Tìm hiểu về phát quang sinh học

Phát quang sinh học là ánh sáng được tạo ra bởi một phản ứng hóa học trong cơ thể sống. Phát quang sinh học là một loại phát quang hóa học , đơn giản là thuật ngữ chỉ một phản ứng hóa học trong đó ánh sáng được tạo ra. (Phát quang sinh học là sự phát quang hóa học diễn ra bên trong một cơ thể sống.) Phát quang sinh học là một " ánh sáng lạnh."

Ánh sáng lạnh có nghĩa là ít hơn 20% ánh sáng tạo ra bức xạ nhiệt hay còn gọi là nhiệt. Hầu hết các sinh vật phát quang sinh học được tìm thấy trong đại dương. Các loài sinh vật biển phát quang sinh học này bao gồm cá, vi khuẩn và thạch. Một số sinh vật phát quang sinh học, bao gồm đom đóm và nấm, được tìm thấy trên đất liền. Hầu như không có sinh vật phát quang sinh học nào có nguồn gốc từ môi trường sống nước ngọt .

Hóa học

Phản ứng hóa học dẫn đến phát quang sinh học đòi hỏi hai hóa chất duy nhất: luciferin và luciferase hoặc photoprotein. Luciferin là hợp chất thực sự tạo ra ánh sáng. Trong phản ứng hóa học, luciferin được gọi là chất nền . Màu phát quang sinh học (màu vàng ở đom đóm, màu xanh lục ở cá đèn) là kết quả của sự sắp xếp các phân tử luciferin. Một số sinh vật phát quang sinh học tự sản xuất ( tổng hợp ) luciferin. Ví dụ: Dinoflagilities s, phát quang sinh học có màu xanh lục lam.

Bạch cầu tảo phát quang sinh học là một loại sinh vật phù du - sinh vật biển nhỏ bé đôi khi có thể khiến bề mặt đại dương lấp lánh vào ban đêm. Một số sinh vật phát quang sinh học không tổng hợp luciferin. Thay vào đó, chúng hấp thụ nó thông qua các sinh vật khác, dưới dạng thức ăn hoặc trong mối quan hệ cộng sinh. Ví dụ, một số loài cá trung du thu được luciferin thông qua "tôm giống" mà chúng tiêu thụ. Nhiều động vật biển, chẳng hạn như mực, nhà vi khuẩn phát quang sinh học trong cơ quan ánh sáng của chúng. Vi khuẩn và mực có mối quan hệ cộng sinh.

Luciferase là một loại enzym . Enzyme là một chất hóa học (được gọi là chất xúc tác ) tương tác với cơ chất để ảnh hưởng đến tốc độ của một phản ứng hóa học. Sự tương tác của luciferase với luciferin bị oxy hóa (thêm oxy) tạo ra một sản phẩm phụ, được gọi là oxyluciferin. Quan trọng hơn, phản ứng hóa học tạo ra ánh sáng. Các tế bào bạch cầu phát quang sinh học tạo ra ánh sáng bằng cách sử dụng phản ứng luciferin-luciferase. Luciferase được tìm thấy trong tảo hai lá mầm có liên quan đến chất diệp lục hóa học màu xanh lá cây được tìm thấy trong thực vật.

Hệ sinh thái tảo hai roi phát quang sinh học rất hiếm, chủ yếu hình thành trong các đầm phá nước ấm có khe hở hẹp ra biển khơi. Các loài tảo bạch hoa phát quang sinh học tập trung trong các đầm hoặc vịnh này, và khe hở hẹp khiến chúng không thể thoát ra ngoài. Toàn bộ đầm phá có thể được chiếu sáng vào ban đêm. Nhà sinh vật học đã xác định một hệ sinh thái tảo hai roi phát quang sinh học mới trong Khu bảo tồn thiên nhiên Humacao, Puerto Rico, vào năm 2010.

Hầu hết các phản ứng phát quang sinh học liên quan đến luciferin và luciferase. Tuy nhiên, một số phản ứng không liên quan đến enzym (luciferase). Những phản ứng này liên quan đến một chất hóa học được gọi là photoprotein . Photoprotein kết hợp với luciferin và oxy, nhưng cần một tác nhân khác, thường là ion của nguyên tố canxi, để tạo ra ánh sáng. Photoprotein chỉ mới được xác định gần đây, và các nhà sinh học và hóa học vẫn đang nghiên cứu các đặc tính hóa học bất thường của chúng.

Photoprotein lần đầu tiên được nghiên cứu trong thạch tinh thể phát quang sinh học được tìm thấy ngoài khơi bờ biển phía tây của Bắc Mỹ. Photoprotein trong thạch tinh thể được gọi là "protein huỳnh quang xanh" hoặc GFP . Tuy nhiên, phát quang sinh học không giống như huỳnh quang . Sự phát hoa không liên quan đến một phản ứng hóa học. Trong huỳnh quang, một ánh sáng kích thích được hấp thụ và phát lại. Ánh sáng huỳnh quang chỉ nhìn thấy được khi có ánh sáng kích thích. Mực được sử dụng trong bút highlighter là loại mực huỳnh quang. Sự phát quang tương tự như sự phát quang, ngoại trừ ánh sáng lân tinh có thể phát lại ánh sáng trong thời gian dài hơn nhiều. Hình dán phát sáng trong bóng tối có phát quang.

