Luz viva

A luz sempre foi um elemento importante em vários aspectos. Nós humanos, principalmente, dependemos muito da luz e da iluminação. Muitas pessoas, inclusive, em situações de ausência de luz sentem muito medo do escuro (nictofobia).
No mundo natural a luz também é muito importante. A luz do sol, por exemplo, é essencial para a sobrevivência da vida na Terra em geral, pois a mesma é necessária para a produção de carboidratos pelas plantas, utilizando a energia luminosa, o que produz boa parte da biomassa utilizada por outros organismos.

Contudo, o sol (e as estrelas em geral) não é a única fonte de luminosidade no mundo natural. Alguns organismos possuem suas próprias fontes de luz!

Figura 1: Reação química da bioluminescência.

Muitos organismos são capazes de produzir luminosidade por conta própria. Seres com tal capacidade são chamados bioluminescentes. A bioluminescência é, portanto, a produção e emissão de luz por algum tipo de organismo. O caso mais familiar de bioluminescência é a produzida pelos vaga-lumes (insetos coleópteros). Neste tipo de bioluminescência, a produção de luz ocorre devido à reação química (figura 1) de duas substâncias: a luciferina (um pigmento) e a luciferase (uma enzima). Durante a reação, a luciferina reage com oxigênio para produzir luz e a luciferease age como um catalisador da reação, que é às vezes mediada por cofatores como íons cálcio e ATP. Essa reação química pode ocorrer tanto dentro quanto fora das células e é um tipo de emissão de luz fria (que praticamente não emitem calor). Qualquer célula viva produz quimioluminescência ultrafraca, como subproduto do metabolismo oxidativo, aparentemente sem função biológica. Apesar do exemplo dos vaga-lumes ser mais familiar às pessoas em geral, vários organismos utilizam reações químicas semelhantes para produzir luz (figura 2).

Figura 2: Alguns organismos bioluminescentes (modificado de Haddock et al. 2010)

Figura 3: A filogenia da bioluminescência (Haddock et al. 2010)

A bioluminescência pode ser encontrada ao longo dos grandes grupos de organismos, desde bactérias e protozoários a insetos e peixes, entre vários filos diferentes tanto marinhos quanto terrestres (figura 3). Na maioria dos casos, como o citado no parágrafo anterior, os próprios organismos produzem sua própria fonte de luz. Em outros casos, bactérias simbiontes são as responsáveis pela bioluminescência no organismo, como no caso de alguns crustáceos e águas-vivas. Apenas em poucas linhagens importantes de organismos a bioluminescência natural não foi documentada, como é o caso das angiospermas (plantas com flores) e vertebrados terrestres como aves, anfíbios e mamíferos. Os fungos representam o único caso no qual o sistema bioluminescente aparentemente não é catalisado por enzimas.

O mecanismo básico da bioluminescência já é bem conhecido, entretanto, uma das questões que continuam permeando o tema é como esse processo teve origem ao longo da história evolutiva, evoluindo independentemente em vários organismos. É complicado calcular o número de vezes em que a bioluminescência evoluiu independentemente e há sempre a possibilidade do cálculo ser sub ou superestimado.

Figura 4: Algumas funções da bioluminescência (Haddock et al. 2010).

As funções da bioluminescência variam de acordo com o organismo que a apresenta, indo desde comportamentos de reprodutivos – como nos vaga-lumes – a estratégias de predação – como em alguns peixes abissais (figura 4). Alguns organismos, como as sépias (cefalópode semelhante às lulas), a utilizam para camuflagem e comunicação. Em cada organismo bioluminescente, essa capacidade evolui devido à pressões seletivas diferentes, gerando assim funções variadas. Às vezes a evolução acaba tomando um rumo diferente do “esperado” e uma mesma característica pode por fim ter uma função bem diferente da original, como no caso de uma espécie de vaga-lume em que a fêmea utiliza sua bioluminescência para atrair machos de outra espécie, mas não com a intenção de acasalar e sim devorá-los!

Devido a habilidade de produzir luz naturalmente ter evoluído muitas vezes, isto sugere que a mesma é importante para esses organismos e, portanto deve ter evoluído facilmente dentro das diversas linhagens (para mais detalhes, ver Haddock et al. 2010 em Bibliografia recomendada no final do post). Moluscos bioluminescentes, por exemplo, desenvolveram independentemente pelo menos sete linhagens diferentes. Uma interessante adaptação de bioluminescência em moluscos foi recentemente documentada.

Figura 5: O molusco gastrópode bioluminescente Hinea brasiliana (® The Seashells of New South Wales Org).

