ביולומינסנציה

בִּיּוֹלוּמִינֵסֶנְצִיָּיה^[1] (אוֹרוּת בִּיּוֹלוֹגִית^[2], הארה ביולוגית או נהורנות ביולוגית; באנגלית: Bioluminescence, מורכב מהמילים ביו-לומינסנציה, מהמילה היוונית bios שפירושה חי והמילה הלטינית lumen שפירושה אור) היא ייצור ופליטת אור על ידי אורגניזם חי כתוצאה מתגובה כימית שבה אנרגיה כימית הופכת לאנרגיית אור. תופעה זו היא גורם מרכזי באינטראקציות אקולוגיות ובעיקר תכונה אקולוגית חשובה באורגניזמים החיים בעומק הים. אורגניזמים ימיים משתמשים בהארה הביולוגית כבסיס לתפקודים פיזיולוגיים חשובים ואסטרטגיות שונות שעיקרן קשורות להגנה, מציאת טרף ותקשורת. קיים שימוש ביוטכנולוגי נרחב במגוון שדות מחקר החל מכימיה, מדעי הסביבה ועד לרפואה בחלבונים הקשורים בתגובת ההארה הביולוגית.

הארה ביולוגית מיוצרת על ידי תגובת כמולומיניסנציה (אנ'), שבה הפיגמנט לוציפרין (אנ') מחומצן על ידי האנזים לוציפראז. ביולומינסנציה היא צורה של פליטת אור או יצירת "אור קר"; פחות מ-20% מהאור מיוצר על ידי קרינה תרמית. באורגניזמים ימיים, רוב פליטת האור שייכת לחלקים הכחולים והירוקים של ספקטרום האור, שלהם יש את החדירה הטובה ביותר במים. עם זאת, ישנם דגים מסוימים שפולטים אור אדום ותת-אדום.

אין לבלבל תופעה זו עם תופעות אור דומות:^[3]

• פלורסצנטיות – תופעה בה אנרגיה ממקור אור חיצוני נקלטת, ומשוחררת מיד באורך גל ארוך יותר.
• פוספורסצנציה – תופעה בה אנרגיה ממקור אור חיצוני נקלטת, ומשוחררת זמן מה לאחר מכן באורך גל ארוך יותר.

ניתן למצוא אורגניזמים עם יכולות הארה ביולוגית בבתי גידול יבשתיים כמו גם במים^[4]. ביולומינסנציה נפוצה בעיקר באורגניזמים שחיים במים עמוקים יותר בהשוואה לרמות נמוכות במינים בינתיים או רדודים. בערך 76% מהאורגניזמים הימיים בים העמוק, כולל סרטנים, צורבים, ראש-רגלאים, תולעים שונות, דגים וחיידקים הם בעלי יכולות הארה ביולוגיות. התופעה כמעט לא קיימת בסביבת מים מתוקים (פרט ללרוות של חרקים מסוימים) ויחסית נדירה בסביבה יבשתית שם מספר מוגבל של אורגניזמים מפיקים אור כשהידועים בהם הן גחליליות. אך בסביבה הימית קיים מגוון עצום של אורגניזמים מפיקים אור. הרוב המכריע של האורגניזמים המאירים ביולוגית חיים באוקיינוס; מתוך יותר מ-700 סוגים הידועים כמכילים מינים זוהרים, כ-80% הם ימיים^[5]. מינים אלה תופסים מגוון רחב של בתי גידול, ממי הקוטב, מים טרופיים ועד קרקעית הים^[6].התופעה נפוצה מבחינה אבולוציונית וגאוגרפית בכל האוקיינוסים, ומופיעה אצל דגים, טוניקטים, קווצי עור, פרוקי רגליים, צורבים, תולעים ימיות ממחלקות שונות, רכיכות וחיידקים בסביבות פּלאגיות ובסביבות חופיות^[6]. עם זאת, הארה ביולוגית בים בדרך כלל נפוצה יותר באורגניזמים החיים בסביבת הים העמוק ובעלי חיים פלנקטוניים ופלאגיים מאשר במינים בנטיים או רדודים^[6]. בקרב חולייתנים התופעה התפתחה רק בדגים סחוסיים וגרמיים המאכלסים סביבות ימיות, כאשר יותר מ-80% מהם מוגבלים לים העמוק^[6][7].

