#bioluminiscence

V dubnu 1862 došlo během občanské války v USA u Shilohu k obrovské dvoudenní bitvě, která od té doby patřila k nejkrvavějším střetnutím na západní polokouli. Bitvu vyhrála Unie, ale ztráty byly na obou stranách vysoké. Kromě tisíců mrtvých zůstalo na bojišti až 16 000 raněných vojáků, kteří někdy i dva dny museli čekat, až dorazí pomoc. Leželi v dešti a chladu a tak pro mnohé přišla pomoc příliš pozdě. Když přišla tma, bojištěm se ozýval křik umírajících vojáků, osamělé výstřely, ržání raněných koní.

V nastávající tmě se však děla ještě jedna věc. Některých raněným začaly jejich rány doslova svítit. Nikdo z vojáků nevěděl, co to je. Bylo to zvláštní a děsivé. Ještě zvláštnější však bylo, že vojákům, jejichž rány zářily, se tyto rychleji hojily a na rozdíl od ostatních nedostali do ran infekci. Infekce v té době zabíjela stejně spolehlivě jako kulky a tisíce vojáků tak umíralo v nemocnicích, aniž by s tím tehdejší lékařská věda mohla cokoliv dělat. Tajemnému světlu u Shilohu se proto začalo říkat "andělská záře" a dlouhé roky zůstalo tajemstvím, co se tenkrát vlastně stalo.

Záhadná záře se vysvětlila až po mnoha letech, kdy v roce 2001 dva studenti, 17 let starý William Martin a 18 let starý Jonathan Curtis, v rámci školního projektu navštívili bojiště a odebrali tamní vzorky půdy. Pod mikroskopem pak našli příčinu "andělské záře". Byly to bioluminiscentní bakterie jménem Photorhabdus luminescens. Tyto bakterie způsobily světlo v ranách, a protože také likvidují jakékoliv konkurenční baktérie, zabránily i hrozícím infekcím a gangrénám. Tyto baktérie zabíjí vyšší teplota a v normálním lidském těle by nevydržely, avšak v chladném a vlhkém prostředí u Shilohu v podchlazených vojácích bakterie přežily a vyhojily jim jejich rány. Když se zranění muži dostali konečně do nemocnic a do tepla, baktérie zahynuly a rány přestaly svítit.

V průběhu stovek tisíc let evoluce se některé formy života naučily zkrotit, produkovat a využívat takzvané studené světlo. Studené proto, že jeho vznik bývá velice efektivní a jen málo investované energie je ztraceno ve formě tepla, tedy přesně naopak než u běžných svítidel. Tato výjimečná a nepřehlédnutelná schopnost, nazývaná Poseidonovy ohně, bludičky či odborně bioluminiscence, se vyskytuje spíše zřídka, ale zato napříč širokým spektrem organismů: od těch nejjednodušších, jako jsou bakterie a houby, přes bezobratlé – hmyz, korýše či žahavce – až po obratlovce – ryby a žraloky.

Bioluminiscence, tedy přeměna energie uložené v chemických sloučeninách na energii světelnou, svým nositelům pomáhá efektivně lovit, prchat z nebezpečných situací, umožňuje jim komunikovat, hledat partnera či se rozmnožovat a šířit – a to je důvod, proč tato schopnost zpočátku byla ve vědecké komunitě velkou záhadou. Jak je možné, že je tak nevšední? Proč je světélkujících druhů tak poskrovnu, přestože se bioluminiscence zdá velice výhodná pro přežití? Ukázalo se, že disponovat touto schopností je pro organismy podobné jako například pro člověka vlastnit velký bazén: na první pohled vše vypadá překrásně, avšak údržba je velice, velice nákladná. Světélkující organismy musí být vysoce specializované a odevzdané konkrétnímu způsobu života, který sice nabízí nevšední možnosti, avšak za cenu vysokého rizika a nejistoty.

Pro každý živý organismus je nezbytné dýchat, trávit a vnímat. Za všemi těmito a také mnohými dalšími procesy stojí a za nitky tahají vysoce efektivní biologické nástroje: enzymy, proteiny s funkcí biokatalyzátorů. Tyto látky umožňují průběh takřka všech pro život potřebných chemických reakcí, které by jinak byly nemožné anebo nevyužitelně pomalé. Průměrný organismus si těchto nástrojů vyrábí na třináct set různých druhů, každý pro jiný účel. I proces bioluminiscence je dílem enzymů, které se nazývají luciferázy.

Stejně jako nerozsvítíte žárovku bez elektřiny, i luciferázy potřebují nějaký zdroj energie. Pro tento účel musí světélkující organismy stále získávat a udržovat zásoby mimořádně energeticky bohaté látky, tzv. luciferinu, který pro luciferázu funguje jako palivo. Jakmile nastane pravá chvíle, luciferáza začíná luciferin oxidativně rozkládat, čímž se obrovské množství energie nastřádané v chemických vazbách uvolňuje a vyzařuje v podobě viditelného světla. Luciferin je ale energií natolik nabitý, že může mít sklony rozkládat se i spontánně, bez přičinění enzymu. Přitom se ale místo světelné energie uvolňuje téměř pouze nežádoucí teplo, a tím veškerá energie investovaná do biosyntézy luciferinu přijde vniveč. Organismy si tak musí zásoby svého luciferinu dobře zabezpečit, aby jím neplýtvaly, poněvadž na to je pro ně jeho výroba příliš drahá a vyčerpávající. Řada mořských světélkujících živočichů řeší tento problém způsobem, který zcela obchází nároky pro biosyntézu luciferinu – nevyrábí si jej, ale získává prostřednictvím potravy. V přírodě tak nacházíme velké množství různých luciferáz – každý bioluminiscenční druh si vyrábí svou vlastní – avšak spektrum luciferinů je omezené a stejný luciferin bývá společný pro více bioluminiscenčních druhů. Tato „lenost“ světélkujících organismů ztěžuje vědecký výzkum. Poněvadž luciferiny mezi svým vznikem a spotřebou mohou vystřídat několik organismů, je často velmi obtížné dopátrat se, ze které složky potravního řetězce daný luciferin pochází. Ten navíc v původním organismu vůbec nemusí sloužit jako palivo pro luciferázy, a kořeny jeho syntézy proto mohou zasahovat téměř kamkoliv.

