Autor: Piotr Bulak
Bioluminescencja (BL), nazywana „żyjącym” lub zimnym światłem, jest zdolnością żywych organizmów do emitowania światła na drodze zachodzących w nich procesów biochemicznych, jest więc typem chemiluminescencji. Termin ten jest hybrydą słowną: greckie bios oznacza „żyjący” natomiast łacińskie lumen – światło. W źródłach anglojęzycznych leśna bioluminescencja związana z wegetacją grzybów określana jest czasem jako „foxfire” lub „shining-wood” – błyszczące drewno. Termin foxfire nie ma nic wspólnego z lisami i pochodzi od francuskich słów „faux fire”, które znaczą tyle co fałszywy płomień. Zdolność do bioluminescencji posiadają wszystkie żywe komórki, jednak ilość promieniowania powstająca w trakcie naturalnych procesów metabolicznych jest tak niewielka, że nie da się zaobserwować bioluminescencji.
Bioluminescencja – rys historyczny
Najstarsze źródło pisane, dotyczące obserwacji bioluminescencji (u świetlików) datowane jest na 1500 lat do 1000 lat p.n.e. i pochodzi z Chin. Zjawisko to opisywali także Arystoteles i Pliniusz Starszy. Rober Boyle wykorzystując skonstruowaną przez siebie pompę powietrzną wykazał, że powietrze niezbędne jest by próchno świeciło, natomiast Heller i inni badacze, że źródłem światła w tym procesie jest grzybnia, która je porasta. Bishoff potwierdził te rewelacje badając świecące drewniane stemple w ówczesnych kopalniach. Stwierdził, że drewno, które świeciło było porośnięte przez grzyba. Następnym krokiem w zrozumieniu grzybowej BL były badania Fabre, który określił w nich podstawowe parametry zjawiska. Stwierdził, że: emisja światła zachodzi przy braku emisji ciepła, zanika w próżni, w wodzie i w obecności CO2, zjawisko nie zależy od wilgotności, temperatury i światła zewnętrznego i nie zwiększa się jego jasność po potraktowaniu czystym tlenem, jak dzieje się w wyniku zwykłych procesów utleniania (spalania). Wiek XX przyniósł rozwój badań nad bioluminescencją standardową jak i ultra słabą, a z bardziej znanych badaczy wymienić można takie nazwiska jak O. Shimomura i D. Desjardin.
Bioluminescencyjne grzyby
Różne źródła podają różne liczby bioluminescencyjnych grzybów, w każdym razie można przyjąć, że jest ich około 71 gatunków należących do trzech różnych linii ewolucyjnych pod względem rozwoju bioluminescencji. Zdecydowana większość grzybów zdolnych do bioluminescencji należy do gromady Basidiomycota, wyjątkiem może być np. gatunek Xylaria, który należy do Ascomycota. Z najbardziej popularnych gatunków wymienić można: Armillaria mellea (opieńka miodowa), Omphalotus olearius (kielichowiec pomarańczowy), Omphalotus nidiformis (dawniej Pleurotus nidiformis), Panellus stipticus (łycznik ochrowy), kilka gatunków grzybówek np. Mycena luxaeterna, Mycena lucentipes oraz Pleurotus. Większość tego typu grzybów wydziela światło w trakcie intensywnego wzrostu mycelium na odpowiednim podłożu, tracąc zdolność do bioluminescencji na etapie wzrostu owocnika. Agar hodowlany często musi mieć ściśle określony skład, by móc zaobserwować to zjawisko, a mała zmiana parametrów hodowli może powodować jego zanik. Są jednak i takie grzyby, których świecącą częścią jest właśnie owocnik, choć obserwuje się prawidłowość, że jeżeli świeci owocnik to grzybnia również będzie wydzielała światło, ale nie vice versa.
Bioluminescencja jest jaśniejsza u grzybni lub owocników młodych lub szybko rosnących niż u starszych „organów” grzyba, choć ściśle zależy to od warunków wzrostu i od gatunku. Długość wydzielanej fali światła jest u wszystkich gatunków podobna, maksimum przypada na 530 nm (zielony). W porównaniu do innych bioluminescencyjnych organizmów grzyby wydzielają stosunkowo mniej światła, trzeba jednak pamiętać, że są zdolne robić to przez kilka dni (dniem i nocą). Kiedy zsumuje się ilość światła jaką wtedy wypromieniowują okazuje się, że łącznie jest go tyle samo, co u najjaśniejszych bioluminescencyjnych organizmów takich jak świetliki czy Cypridina (będącym jednym z gatunków małżoraczków – Ostracoda) lub nawet i więcej.