התופעה התפתחה באופן עצמאי באבולוציה מספר רב של פעמים באורגניזמים שונים במנגנון של אבולוציה מתכנסת. קיימות מגוון השערות על הבסיס האבולוציוני של התופעה. חלקן מציעות שהמקור קשור לחילוף חומרים או לסילוק נגזרות חמצן מזיקות בתאי האורגניזמים וההארה הייתה תופעה נלווית לתהליך. משוער שבסביבות מסוימות כמו הים העמוק להארה היה יתרון, ולחצי סלקציה (אנ') ותחרות בסביבה הייחודית עודדו פיתוח אסטרטגיות שונות ומגוונות ופיתוח מורפולוגיות מתמחות למטרות הארה.

אף על פי שהארה ביולוגית היא תהליך אנרגנטי יקר לאורגניזם^[8] התופעה נפוצה בקרב מגוון אורגניזמים^[6]. הארה ביולוגית התפתחה שוב ושוב על פני עץ החיים, החל מחיידקים חד-תאיים ודינופלגלטים ועד פטריות, מדוזות, חרקים וחולייתנים^[6][9]. קיימים מספר מקרים של התפתחות התופעה במספר אורגניזמים החל מחיידקים ועד דגים. כל המקרים עצמאיים לחלוטין זה מזה, ומראים דפוס של אבולוציה מתכנסת^[10][11]. ההשערה הרווחת היא שמערכות הארה ביולוגית חיידקיות היו בין הראשונות להתפתח בטבע. מחקרים בגנומיקה השוואתית הראו כי כל החיידקים הזוהרים חולקים רצף גנים משותף: אופרון הלוקס המקודד לביוסינתזה של לוציפראז שמור מאוד ומופיע בחיידקים מנישות אקולוגיות שונות מאוד, דבר המרמז על יתרון סלקטיבי חזק למרות העלויות האנרגטיות של הפקת אור.

מספר מאפיינים של הסביבה הימית איפשרו את האבולוציה של ההארה הביולוגית: הסביבה הימית היא ייחודית, עם תנאי סביבה יחסית יציבים לאורך זמן, דבר שאיפשר היסטוריה אבולוציונית ארוכה ללא הפרעה. צלילות מי האוקיינוס מאפשרת חדירות טובה של אור מבחינה אופטית בהשוואה לנהרות ואגמים, וחלקים נרחבים מבית הגידול מקבלים אור עמום עד חלש מאוד או שרויים בחשיכה מתמשכת ויציבה ללא חדירות של אור שמש. בנוסף, בית הגידול הענק מאפשר אינטראקציות בין מגוון עצום של אורגניזמים ממערכות ומחלקות שונות, כולל אינטראקציות טורף, טפיל וטרף. הארה ביולוגית היא צורת תקשורת בולטת בים, עם השפעות אקולוגיות נרחבות וזרימת החומר דרך רשת המזון^[12]. התנאים הייחודים הללו עודדו תחרות ולחצי סלקציה שאיפשרו התפתחות של פונקציות ואסטרטגיות שונות שהבסיס להן הוא הארה ביולוגית.