O pequeno gastrópode marinho Hinea brasiliana (figura 5) realiza um comportamento de produção de bioluminescência em resposta a estímulos mecânicos causados por outros organismos, quando estes tocam o molusco. A luz do H. brasiliana é produzida a partir de áreas discretas no corpo do molusco, principalmente no manto, a parte do corpo que fica aderida à concha. À primeira vista, pareceria estranho esse molusco produzir luz se a sua concha constituiria uma barreia estrutural à visualização, por outro organismo, da luz emitida. Contudo, o grande diferencial desse gastrópode é justamente sua concha. Apesar de opaca e pigmentada, seletivamente difunde comprimentos de onda entre o azul e o verde da luz emitida pelo corpo do animal (figura 6). A concha possui uma eficiência de difusão e transmissão de luz muito maior que qualquer material comercial atualmente disponível. Esta difusão da luz gera um display luminoso que é aumentado em relação à fonte de luz original.

Figura 6: Hinea brasiliana. a) área do corpo do animal evidenciada pela bioluminescência; b) fotografia em campo escuro mostrando a difusão da luz causada pela concha; c) a mesma concha em ambiente iluminado. (modificado de Deheyn e Wilson, 2010)

Se as conchas dos gastrópodes já oferecem uma proteção eficiente, a deste em particular promove ainda uma defesa secundária. A concha do H. brasiliana permite que a luz emitida pelo seu corpo seja espacialmente amplificada em direção ao exterior, transmitindo de maneira mais eficiente os sinais luminosos enquanto o animal permanece em segurança no interior da concha. Essa é a explicação dada por Dimitri Deheyn (Universidade da Califórnia) e Nerida Wilson (Museu Australiano) em um artigo publicado em 2010 (ver em Biliografia recomendada).

Outros organismos bioluminescentes podem manipular seus sinais luminosos através de uma série de mecanismos fisiológicos e/ou biomecânicos. Alguns desses organismos (principalmente os marinhos pelágicos) utilizam essa habilidade para parecerem maiores e enganar predadores, normalmente utilizando uma combinação de refletores e materiais biológicos transparentes que guiam a luz emitida para além de sua fonte.

Em H. brasiliana, a difusão de luz ocorre de maneira essencialmente diferente em relação a outros sistemas difusores em organismos bioluminescentes por usar um material rígido e não transparente para tal fim. O mecanismo de proteção em H. brasiliana é portanto triplicado: a concha, para a proteção física; comportamento críptico de evitar outros organismos e a capacidade de produzir intensa e repetitivamente flashes de luz em resposta a alguma perturbação externa.

A transmissão de luz em H. brasiliana parece sugerir uma coevolução entre a produção de bioluminescência e a biomineralização da dura concha de carbonato de cálcio. Dessa forma, a compreensão de como a estrutura cristalina e proteíca da concha permite tais propriedades pode ser de valorosa utilidade como modelo de inspiração para aplicações biofotônicas futuras.

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Bibliografia recomendada

Deheyn, D.D. & N.G. Wilson. 2010. Bioluminescent signals spatially amplified by wavelength-specific diffusion through the shell of a marine snail. Proceedings of the Royal Society, 278 (1715): 2112-2121.

Haddock, S.H.D.; M.A. Moline & J.F. Case. 2010. Bioluminescence in the Sea. Annual Review of Marine Science, 2: 443–493.

Herring, P.J. 1977. Bioluminescence of marine organisms. Nature, 267: 788–793.

Lee, J. 1989. Bioluminescence. Pp. 391-418. In: The Science of Photobiology. K.C. Smith (ed.). Plenum Press. New York, 434p.

Seliger, H.H. 1975. The origin of bioluminescence. Photochem. Photobiol., 21: 355-361.

Viviane, V.R. 2007. Luciferases de vagalumes. Biotecnologia Ciência & Desenvolvimento, 37: 8-19.

Wilson, T. & J.W. Hastings. 1998. Bioluminescence. Annu. Rev. Cell Dev. Biol., 14: 197-230.

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PS: Aproveito a oportunidade de escrever sobre um molusco para dedicar esse post a todos os amigos do Laboratório de Invertebrados Marinhos do Ceará (LIMCe), da Universidade Federal do Ceará (UFC). Um grande abraço pra todos!

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3 pensamentos sobre “Luz viva

  1. Pingback: O brilho do escorpião « Histórias Naturais

  2. Olá Célio,
    Recentemente assisti a um vídeo publicado pela NASA, em que o excesso de luz recebida pelas plantas era irradidado em forma de luz infravermelha (uma luz não visível para nós). Então… as plantas neste caso são bioluminescentes, ou a bioluminescência necessariamente deve estar relacionada com a luciferina e a luciferase?

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