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In questa raccolta di articoli viaggeremo dalla superficie agli abissi alla scoperta dei loro segreti. La rubrica è ideata e sviluppata da In a Seashell, un collettivo di giovani ricercatori e artisti che mira a divulgare la scienza e la conservazione naturale in modi nuovi e innovativi.

BIOLUMINESCENZA E PIGMENTI ABISSALI

Da sempre i fenomeni luminosi hanno suscitato l’interesse di noi sapiens, tanto da spingerci a tramandarne le osservazioni attraverso miti e racconti. Ne sono un esempio le numerosissime leggende sui fuochi fatui, luminescenze generate dai gas durante la decomposizione della materia organica (come il fosforo) e le cui apparizioni sono dunque legate ad ambienti peculiari, come acquitrini e campi santi. Questi gas, reagendo con l’aria, emettono bagliori di luce capaci di assumere la forma di piccole fiammelle, protagoniste di molte leggende del folklore giapponese e nordico.

Le storie di mare narrano invece dei misteriosi fuochi di Sant’Elmo, scariche elettroluminescenti che si verificano in condizioni di forte campo elettrico, quindi tipicamente durante i temporali. Si manifestano come un bagliore brillante, di colore blu o viola sulle punte  di oggetti alti, come gli alberi maestri, le antenne e le guglie delle navi.

Il termine “luminescenza”  viene da “lumen”, luce, con il suffisso “-escenza”, che indica un processo o un cambiamento. È un termine piuttosto recente: fu coniato nel 1888 da Eilhard Wiedemann per distinguere la luce fredda (prodotta dai raggi X, dalla radioattività e da «tutti quei fenomeni luminosi che non sono determinati esclusivamente dall’aumento di temperatura»), dall’incandescenza (la luce calda, proveniente da sorgenti incandescenti come il Sole, una lampada a olio, una candela). 

Riassumendo: la luminescenza si verifica quando un corpo emette radiazioni elettromagnetiche sotto forma di luce  in risposta a cause diverse dovute all’aumento della temperatura.

Cos’è la (bio)luminescenza?

Partiamo dal principio. Esistono diversi tipi di luminescenza. Ad esempio, la chemioluminescenza: un tipo di luminescenza causata da reazioni chimiche. La stessa, legata a reazioni biologiche, ci fa scoprire uno dei fenomeni più affascinanti del regno animale e vegetale: la bioluminescenza. Possiamo quindi definire la bioluminescenza come un particolare tipo di chemioluminescenza, che riguarda organismi in grado di generare luce sfruttando reazioni chimiche del proprio metabolismo o di quello di organismi con i quali hanno relazioni simbiotiche,  come alghe e batteri. I meccanismi molecolari responsabili della generazione della bioluminescenza nei viventi si sono evoluti per convergenza evolutiva, ovvero si sono sviluppati in maniera indipendente nel tempo.

Perché l’evoluzione ha premiato gli organismi capaci di generare luce?

Andando indietro nel tempo, nelle fasi iniziali dell’evoluzione, l’aumento della concentrazione di ossigeno atmosferico causato dai primi organismi vegetali ha portato alla necessità di sviluppare dei meccanismi di detossificazione di questo gas; questo ci avvicina ad un’ipotesi sull’evoluzione della bioluminescenza. A supporto di questa teoria, si è osservato che i percorsi molecolari responsabili della generazione di bioluminescenza prevedono sempre una reazione specifica dell’ossigeno con particolari molecole organiche: l’idea è che queste molecole abbiano in alcuni casi evoluto come “effetto collaterale” la capacità di produrre luce. Questa capacità acquisita si è poi in qualche modo dimostrata vantaggiosa per gli organismi luminescenti, tra questi spiccano gli abitanti delle profondità marine, e di conseguenza si è evoluta e conservata nel tempo.

La scoperta delle molecole bioluminescenti

Ad oggi sono state identificate molecole e enzimi coinvolti nel fenomeno della bioluminescenza. Le luciferine sono molecole organiche accomunate da una peculiare reattività verso l’ossigeno: la reazione con questo gas avviene grazie ad enzimi catalizzatori, le luciferasi. La luciferasi quindi ossida la luciferina e libera dalla reazione energia sotto forma di luce, regolando l’emissione luminosa.
Luciferine e luciferasi coesistono all’interno del singolo organismo reagendo e producendo luminescenza. Ogni specie si è adattata con diversi meccanismi evolutivi per combinare queste molecole ed enzimi al fine di produrre la propria bioluminescenza. Quindi, ad esempio, i microscopici dinoflagellati e le lucciole avranno due tipi diversi di luciferine e luciferasi.

