoria), son animales capaces de producir su propia luz interactuando con la fotoproteína aequorina

Muchos autores han formado parte del conocimiento que tenemos actualmente sobre este proceso. En 1667 Robert Boyle demostró que los gusanos de luz no emitían luz en el vacío. Louis Pasteur en 1864 indagó sobre las luciérnagas y estudió el espectro de luz que emiten.  

Pero no fue hasta 1884 cuando Raphaël Dubois, un farmacólogo francés, comenzó a investigar sobre la bioluminiscencia, y construyó una base firme sobre esta. Dubois rechazó una versión que existía, en la cual el fósforo tenía función en el proceso de bioluminiscencia, y lo reemplazó por la evidencia de que el proceso estaba relacionado con la oxidación enzimática de un compuesto bioquímico específico. Dubois denominó al sustrato luciferina y a la enzima luciferasa.

Tipos de bioluminiscencia.​

Los tipos de bioluminiscencia se podrían dividir en tres clases: bioluminiscencia intracelular, extracelular y la de bacterias simbióticas.

La bioluminiscencia intracelular es generada por células especializadas que se encuentran en el cuerpo de especies pluricelulares y unicelulares (dinoflagelados). La luz puede ser emitida a través de la piel, o se puede intensificar con lentes o materiales reflectantes. Un ejemplo son las luciérnagas, que poseen cristales de urato que intensifican la luz que generan. La luz se genera en puntos concretos del octavo segmento abdominal y se amplifica por los cristales. Esos cristales se encuentran en los segmentos 6 y 7 del abdomen de las luciérnagas. Otro ejemplo son las placas de guanina de ciertos peces.

En cambio, la bioluminiscencia extracelular tiene lugar gracias a la reacción entre la luciferina y luciferasa fuera del organismo. Estos componentes, una vez sintetizados, son almacenados en glándulas diferentes en la piel o bajo la misma. Estas moléculas son expulsadas al exterior con su consecuente mezcla, provocando nubes luminosas. Este tipo de bioluminiscencia es común en algunos cefalópodos y en crustáceos.

La  simbiosis de bacterias luminiscentes  se observa en animales marinos, como los celentéreos, moluscos, equinodermos, gusanos o peces. Las bacterias luminiscentes marinas más estudiadas son Vibrio harveyi y Vibrio fischeri. Estas bacterias se encuentran asociadas a esos organismos marinos. V. harveyi puede estar asociado al intestino de algunos animales marinos. Pero también puede encontrarse como microorganismo de vida libre en el océano. V. fischeri además de encontrarse en estos hábitats, también vive como simbionte de los órganos productores de luz en varios peces y calamares.

Los genes que se encuentran involucrados en la bioluminiscencia bacteriana se denominan genes Lu. Podemos encontrar genes estructurales que codifican las proteínas que participan de manera directa o indirecta en la reacción de emisión de luz.  Pero habría que destacar que en muchos casos, la producción de luz mediante la simbiosis de bacterias luminiscentes, está condicionada por la densidad poblacional. Esto quiere decir que solo se produce luz cuando  hay muchas bacterias. Este sistema de regulación se conoce como quorum sensing.

QUORUM SENSING

Este mecanismo fue descrito por primera vez en 1970 por Nealson y Hastings. Observaron que Vibrio fischeri no presentaba bioluminiscencia hasta que se alcanzaba una determinada densidad celular.

Se percibió que los microorganismos liberaban al medio sustancias denominadas “autoinductores”. Cuando la densidad bacteriana es muy grande, aumenta la concentración de estas sustancias. Debido a esto, se activarán determinados procesos regulados genéticamente, como la bioluminiscencia. Esto sería a la vez una forma de comunicación entre los microorganismos.

Organismos bioluminiscentes y su evolución.

La bioluminiscencia se ha observadoen casi 700 géneros de procariotas y eucariotas. Tal y como se ha mencionado, la mayoría de los organismos bioluminiscentes se encuentran en ambientes marinos. Podemos encontrar bacterias, dinoflagelados (causantes del conocido resplandor del océano), moluscos, crustáceos, peces óseos y tiburones. En la tierra encontramos menos organismos bioluminiscentes, casi exclusivamente en animales y hongos. Entre los animales podemos ver bioluminiscencia en dos filos: en los nematodos y artrópodos (donde se encuentran las luciérnagas).