לתופעת ההארה הביולוגית מגוון של צבעים, עוצמות וקינטיקה. מדידות של ספקטרום פליטת אור ביולוגי חשפו פלטת גוונים המשתרעת על פני כל הטווח הנראה^[13]. מכיוון שרוב התופעה התפתחה באוקיינוס הפתוח, רוב ספקטרום הפליטה הנראה באורגניזמים הוא אורות כחולים, אור כחול הוא בעל אורך הגל העובר הכי רחוק במי הים^[13]. ירוק הוא הצבע הנפוץ הבא, והוא נמצא לעיתים קרובות יותר במינים חוף רדודים וקרקעיים, אולי בגלל שעכירות מוגברת של חלקיקים במים מפזרת אור כחול ויוצרת עדיפות להעברת אורכי גל ארוכים יותר^[14]. סגול, צהוב, כתום ואדום מתרחשים רק לעיתים רחוקות, וברוב המקרים הללו תפקידם נותר מעורפל אך קיימת השערה שמינים מסוימים של בעלי חיים בים העמוק לא מסוגלים להבחין באור אדום לכן ייתכן שיש יתרון למינים מסוימים שמפיקים אור זה, בעיקר כדי להימנע מטורפים או לחפש טרף^[15]. קינטיקה של פליטת האור נעה בין זוהר מתמשך אצל חיידקים לבין הבהובים קצרים עד 43 אלפיות השנייה מאיברי אור של דג ממשפחת האורנוניים^[16].

הארה ביולוגית מתרחשת כאשר החמצון של המולקולה לוציפרין מזורז על ידי האנזים לוציפראז ליצירת מצב מעורר הפולט אור. לזוגות הלוציפרין-לוציפראז השונים יש אורכי גל שונים של פליטת אור^[6]. ישנן יותר מ-40 מערכות הארה ביולוגיות ידועות, אך המבנים של לוציפרין ולוציפראז הובהרו רק עבור 11 מהן. אחד ממבני הלוציפרין המוקדמים ביותר שהובהרו היו אלה של D-luciferin שנמצאו בגחליליות, שדווחו במאה ה-19. גילוי זוגות לוציפרין-לוציפראז חדשים הוא תחום מחקר פעיל^[17].

האור המופק ביולוגית מקורו משני סוגים עיקריים של מערכות: מערכות ביולוגיות המורכבות מאנזימי לוציפראז וסובסטרט לוציפרין, ופוטופרוטאינים (אנ') שבהם הכרומופור פולט האור הוא חלק מהחלבון עצמו ופליטת האור מופעלת על ידי שינויים בסביבת החלבון^[9]. מערכות מסוימות דורשות גם אנרגיה בצורה של ATP או NADH.

מבין שני המרכיבים העיקריים בתגובה הכימית של ההארה הביולוגית, הלוציפרינים שמורים אבולוציונית על פני מחלקות וקבוצות. ידועים ארבעה לוציפרינים שאחראים לרוב ייצור האור באוקיינוס. בעוד שלוציפרינים הם שמורים, לוציפראזים ופוטופרוטאינים הם ייחודיים ונגזרים משושלות אבולוציוניות רבות^[9]. התגובה הכימית המעורבת בהארה הביולוגית חייבת להיות אנרגטית מספיק כדי לייצר מצב מעורר של המולקולה שיצור פוטון כשהמולקולה חוזרת בחזרה למצב הלא מעורר שלה (בניגוד לפלורסצנטיות ופוספורסצנציה התלויות בספיגה של פוטונים). ברוב המקרים, הארה מיוצרת על ידי האורגניזמים עצמם על ידי תגובה ביוכימית שמתרחשת אנדוגנית בתאי בעלי החיים למשל בדגי גרם מקבוצת הכליל-גרמיים^[7][6]. קיימים גם בעלי חיים מאירים שמקור ההארה שלהם מושג על ידי חיידקים סימביונטים שמאוחסנים ברקמות שלהם, למשל, בדגים ממשפחת החכאים המשתמשים בהארה כפיתיון^[6]. בהארה ביולוגית בחיידקים, שני סובסטרטים פשוטים FMNH2 ו - RCHO מתחמצנים על ידי חמצן מולקולרי ולוציפראז. האלדהיד נצרך במהלך התגובה אך מסונתז ברציפות על ידי החיידקים, וכתוצאה מכך נוצר זוהר מתמשך^[18]. בנוסף, קיימים בעלי חיים שמשתמשים בשני סוגי ההארה האנדוגנית והחיידקית, למשל Linophryne oronate‏^[6].