La bioluminescenza in mare

I dinoflagellati (figura 1, b.) sono microalghe planctoniche che vivono trasportate dalle correnti superficiali e possono radunarsi in massa con l’azione delle onde. Sono in grado di emettere bioluminescenza, tipicamente una luminescenza azzurra o blu, grazie a delle specifiche luciferine attivate a seguito di un contatto tra gli organismi o dello spiaggiamento sulla battigia.

La bioluminescenza però si è evoluta in maniera affascinante anche nelle profondità marine, dove il buio regna sovrano e gli organismi bioluminescenti, come fossero piccole stelle, pulsano di luce.

Potreste aver sentito parlare delle rane pescatrici abissali (figura 2, c.)  (ordine Lophiiformes): questi pesci abissali sono muniti di un particolare organo luminoso alla fine di un lungo filamento. L’illicio è il primo raggio della pinna dorsale di questi pesci: estremamente allungato e mobile, presenta una piccola escrescenza in cima, usata come esca per attirare piccoli pesci, crostacei e molluschi per poterli predare grazie alla loro produzione di luce. Il nome deriva curiosamente dalla parola latina illicium, che significa “allettare” o “esca”. La luce è generata grazie alla simbiosi con batteri bioluminescenti: da questo rapporto di coesistenza i batteri traggono vantaggio nel riparo in un ambiente protetto mentre il pesce può sfruttarne la loro luce per cacciare.

C’è chi invece non vuole attirare troppe attenzioni: il “calamaro delle Hawaii” (Euprymna scolopes, una piccola seppia in realtà) instaura nelle prime due ore della sua vita una stretta simbiosi con i batteri Aliivibrio fischeri, ospitandoli nel proprio mantello per sfruttarne la bioluminescenza al fine di mimetizzarsi con il cielo stellato notturno, sfuggendo ai predatori attraverso la controilluminazione.

D’altro canto, i policheti (figura 1, a.), vermi marini coperti di setole, le “chete” appunto, del genere Swima hanno evoluto una difesa più attiva, grazie alla capacità di staccare parti del corpo bioluminescenti, chiamata autotomia luminosa, quando attaccati per distrarre il predatore e tentare la fuga.
La produzione luminosa può essere sfruttata anche per l’accoppiamento: nei policheti del genere Odontosyllis le femmine in fase di deposizione nuotano in cerchi lenti, secernendo un muco luminoso di colore blu-verde brillante mentre rilasciano i gameti. I maschi nuotano quindi rapidamente verso le femmine luminose, emettendo brevi lampi di luce prima di rilasciare i propri gameti.

Un caso molto curioso è poi quello del pesce drago nero (figura 2, d.) (Malacosteus niger), uno dei pochissimi vertebrati capaci di emettere e vedere la luce rossa negli abissi, il primo colore a scomparire all’aumentare della profondità in mare. Utilizzando la bioluminescenza rossa, riesce a predare senza essere visto, in quanto la maggior parte degli animali abissali non riesce a percepire questo colore. Inoltre, sembra che l’emissione di questa luce rossa venga utilizzata anche per comunicare, sempre senza essere visti, tra individui diversi della specie.

Nell’arco di milioni di anni, gli organismi in grado di generare bioluminescenza si sono specializzati per sfruttare tale fenomeno al fine di occupare le proprie nicchie ecologiche, dimostrando il ruolo fondamentale della bioluminescenza nella comunicazione, nella caccia e nella difesa dai predatori. Oltre al fascino legato all’emissione di luce biochimica, le scoperte sulle molecole bioluminescenti ricoprono un ruolo fondamentale nell’avanzamento delle biotecnologie e delle cure mediche.
Oggi grazie allo studio della bioluminescenza gli scienziati sono in grado di tracciare cellule tumorali, osservare il funzionamento di geni e studiare l’efficacia di farmaci in tempo reale.
Molti organismi marini inoltre emettono luce in risposta ai cambiamenti ambientali: studiare la loro bioluminescenza può aiutarci a monitorare l’inquinamento e a capire lo stato degli ecosistemi marini.
Proteggere gli ambienti profondi e le specie che li abitano non significa quindi solamente custodire l’equilibrio del nostro pianeta, ma significa anche proteggere le conoscenze e le informazioni che possono cambiare il mondo in meglio.

Fonti:

• Aida Verdes, David F. Gruber, Glowing Worms: Biological, Chemical, and Functional Diversity of Bioluminescent Annelids, Integrative and Comparative Biology, Volume 57, Issue 1, July 2017, Pages 18–32, https://doi.org/10.1093/icb/icx017
• Douglas RH, Mullineaux CW, Partridge JC. Long-wave sensitivity in deep-sea stomiid dragonfish with far-red bioluminescence: evidence for a dietary origin of the chlorophyll-derived retinal photosensitizer of Malacosteus niger. Philos Trans R Soc Lond B Biol Sci. 2000 Sep 29;355(1401):1269-72. doi: 10.1098/rstb.2000.0681. PMID: 11079412; PMCID: PMC1692851.