Bioluminescencja – mechanizm zjawiska
We wczesnych badaniach dotyczących bioluminescencji grzybów zakładano, że mechanizm zjawiska polega na reakcji lucyferyna – lucyferaza. Wysiłki wielu badaczy chcących zademonstrować tą reakcję z udziałem świecących grzybów spełzły na niczym. Dziś wiadomo, że grzyby wykształciły własną biochemię zjawiska opartą o związki terpenowe. Choć w literaturze dość często spotkać można określenie „lucyferyna grzybowa” to pamiętać należy, że chodzi o inny związek niż np. ten u świetlików. Badania prowadzone nad świecącymi łycznikami ochrowymi doprowadziły do odkrycia związku-kandydata na grzybową lucyferynę lub jej prekursora – jest nim seskwiterpen – panal. Jednocześnie nie wykryto żadnej specyficznej grzybowej lucyferazy. Roztwory panalu in vitro wykazują chemiluminescencję po dodaniu jonów dwuwartościowego żelaza i nadtlenku wodoru, która zwiększona może być w obecności kationowego surfaktantu, takiego jak CTAB. Związek ten oczywiście nie występuje w przyrodzie, jednak jak twierdzi Shimomura in vivo podobną rolę mogą pełnić cholinowe estry kwasów tłuszczowych. Związki takie zapewniają hydrofobowe i spolaryzowane środowisko reakcji, które np. u owadów zapewnia enzym – lucyferaza. Emisja światła następuje w wyniku oksydacji panalu.
Innym związkiem, będącym emiterem światła in vivo u japońskiego grzyba Lampteromyces japonicus jest lampteroflawina – pochodna mononukleotydu flawinowego. Przypuszcza się, że mogą istnieć jeszcze inne związki zdolne do emisji światła, jak choćby illudyna znaleziona u kielichowca, która również jest seskwiterpenem.
Po co grzybom bioluminescencja?
Istnieje kilka tez na ten temat, sprawa zaś jest dość kontrowersyjna i wymagająca dalszych badań. Uważa się, że bioluminescencja zachodzi w wyniku biochemicznego mechanizmu eliminacji wolnych rodników tlenowych, gdyż jon O2- jest kluczowy dla procesu. Zjawisko daje też możliwość pozbycia się nadmiaru biochemicznej energii w sposób niegenerujący ciepła, co jest bardzo ważne, dla grzybni wrażliwych na przegrzanie lub grzybów rosnących w tropikach, gdyż biorąc pod uwagę szybkość ich metabolizmu, temperaturę otoczenia i nasycenie powietrza ciepłą parą wodną o przegrzanie bardzo łatwo.
Inną potencjalną tezą jest przyciąganie owadów o fototropizmie dodatnim w celu roznoszenia zarodników grzybów. Stwierdzono jednakże, że światło to przyciąga także owady, które pożerają grzybnię.
Ekologicznie zjawisko to może być tłumaczone aposematyzmem – tj. sygnałem ostrzegawczym, że grzyb nie nadaje się do jedzenia (oczywiście nie licząc owadów, które do światła ciągną, mogą one być jednak zaangażowane w roznoszenie zarodników).
Bioluminescencja – zastosowania
Grzybnia opieńki miodowej wydziela na tyle dużo światła, że podczas I wojny światowej żołnierze używali kawałków przerośniętego drewna do czytania listów w okopach. Jako źródła bezpiecznego światła drewno takie wykorzystywane było wszędzie tam, gdzie płomień mógł spowodować wybuch, a więc przede wszystkim w prochowniach czy składach mąki. Źródłem światła były też poprzerastane grzybnią opieńki drewniane stemple kopalnianie. W lasach Skandynawii i tropikach świecące drewno rozkładano wzdłuż ścieżek, co miało ułatwić przeprawę nocą.
Z „nowszych” zastosowań rozważa się możliwość użycia świecących grzybów występujących naturalnie jak i modyfikowanych genetycznie jako biosensorów różnorakich zanieczyszczeń środowiska. Biosensory takie były doskonałym uzupełnieniem w badaniach ekotoksykologicznych do istniejących już bakteryjnych markerów bioluminescencyjnych.
Testuje się, czy Panellus stipticus może być wykorzystywany do bioremediacji, gdyż posiada zdolność usuwania ze środowiska wielu zanieczyszczeń przy czym stopień zaniku jego bioluminescencji na terenie skażonym może być też wskaźnikiem wielkości zanieczyszczenia. Interesującą cechą grzyba jest zdolność do rozkładu ligniny oraz związków polifenolowych pochodzenia antropogenicznego.
Jak zaobserwować grzybową bioluminescencją?
