La bioluminescenza è un fenomeno biochimico di cui sono capace alcuni organismi viventi che producono luce attraverso una reazione chimica.
Il fenomeno si verifica sporadicamente in una vasta gamma di protisti, animali (tra cui insetti, invertebrati marini e pesci), ma anche funghi e batteri.
Il ruolo della bioluminescenza
La produzione di luce sembra essere associata alla protezione e alla sopravvivenza in alcune specie di animali. Questo è abbastanza noto in alcuni calamari, che secernono una nube luminosa per confondere il nemico e fuggire, e in molti pesci di acque profonde che fanno oscillare esche luminose per attirare le prede, o che mostrano organi luminosi per camuffare la loro forma dai nemici, spaventare i predatori o semplicemente illuminare il cammino nelle profondità oscure dell’oceano. Il valore di sopravvivenza della bioluminescenza è indiscutibile per molti organismi che usano la loro luce naturale come segnali di riconoscimento della specie e di accoppiamento, come le lucciole.
Il ruolo funzionale della bioluminescenza negli organismi inferiori come batteri, dinoflagellati e funghi è difficile da discernere, in parte perché il bagliore dei batteri luminosi si spegne quando c’è carenza di ossigeno. E’ stato suggerito che la reazione bioluminescente fosse originariamente utilizzata dai batteri primordiali per rimuovere l’ossigeno tossico per loro. La reazione metabolica che combina l’ossigeno con una sostanza riducente (luciferina) libera energia sufficiente per eccitare una molecola nell’organismo, facendola emettere radiazioni visibili. La maggior parte di questi organismi primitivi luminosi ha successivamente sviluppato sistemi per utilizzare l’ossigeno, ma ha mantenuto la capacità luminescente come parte di vie metaboliche correlate o per qualche valore di sopravvivenza che la luminescenza può conferire all’organismo.
Il processo chimico
Questo processo affascinante coinvolge una molecola chiamata luciferina, che emette luce quando viene ossidata da un enzima noto come luciferasi, si tratta quindi di una reazione enzima-substrato in cui la luciferina, il substrato, viene ossidata dall’ossigeno molecolare. L’emissione di luce continua fino a quando tutta la luciferina è ossidata.
La reazione chimica alla base della bioluminescenza è altamente efficiente, convertendo quasi tutta l’energia chimica in luce, con pochissima produzione di calore, per questo motivo l’emissione è nota come “luce fredda” o luminescenza.
Nella luminescenza delle lucciole, l’adenosina trifosfato (ATP) reagisce inizialmente con la luciferasi delle lucciole, il magnesio ionico e la luciferina delle lucciole per formare un complesso (luciferasi-luciferil-adenilato) e pirofosfato, complesso che poi reagisce con l’ossigeno molecolare per emettere luce.
I batteri luminescenti impiegano l’ossidazione enzimatica del flavin mononucleotide ridotto (FMNH2). Nella reazione completa, la luciferasi batterica reagisce con FMNH2 e ossigeno per formare un complesso intermedio a lunga durata, che poi reagisce con una molecola aldeide alifatica a catena lunga (ad esempio, decanale) per emettere luce.
Applicazioni della bioluminescenza
La bioluminescenza ha una lunga storia evolutiva, essendo emersa indipendentemente in numerosi gruppi di organismi. Aristotele e Plinio il Vecchio menzionavano già la luce emessa dal legno umido, e nel XIX secolo, Robert Boyle dimostrò che l’ossigeno era coinvolto nel processo.
La reazione luminosa della lucciola è stata utilizzata come metodo di dosaggio per la determinazione dell’adenosina trifosfato (ATP). La luce emessa da un estratto appositamente miscelato di lanterne di lucciola alla fine si affievolisce e scompare man mano che l’ATP viene scomposto. L’aggiunta di ATP fresco, sia come sostanza chimica pura che come costituente di un estratto di tessuto, ripristina immediatamente la luminescenza. L’intensità del bagliore è una misura diretta della quantità di ATP presente nell’estratto. Questo metodo di dosaggio è stato ampiamente utilizzato nella ricerca medica e biologica per determinare la quantità di ATP presente negli estratti di cellule e tessuti. La reazione della lucciola è una delle poche reazioni in cui l’ATP è direttamente coinvolto nell’emissione di luce.
Oggi, la bioluminescenza è studiata non solo per comprendere meglio la biologia degli organismi che la producono, ma anche per le sue potenziali applicazioni tecnologiche e ambientali tra cui:
- Imaging medico: gli scienziati stanno esplorando l’uso della bioluminescenza per sviluppare nuovi metodi di imaging medico, che potrebbero migliorare la diagnosi e il trattamento di diverse malattie.
- Biosensori: la bioluminescenza può essere utilizzata per creare biosensori che rilevano contaminanti ambientali, migliorando così il monitoraggio della qualità dell’acqua e dell’aria.
I ricercatori stanno inoltre esplorando la possibilità di utilizzare sistemi bioluminescenti per l’illuminazione stradale e decorativa, e sono state create piante bioluminescenti.
La bioluminescenza continua a stupire e a ispirare, rivelando la straordinaria capacità della natura di utilizzare la chimica per creare spettacoli di luce mozzafiato.
Fonti: Wikipedia – Britannica