חיידקים מאירים שייכים בעיקר לקבוצת Gammaproteobacteria, והם מוגבלים לשלושה סוגים Vibrio (אנ'),‏Photobacteriu (אנ') ו-Xenorhabdus (אנ'). מבין אלה, Vibrio ו-Photobacterium נמצאים בעיקר במערכות אקולוגיות ימיות, ואילו Xenorhabdus מאכלס בתי גידול יבשתיים^[19]. כל מערכות ההארה של חיידקים דומות בדיוק מבחינת הביוכימיה, כלומר, כולן מסתמכות על אותן הרכיבים^[20]. בעלי חיים רבים משתמשים במקור ההארה הביולוגית החיידקי וצוברים את החיידקים המאירים בגופם במערכת המשוערת כסימביוטית. מנגנון ההארה של החיידקים מסייע להיפטר מנגזרות חמצן מזיקות המיוצרות ברקמה המארחת. החיידקים הסימביוטיים מתקבלים מהסביבה החיצונית, והמארחים מראים מידה מסוימת של סלקטיביות כלפי הסימביונט^[21].

במקרה של חיידקים זוהרים היוצרים סימביוזות ספציפיות עם דגים ימיים ודיונונים מסוימים, הערך האדפטיבי של פליטת האור ניכר בדרך כלל בזה שהחיידקים מספקים למארח אור שניתן להשתמש בו כדי למשוך טרף, להתחמק מטורפים או למשוך בן זוג, בעוד המארח מספק לחיידקים סביבת גידול אידיאלית^[22]. עבור חיידקים חופשיים שלא חיים בסמביוזה ובכל זאת פולטים אור, ההשערה המקובלת ביותר היא שחיידקים זוהרים הגדלים על מצעים אורגניים מסוימים עשויים לשמש כחומר משיכה, ולגרום לצריכת החומר על ידי בעלי חיים ובכך להחדיר את החיידקים למעי העשיר בחומרי מזון של בעל חיים^[6].

להארה הביולוגית יש תועלות פונקציונליות רבות מלבד סילוק רדיקלים חופשיים שהוצע כמקור אבולוציוני. עיקר הפונקציות המשוערות מתחלקות לקטגוריות של הגנה, מציאת טרף ותקשורת. התועלת הפונקציונלית של התופעה בסביבה הימית קשורה בהתמחויות מורפולוגיות מגוונות החל מאיברים המשמשים כפתיונות ועד סידורים מורכבים של פוטופורים (אנ') – בלוטות מפיצות אור – המסייעים בהסוואה, הגנה, טריפה ותקשורת^[9][6].

פונקציית ההגנה היא בעלת השימוש הנפוץ ביותר בבעלי חיים פולטי אור, ההנחה היא שפליטת האור מבהילה את הטורפים^[23].

בעלי חיים מסוימים משחררים את הכימיקלים פולטי האור שלהם למים, ומייצרים עננים או חלקיקי אור המשמשים להסיח את דעתו של טורף או לעוור אותו^[12]. כאשר בעל החיים מפריש את הרכיבים המאירים התצוגה יכולה להופיע במספר צורות כמו מסך עשן, ענן של ניצוצות או נוזל זוהר שמקשה על הטורף לעקוב אחר מיקום הטרף הנמלט שלו. התנהגות זו נצפית אצל מגוון בעלי חיים כמו חסילונים, דגים מסוימים וסיפונופורות^[13] כמו כן גם אצל הדיונון הערפדי שפולט ענן של הפרשות זוהרות מקצות זרועו^[24]. בעלי חיים אחרים מסמנים את הטורפים שלהם בפליטות זוהרות, מה שהופך אותם למטרות קלות לטורפים משניים^[6] או לחלופין, כאשר נלכדים על ידי טורף, חלק מהטרף הזוהר מייצר תצוגות בהירות המושכות טורפים משניים שיתקפו את התוקף הראשון, ובכך יעניקו להם הזדמנות לברוח^[9].

