Blinker skarpt, når det klemmes fast:Hvordan encellede organismer lyser havene op

Forskning forklarer, hvordan en encellet marin organisme genererer lys som en reaktion på mekanisk stimulering, lyser brydende bølger op om natten.

Hvert par år, en flor af mikroskopiske organismer kaldet dinoflagellater forvandler kysterne rundt om i verden ved at give brydebølger en uhyggelig blå glød. Dette års spektakulære opblomstring i det sydlige Californien var et særligt slående eksempel. I en ny undersøgelse offentliggjort i tidsskriftet Fysiske anmeldelsesbreve , forskere har identificeret den underliggende fysik, der resulterer i lysproduktion i en art af disse organismer.

Det internationale hold, ledet af University of Cambridge, udviklet unikke eksperimentelle værktøjer baseret på mikromanipulation og højhastighedsbilleddannelse for at visualisere lysproduktion på enkeltcelleniveau. De viste, hvordan en encellet organisme af arten Pyrocystis lunula producerer et lysglimt, når dens cellevæg deformeres af mekaniske kræfter. Gennem systematiske eksperimenter, de fandt ud af, at lysstyrken af ​​blitzen afhænger både af dybden af ​​deformationen og den hastighed, hvormed den påføres.

Kendt som et 'viskoelastisk' svar, denne adfærd findes i mange komplekse materialer, såsom væsker med suspenderede polymerer. I tilfælde af organismer som Pyrocystis lunula, kendt som dinoflagellater, denne mekanisme er højst sandsynligt relateret til ionkanaler, som er specialiserede proteiner fordelt på cellemembranen. Når membranen er belastet, disse kanaler åbner sig, tillader calcium at bevæge sig mellem rum i cellen, udløser en biokemisk kaskade, der producerer lys.

"På trods af årtiers videnskabelig forskning, primært inden for biokemi, den fysiske mekanisme, hvorved væskestrømmen udløser lysproduktion, er forblevet uklar, " sagde professor Raymond E. Goldstein, Schlumberger professor i komplekse fysiske systemer ved Institut for Anvendt Matematik og Teoretisk Fysik, der ledede forskningen.

"Vores resultater afslører den fysiske mekanisme, hvorved væskestrømmen udløser lysproduktion og viser, hvor elegant beslutningstagning kan være på enkeltcelleniveau, " sagde Dr. Maziyar Jalaal, papirets første forfatter.

Bioluminescens har været af interesse for menneskeheden i tusinder af år, som det er synligt som skæret fra nattens brydende bølger i havet eller gnisten af ​​ildfluer i skoven. Mange forfattere og filosoffer har skrevet om bioluminescens, fra Aristoteles til Shakespeare, som i Hamlet skrev om glødeormens 'uvirksomme ild'; en reference til produktion af lys uden varme:

"...
At prikke og stikke hende. Far det godt med det samme.
Glødormen viser, at matinen er tæt på,
Og begynder at blegne sin uvirksomme ild.
Adieu, adieu, adieu. Husk mig."

Bioluminescensen i havet er, imidlertid, ikke 'ueffektivt'. I modsætning, det bruges til forsvar, forbrydelse, og parring. I tilfælde af dinoflagellater, de bruger let produktion til at skræmme rovdyr.

Resultaterne af den aktuelle undersøgelse viser, at når deformationen af ​​cellevæggen er lille, lysintensiteten er lille, uanset hvor hurtigt indrykket foretages, og den er også lille, når fordybningen er stor, men påføres langsomt. Kun når både amplituden og hastigheden er stor, maksimeres lysintensiteten. Gruppen udviklede en matematisk model, der var i stand til at forklare disse observationer kvantitativt, og de antyder, at denne adfærd kan fungere som et filter for at undgå, at falske lysblinker udløses.

I mellemtiden, forskerne planlægger mere kvantitativt at analysere fordelingen af ​​kræfter over hele cellerne i væskestrømmen, et skridt mod at forstå lysforudsigelsen i en marin kontekst.

Andre medlemmer af forskerholdet var postdoc-forsker Hélène de Maleprade, Besøgende studerende Nico Schramma fra Max-Planck Institute for Dynamics and Self-Organisation i Göttingen, Tyskland og Antoine Dode fra Ècole Polytechnique i Frankrig, og gæsteprofessor Christophe Raufaste fra Institut de Physique de Nice, Frankrig.