Hay una gran diversidad en cuanto a los orígenes evolutivos de los sistemas de bioluminiscencia. Pocos sistemas de bioluminiscencia se conservan entre los taxones relacionados. Excepcionalmente, los hongos sí tienen un sistema bastante conservado. En general, las luciferinas están más conservadas que las luciferasas. Las luciferasas utilizadas son muy diversas, y a menudo son específicas de la especie en cuestión.

Funciones e importancia ecológica.

Funciones ecológicas

Reproducción: algunos animales como las luciérnagas utilizan la bioluminiscencia como comunicación sexual. El macho y la hembra utilizan la duración de los impulsos luminosos y los diferentes patrones de secuencias de destellos durante el cortejo sexual. En el ambiente marino también se encuentra el uso de destellos para la atracción sexual en determinadas especies de crustáceos.

Distracción o defensa: la bioluminiscencia es utilizada a menudo como estrategia de supervivencia por muchos organismos. El aposematismo es un fenómeno que consiste en presentar rasgos llamativos a los sentidos. La presa advirte al potencial predador de su toxicidad, lo que provocaría que el depredador se alejase. Se ha visto que en dinoflagelados la bioluminiscencia puede funcionar como una advertencia aposemática en la ingesta de copépodos (crustáceos de pequeño tamaño).

Camuflaje: a través de la contrailuminación, la bioluminiscencia es utilizada como camuflaje en muchos organismos del fondo marino. El calamar hawaiano Euprymna scolopes se beneficia de las bacterias bioluminiscentes que se encuentran en el órgano emisor de luz, en la parte inferior de su cuerpo, para camuflarse ¿Cómo lo consigue? Estas bacterias emiten una luz de la misma intensidad y longitud de onda que la iluminación del ambiente, lo que lo hace prácticamente invisible.

La bioluminiscencia producida por Vibrio fischeri permite al calamar Euprymna scolopes permanecer oculto de sus depredadores
El calamar Euprymna scolopes utiliza la bioluminiscencia producida por la bacteria Vibrio fischeri para camuflarse con el medio ambiente mientras caza de noche.

Caza: muchas veces la bioluminiscencia se utiliza para dar caza a presas escurridizas. Un ejemplo que podemos encontrar es el rape, que se caracteriza por la posición de la primera espina de la aleta dorsal (en la hembra) modificada para servir como un aparato de atracción de presas.

Aplicaciones biotecnologicas

Estas son algunas de las aplicaciones de la bioluminiscencia como función ecológica. Pero no solo los animales utilizan la bioluminiscencia en beneficio propio. Una de las aplicaciones que se conocen es la de detección y evaluación de contaminantes ambientales. La biotecnología nos muestra un gran abanico de posibilidades, como por ejemplo, utilizar las bacterias bioluminiscentes marinas o recombinantes en las cuales se introducen genes Lux.  Hay sistemas ya existentes que nos permiten cuantificar la presencia de contaminantes ambientales, como es el caso de metales, detergentes o pesticidas en nuestras aguas. Estos sistemas se basan en cuantificar la disminución de luz emitida por la bacteria Vibrio fischeri causada por el contaminante.  Además la bioluminiscencia también ha sido de gran ayuda en el campo biosanitario. Los genes Lux han sido utilizado para inmunoensayos, detección de virus o control de procesos biotecnológicos.

Referencias.

Claudia Isabel Sáenz Marta & Guadalupe Virginia Nevárez Moorillón (2010). La bioluminiscencia de organismos marinos y su potencial biotecnológico. Revista Científica de la Universidad Autónoma de Coahuila, Volumen 2, No 3. 

Hanley, K. A., & Widder, E. A. (2017). Bioluminescence in Dinoflagellates: Evidence that the Adaptive Value of Bioluminescence in Dinoflagellates is Concentration Dependent. Photochemistry and photobiology93(2), 519–530.

Meighen EA. Bacterial bioluminescence: organization, regulation, and application of the lux genes. FASEB J. 1993;7(11):1016-1022. doi:10.1096/fasebj.7.11.8370470

Tim Kahlke & Kate D.L. Umbers ( April 25, 2016). Bioluminescence. Current Biology 26, R307–R318. 

Imagen de portada: De Ylem – Trabajo propio, Dominio público, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=7550832

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Paula Valiente Gómez

¡Hola! Soy Paula, graduada en biología, me encanta explorar el mundo de los microorganismos y divulgar ciencia, o eso intento. ¡Gracias por leerme!¡Hasta pronto!

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