واژه‌ی لومینسانس را اولین بار Eilhardt wiedman در سال 1888 خلق کرد که به معنی انتشار نور سرد است. منظور از نور سرد این است که کمتر از 20 درصد تابش حرارتی تولید می‌شود و لومینسانس یا نور سرد نباید با فلورسانس، فسفورسانس و یا شکست نور اشتباه شود. در سال 1916 Harvey واژه‌ی بیولومینسانس را که به معنی لومینسانس از موجودات زنده است را به کار برد.

بیولومینسانس تولید و نشر نور، در اثر انجام یک واکنش شیمیایی- آنزیمی، از موجودات زنده است و بر خلاف واکنش‌های زیستی معمول، که انرژی به صورت گرما به محیط داده می‌شود، انرژی این واکنش به انرژی نورانی مبدل می‌شود.

بیولومینسانس در موجودات مختلف با اشکال ظاهری متنوع و با مکانیسم‌های مختلف انجام می‌شود. برخی جانوران اندام‌های نورانی پیچیده‌ای که مانند چشم است دارند، در این جانوران انتشار نور تحت کنترل سیستم عصبی است و نور بر اساس نیاز یا باتحریک عصبی آزاد می‌شود. از جمله این جانوران ماهی منور و اقتاپوسهای نور افشان است. در برخی دیگر یک سلول منفرد همه‌ی دستگاه‌های مورد نیاز برای نشر نور را دارد و نور به طور ممتد نشر می‌شود ( باکتری‌ها و قارچ‌های منور از این دسته هستند ). بسیاری از گروه‌های دیگر موجودات لومینسانس حد واسط این دو گروه اند. 

در مکانیسم تولید نور سرد ممکن است دستهٍ‌ای از واکنش‌های بینابینی نیز وجود داشته باشد اما واکنشی که تولید نور می‌کند واکنش نهایی مسیر است که به آن ‎« واکنش منتشر کننده‌ی نور » می‌گویند که در این واکنش از مولکول ناشر نور یک الکترون منفرد به حالت برانگیخته می‌رسد. واکنش‌های منتشر کننده‌ی نور متنوعی وجود دارد اما همه‌ی آنها شامل یک واکنش اکسیداسیون سوبسترا (مولکول ناشر نور )، که معمولاً پروتئینی به نام لوسیفرین است، می‌شود. این واکنش اکسیداتیو انرژی لازم برای برانگیختگی الکترون فراهم می‌کند.

اهمیت تکاملی بیولومینسانس

بیولومینسانس در موجوداتی که از این ویژگی بهرمنداند دارای اهمیت تکاملی است و می‌توان کاربردهای زیر را به طور عمده برای آن برشمرد:

1. وسیله‌ای برای استتار- برای مثال کوسه‌ی کوکیکاتر با لومینسانس سرتاسر بدن خود را نورانی می‌کند جز ناحیه‌ای در زیر شکمش که تاریک باقی می‌ماند. این قسمت تاریک همانند ماهی تُن به نظر می‌رسد و باعث جلب ماهی‌های شکارچی می‌شود و به این ترتیب با این طعمه‌ی فریبنده، ماهی شکارچی خود طعمه‌ی کوسه‌ی کوکیکاتر می‌شود.

2. به عنوان وسیله‌ی دفاعی- دیانوفلاژلت‌ها زمانی که حمله‌ی شکارچی‌هایشان را حس می‌کنند با لومینسانس باعث جلب شکارچی‌‌های بزرگتر نیز می‌شوند که شکارچی‌های اولیه را شکار می‌کنند و دیانوفلاژلت‌ها را از خورده شدن نجات می‌دهند.

3. جلب طعمه – anglerfish برای جلب طعمه از لومینسانس استفاده می‌کند.

4. جلب جفت- کرم‌های شب تاب در فصل جفتگیری با تابش نور جلب جفت می‌کنند.

5. برای برقراری ارتباط- این استفاده از بیولومینسانس بیشتر در کلونی‌های باکتری‌های لومینسانس کننده دیده می‌شود. 

جانورانی که از حس بینایی برای دریافت اطلاعات از محیط استفاده می‌کنند گاهی در به کارگیری از این حس در تاریکی با مشکل مواجه می‌شوند. برای رفع این مشکل جانوران سازش‌های مختلفی پیدا کرده‌اند.

 برخی مثل جغدها از چشم‌های خیلی بزرگ برای جمع‌آوری نور استفاده می‌کنند. همچنین جانوران از حس‌های دیگرشان برای جمع‌آوری اطلاعات از محیط استفاده می‌کنند. انسان برای مقابله با تاریکی به اختراعات مختلف دست زده است از جمله ساخت لامپ‌ها رشته‌ای و چراغ قوه‌ها. بسیاری از جانوران از نوری که خودشان تولید می‌کنند به عنوان چراغ برای روشن‌سازی محیطشان استفاده می‌کنند. مزیتی که این نور بر نورهای ساخت دست بشر دارد این است که برای ایجاد آن احتیاج به برافروختگی الکتریکی که در نتیجه‌ی آن گرمای زیادی تولید می‌شود و هدر می‌رود نیست چراکه این جانوران از واکنش‌های شیمیایی و نور سرد برای روشن‌سازی محیطشان استفاده می‌کنند.