Przede wszystkim pamiętać należy, że jest to nisko-energetyczne światło. Na wycieczkę do lasu najlepiej jest wybrać bezksiężycowe lub pochmurne noce. Konieczne jest wyłączenie wszelkich sztucznych źródeł światła. Po około 20 – 30 minutach oczy całkowicie przywykną do ciemności i można udać się na poszukiwania. Logicznym jest, że można zwiększyć prawdopodobieństwo zaobserwowania zjawiska udając się w dzień na wyprawę w poszukiwaniu owocników opieńki miodowej. Gdy już znajdziemy dany okaz miejsce należy zapamiętać i wrócić w nocy. Jeżeli mimo wszystko nie będzie widać światła można pokusić się i delikatnie oderwać korę w miejscu wzrostu opieńki. Powinno to odsłonić grzybnię i ryzomorfy opieńki i ukazać naszym oczom bioluminescencję (należy pamiętać, ż ryzomorfy, które zaprzestały już wzrostu i pokryły się ciemną tkaną ochronną tracą zdolność do BL). Światło będzie intensywniejsze przy odpowiedniej wilgotności drewna, inaczej może ono być bardzo słabe.
Kawałek świecącego drewna można także zabrać ze sobą. By utrzymać je w aktywnym stanie drewno musi cały czas być wilgotne ale nie mokre – za wiele wody w porowatym drewnie zahamuje BL, gdyż zatrzyma dostęp świeżego powietrza. Należy pamiętać też o utrzymaniu właściwiej temperatury otoczenia, której optimum w przypadku opieńki miodowej wynosi 25 °C. Powyżej 30 °C emisja światła ustaje całkowicie. Najwięcej światła grzybnia daje przy pH = 5,7 – 6, zaś obecność amonowych form azotu w substracie zwiększa ilość energii wydzielanej w postaci światła. Mając taki kawałek drewna łatwo zbadać można wpływ tlenu na intensywność zjawiska. Gdy dostęp powietrza ulegnie ograniczeniu ilość światła proporcjonalnie zmniejsza się. Gdy zaś gwałtownie do pojemnika z grzybnią wpuści się świeże powietrze bioluminescencja równie gwałtownie zwiększy swą intensywność. To i podobne doświadczenia powinno wykonywać się w całkowitej ciemności. Grzybnia opieńki na jednym kawałku drewna może świecić nawet do 8 tygodni. Po tym czasie większość składników pokarmowych ulega wyczerpaniu. By osiągnąć maksymalny poziom BL grzyb potrzebuje około 4 tygodni wzrostu.
Ciekawostką jest, że opieńka posiada dobowy rytm bioluminescencji z maksimum około godziny 17:30 i z minimum około 7:30.
Ciekawostki
W Polsce spotkać też można osławionego łycznika ochrowego (Panellus stipticus), choć niestety podobnie jak łyczniki z amerykańskiego północnego wybrzeża Pacyfiku, Rosji czy Japonii nie daje on światła. Jedynie północnoamerykańskie łyczniki ochrowe wykazują bioluminescencję. Badania wykazały, że jest to cecha kodowana przez jeden dominujący gen natomiast jej zanik mogły spowodować przynajmniej trzy różne mutacje.
Opieńka miodowa i łycznik ochrowy są jedynymi świecącymi grzybami, które nie są trujące. Łycznik jednak posiada nie przyjemny smak, małe owocniki i dlatego nie jest spożywany.
Źródła:
Bioluminescence fungi: living light: http://www.psms.org/sporeprints/sp359.html;
Hanson J.A. 2008. Chemistry of Fungi. Cambridge, England: Royal Society of Chemistry, s. 92;
Isobe M., Takahashi H., Usami K., Hattori M., Nishigofri Y. 1994. Bioluminescence mechanism on new systems. Pure & Appl. Chem., vol. 66, nr 4, s.:765 – 772,
Kim D. Coder. 1999. Foxfire: bioluminescence in the forest. University of Georgia, School of forest resources extension publication for 99-021.8/1999: http://warnell.forestry.uga.edu/service/library/index.php3?docID=173;
Lingle ML, Porter D, O’Kane DJ. 1992. Preliminary analysis of genetic complementation of bioluminescence in Panellus stypticus isolated from pine and hardwood. Mycologia 84 (1): 94–104;
Luminescencja i luminofory wokół nas. Vortal Młodego Chemika. http://vmc.org.pl/articles.php?id=213&page=0;
Macrae R. 1942. Interfertility studies and inheritance of luminescence in Panus stypticus (abstract). Canadian Journal of Research Section C Botanical Sciences 20 (8): 411–34;
Shimomura O. 2006. Luminous fungi. Bioluminescence: chemical principles and methods, Mainland Press Pte Ltd, s. 266 – 289.