Byť je v přírodě bioluminiscence spíše vzácná, fantazii se meze nekladou. Světélkující organismy pro luciferázy nalezly velice široké spektrum využití. Světélkující olihně mají obvod svého těla lemován bioluminiscenčními orgány a světlo využívají paradoxně k svému maskování. Bioluminiscencí maskují svoji siluetu, nevrhají proto stín a splývají se slunečním čí měsíčním světlem přicházejícím od hladiny, čímž se stávají prakticky neviditelné. Korýši rodu Vargula, takzvané mořské světlušky, využívají bioluminiscenci pro maskování svého úniku z nebezpečných situací; když nadejde čas, celé hejno třímilimetrových korýšů vypustí jak luciferin, tak luciferázu do mořské vody, čímž okolo sebe vytváří hypnotizující a stále se pohybující oblak zářivě modrého světla. Poněvadž se luciferáza a luciferin uvnitř těchto korýšů nikdy nesetkají, používali vysušená těla korýšů japonští vojáci za druhé světové války k produkci tlumeného světla pro čtení map. Výskyt bioluminiscenčního planktonu zároveň bývá významnou turistickou atrakcí a mnohé cestovní společnosti nabízejí noční koupání v zálivech osvícených jejich bioluminiscencí. Dokonce je možné si zakoupit i bioluminiscenční „domácí mazlíčky“ – akvária se svítícím planktonem, který ve dne získává energii fotosyntézou a v noci modře světélkuje.

Mořští ďasové používají studené světlo pro originální způsob hlubokomořského rybolovu. První paprsek jejich hřbetní ploutve je prodloužen do podoby antény, na jejímž konci se nachází lampionek, světélkující orgán. Ďasové svoji bioluminiscenci využívají v temných vodách jako návnadu pro nicnetušící kořist, a právě proto jsou ve svém prostředí vrcholovými predátory, i přes svou spíše menší velikost. Ryby světloočky mají pod svýma očima velké světelné orgány, které využívají mimo jiné pro zmatení predátorů při úhybných manévrech. Za bioluminiscenci světlooček i ďasů však nezodpovídají samy ryby, ale symbiotické bioluminiscenční bakterie, které obývají jejich světelné orgány. Tyto ryby tak nad svou bioluminiscencí nemají výhradní kontrolu a nemohou své orgány zhasnout. Přičiněním člověka se tak bioluminiscence může stát spíše prokletím nežli darem – trvalé světélkování světlooček si vojáci během arabsko-izraelských válek snadno spletli s útokem nepřátelských žabích mužů, pročež byla celá hejna těchto ryb zničena ponornými výbušninami.

Bioluminiscenční bakterie a jejich tendence spolupracovat s jinými organismy spíše než jim škodit se také zapsaly do lidské historie. Bitva u Shilohu byla jedním z nejvýznamnějších a nejkrvavějších střetů americké občanské války, kdy bylo během jediného dne zmařeno na tři tisíce životů a zraněno na šestnáct tisíc lidí; zdravotnický personál nevěděl, kam se dříve vrtnout, a řada raněných byla ponechána svému osudu v bažinaté krajině, ošetřená pouze zběžným výplachem ran. U některých zraněných se však stalo něco nevídaného – jejich rány se rozsvítily modrozeleným světlem, jemuž se mezi vojáky rychle začalo přezdívat „andělská záře“. Pro zraněné totiž znamenala spásu: svítící rány se nezanítily, rychle se hojily a zůstávaly po nich menší jizvy. Tomuto „zázraku“ dnes již rozumíme; záři způsobily symbiotické bioluminiscenční bakterie, které rány osídlily a neumožnily v nich růst jiným, nebezpečným patogenním mikroorganismům. Zmiňované bioluminiscenční bakterie běžně využívají vlastní svit pro svoji propagaci – osidlují mrtvou organickou hmotu a nadpozemskou září k ní lákají rozkladače, jejichž prostřednictvím se pak mohou rozšiřovat. Svým přenašečům zpravidla neškodí a využívají je jen jako dopravní prostředek.

Asi nejznámější světélkující organismy – světlušky – využívají svoje světlo jako prostředek komunikace, signalizují jím, že jsou připravené pro námluvy. Tím tento proces podstatně urychlují, a zkracují tak dobu své zranitelnosti, neboť kvůli páření musí opustit své úkryty. Období páření světlušek v našich končinách nastává obvykle na přelomu června a července, okolo svátku svatého Jana – a proto světluškám naše babičky neřeknou jinak než svatojánské mušky.

Celý článek na webu časopisu Vesmír⤵