تعداد زیادی از موجودات منتشرکننده‌ی نور ساکن دریا هستند با این حال تعداد معدودی از آنها در خشکی و زیستگاه‌های آب شیرین نیز یافت می‌شوند. موجودات بیولومینسنت همزیست با مجودات دیگر نیز جز این گروه محسوب می‌شوند. بیولومینسانس در هر جانداری از نظر طول موج نور، مدت تابش، تناوب و دفعات تابش منحصر به فرد است. در زیر با برخی از موجودات بیولومینسنت آشنا می‌شویم.

از جمله جانداران خشکی‌زی:

 از گروه حشرات می‌توان کرم شب تاب یا firefly را نام برد که آشنا ترین مثال از موجودات منتشرکننده‌ی نور است.

هزارپایِ Luminodesmus -حلزون Quantula

Mycena lampadis یک قارچ بیولومینسنت است. روشنایی که این قارچ در تاریکی کامل ایجاد می‌کندبرای مطالعه‌ی روزنامه کفایت می‌کند:

حدود نود درصد موجودات ساکن در اعماق دریا تولید بیولومینسانس می‌کنند. از جمله آبزیان بیولومینسانت:

Anglerfish :قسمتی از نخاع پشتی در جنس ماده‌ی این ماهی به درون بدن برآمده شده که با انتشار نور طعمه را به سمت دهان جلب می‌کند.

Black dragonfish :در طول پیکر این ماهی فتوفور‌هایی در دو ردیف پراکنده شده‌اند که در روشن کردن مسیر حرکتش به آن کمک می‌کنند. در جنس ماده یک زائده‌ی چانه‌ای وجود دارد که نوک آن لومینسانس ضعیفی دارد و در جلب طعمه به کار گرفته‌ می‌شود:

هشت‌پای رنگین کمانی:

Aequorea victoria که نوعی ماهی ژله‌ای یا عروس دریایی است:

دیانوفلاژلیت‌ها، dianoflagellates ، از تک سلولی‌های آبزی تابنده اند:

کاربرد بیولمینسانس

 در بین روش‌های سنجشی مورد استفاده در تحقیقات زیستی، روش‌هایی که بر اساس نشر نور عمل می‌کنند به دلیل حساسیت بالایی که دارند و سهولت کاربردشان در بین محققان محبوب‌تر اند.

این روش‌ها بر این اساس که انرژی مورد نیاز برای تولید فتون چگونه تامین می‌شوند دسته بندی می‌گردند. برای مثال روش‌های فتولومینسانس به این دلیل اینگونه نامگذاری شده‌اند که منبع انرژی برای برانگیختگی الکترون فتون است ویا در کمولومینسانس منبع انرژی شیمیایی است ،  رادیولومینسانس  بر پایه‌ی رادیواکتیویته است و الکترولومینسانس که الکتریسیته تامین کننده‌ی انرژی برانگیختگی است.

بیولمینسانس شکلی از کمولومینسانس است که واکنش تولیدکننده‌ی نور از یک فرایند کاتالیز آنزیمی، برای مثال واکنش آنزیم لوسیفراز بر روی لوسیفرین در کرم شب تاب، مشتق می‌شود.

در همه‌ی اشکال کمولومینسانس، انرژی به وسیله‌ی ملکول ساتع کننده‌ی نور جذب می‌شود و سبب برانگیخته‌ شدن مولکول می‌شود. زمانی که مولکول به حالت پایه یا اولیه‌ی خود بر می‌گردد انرژی اضافی به صورت نور خارج می‌شود. اما تفاوت بین انواع لومینسانس‌های شیمیایی در این است که چگونه حالت برانگیخته ایجاد می‌شود. در شکل زیر تفاوت بین بیولومینسانس و فلورسانس نشان داده شده است:

استفاده از واکنش‌های بیولومینسانس به عنوان ابزارهای سنجش در زمینه‌های مختلف علم و فناوری روز به روز گسترده‌تر و محبوب‌تر می‌شود. برای مثال سیستم بیولومینسانس کرم شب تاب که عموماً به عنوان روشی برای اندازه‌گیری ATP ( آدنوزین تری فسفات) ،که یک مولکول ناقل انرژی در واکنش‌های سوخت و سازی حیاتی است، استفاده می‌شود.

پروتئین‌های حساس به کلسیم در ماهی ژله‌ای ، از قبیل آکوآرین (aequorin) به طور گسترده‌ای در نشان دادن کلسیم داخل سلولی، که تنظیم کننده‌ی بسیاری از واکنش‌های مختلف سلولی است،  استفاده می‌شود.

پروتئین لومینسنت دیگری که از ماهی ژله‌ای همراه با آکوارین استخراج و کشف شده است، پروتئین سبز  (GFP; green fluorescent protein) است که استفاده از آن به طور وسیعی در حال گسترش است و به عنوان یک نشانگر با کارایی بالا برای سلول‌های زنده در تحقیقات زیستی و همچنین ابزاری در تشخیص‌های پزشکی مورد استفاده قرار می‌گیرد.

 رایج‌ترین کاربرد بیولومینسانس در تحقیقات علوم زیستی، استفاده از آن به عنوان گزارشگرهای ژنتیکی، به طور مثال برای فرابینی دینامیک نسخه برداری ژنتیکی، است. لوسیفراز کرم شب تاب معمولا بهترین گزینه برای این منظور است. لوسیفراز کرم شب تاب یک پروتئین 61 کیلودالتونی تک پار است که برروی لوسیفرین، ATP و اکسیژن اثر کرده و در نتیجه‌ی این واکنش نور سبزـ زرد با طول موج 560 تولید می‌شود.

 منبع : تنوع زیستی

نوشته شده توسط امیر بساک در پنجشنبه دوم دی 1389 ساعت 8:45 PM | لینک ثابت |