Ánh sáng phát quang sinh học

Sự xuất hiện của ánh sáng phát quang sinh học rất khác nhau, tùy thuộc vào môi trường sống và sinh vật mà nó được tìm thấy. Ví dụ, hầu hết hiện tượng phát quang sinh học ở biển được thể hiện ở phần màu xanh lam của quang phổ ánh sáng khả kiến . Những màu này dễ dàng nhìn thấy hơn trong đại dương sâu. Ngoài ra, hầu hết các sinh vật biển chỉ nhạy cảm với màu xanh lam-xanh lục. Về mặt vật lý, chúng không thể xử lý các màu vàng, đỏ hoặc tím.

Hầu hết các sinh vật đất cũng có biểu hiện phát quang sinh học xanh lam-xanh lục. Tuy nhiên, nhiều loài phát sáng trong quang phổ màu vàng, bao gồm đom đóm và loài ốc đất duy nhất được biết đến phát quang sinh học, Quantula striata , có nguồn gốc từ vùng nhiệt đới Đông Nam Á. Rất ít sinh vật có thể phát sáng nhiều hơn một màu. Cái gọi là sâu đường sắt (thực ra là ấu trùng của bọ cánh cứng) có thể là loài quen thuộc nhất. Đầu của con sâu đường sắt phát sáng màu đỏ, trong khi cơ thể của nó phát sáng màu xanh lá cây.

Các luciferase khác nhau làm cho sự phát quang sinh học được biểu hiện khác nhau. Một số sinh vật phát ra ánh sáng liên tục. Ví dụ, một số loài nấm có trong gỗ mục nát, phát ra ánh sáng khá nhất quán, được gọi là lửa cáo . Tuy nhiên, hầu hết các sinh vật sử dụng các cơ quan ánh sáng của chúng để nhấp nháy trong khoảng thời gian từ dưới một giây đến khoảng 10 giây. Những đốm sáng này có thể xảy ra ở những điểm cụ thể, chẳng hạn như những chấm trên mực. Các đèn flash khác có thể chiếu sáng toàn bộ cơ thể sinh vật.

Sự thích nghi

Phát quang sinh học được sử dụng bởi các sinh vật sống để săn mồi , bảo vệ chống lại kẻ săn mồi , tìm bạn tình và thực hiện các hoạt động quan trọng khác.

| Đọc thêm: Sự thích nghi của phát quang sinh học

Phát quang sinh học và con người

Các nhà sinh học và kỹ sư đang nghiên cứu các hóa chất và hoàn cảnh liên quan đến quá trình phát quang sinh học để hiểu cách mọi người có thể sử dụng quá trình này để làm cho cuộc sống dễ dàng và an toàn hơn. Ví dụ, protein huỳnh quang màu xanh lá cây (GFP) là một "gen báo cáo" có giá trị. Gien phóng viên là các chất hóa học (gen) mà các nhà sinh học gắn vào các gen khác mà họ đang nghiên cứu. Các gen báo cáo GFP dễ dàng được xác định và đo lường, thường là bằng huỳnh quang của chúng.

Hai chú thỏ phát quang do được tiêm loại protein huỳnh quang lấy từ DNA của loài sứa khi còn trong phôi.

Điều này cho phép các nhà khoa học theo dõi và giám sát hoạt động của gen được nghiên cứu - sự biểu hiện của nó trong tế bào hoặc sự tương tác của nó với các chất hóa học khác. Các mục đích sử dụng khác mang tính thử nghiệm nhiều hơn. Ví dụ, cây phát quang sinh học có thể giúp thắp sáng đường phố và đường cao tốc trong thành phố. Điều này sẽ làm giảm nhu cầu sử dụng điện . Cây trồng phát quang sinh học và các loại cây khác có thể phát quang khi chúng cần nước hoặc các chất dinh dưỡng khác , hoặc khi chúng đã sẵn sàng thu hoạch.

Điều này sẽ giảm chi phí cho nông dân và doanh nghiệp nông nghiệp . Phòng thủ phát quang sinh học Sự phát quang sinh học được Hải quân rất quan tâm. Khi các vật thể di chuyển trong đại dương, chúng có thể khiến các sinh vật phát quang sinh học phát sáng. Điều này có thể khiến các dự án và con người gặp rủi ro khi tiết lộ sự hiện diện của tàu ngầm, hoặc thậm chí lính SEAL của Hải quân đang bơi xung quanh một cách bí mật.

Nguồn: nationalgeographic.org