דוגמה נוספת לפונקציית ההגנה היא השימוש הנרחב בהארה למטרות הסוואה, בתהליך הנקרא תאורה נגדית, לפיו צללית של בעל חיים מוחלפת באור ביולוגי בעל צבע, עוצמה ופיזור זוויתי דומים לאור הסביבה שמעליהם. שימוש מסוג זה באור ביולוגי נפוץ בקרב דגים, סרטנים ודיונונים המאכלסים את מעמקי האזור המזופלאגי של האוקיינוס, שם לטורפים רבים יש עיניים הפונות כלפי מעלה המותאמות לאיתור צלליות הטרף^[25]. צורה זו של הסוואה כוללת שימוש בפוטפורים גחוניים כדי להתאים לאור העמום המגיע מעמודות המים העליונות ובכך לטשטש את הצללית הפוטנציאלית ואף להעלים אותה^[25].

הפקת אור עשויה לשמש גם כאזהרה לטורפים על ידי תצוגה בולטת^[6]. ביבשה, מקובלת ההשערה על פיה צבע בהיר יכול להכריז על רעילות של אורגניזם ולהרתיע טורפים^[26]. מנגנון דומה הוצע עבור אורגניזמים ימיים רבים, כולל תולעים, מדוזות וקווצי עור^[25] אם כי מנגנון זה הוצע בעיקר בניסיון להסביר את ההארה הביולוגית שנפוצה מאוד במחלקת הצורבים שמכילה הרבה מינים ארסיים.

משיכה של טרף באמצעות פליטה של אור כפיתיון נפוצה בעיקר בדגים, במיוחד בדגי חכאי, המשתמשים בחיידקים זוהרים כדי לייצר זוהר ארוך הנשלט על ידי שינוי התנאים באיבר האור שבו נמצאים החיידקים^[27]. לסוגים רבים של דגים ממשפחת הלועיתיים יש גם פתיונות דמוי מחוש זוהר באזור הלסת התחתונה, אם כי מקור ההארה הוא אנדוגני ולא מערב חיידקים כמו בדגי חכאי. לדיונון מסוג Chiroteuthis יש איברי אור מיוחדים העשויים לשמש כפתיונות המשתלשלים בקצה של מחושים ארוכים התלויים כמו חוטי דיג^[28] אסטרטגיה דומה גם מוצעת בצורבים, למספר מינים של הסיפונופורה Errena במעמקי הים יש זרועות שעברו שינוי רב עם פתיונות זוהרים שמתנפנפים למעלה ולמטה ליד זרועות הארס שלהם. במין אחד, הפיתיון הביולוגי מאיר באור אדום^[29] דוגמה נוספת לפונקציה של השגת טרף היא שימוש בהבזקי אור בהיר על ידי אורגניזמים כדי להמם או לבלבל טֶרֶף. למשל הדיונון ממין Taningia danae שפולט אור מהבהב תוך כדי תקיפה של טרף^[30]. הלועיתיים הם דוגמה נוספת לשימוש בהארה ביולוגית למטרות טריפה. משוער שהם משתמשים בבלוטות פולטות אור אדום מתחת לעיניים שלהם כדי לסייע בחיפוש חזותי אחר טרף שלא מסוגל לראות את האור האדום. מיקומו של איבר האור ממש מתחת לעין והרגישות הבלתי רגילה של העין לאורך הגל תומכים בהשערה זאת. כך נוצר מצב ייחודי בו הטורף משתמש בהארה כדי לאתר את הטרף שלו אבל הטרף לא מסוגל להבחין באור^[31].

פונקציה נוספת היא שימוש באור למטרת תקשורת בתוך מינים. מחקרים מסוימים קישרו את סוג התקשורת הזה למטרות רבייה^[32]. מספר מחקרים על צדפונאים הראו דפוסי איתות ספציפיים למין, והתנהגות חיזור מורכבת המעורבת בפליטת אור^[33]. קיימות דוגמאות ממחקרים אחרים שמצאו תצוגות פליטת אור קבוצתית מסונכרנת אצל אורגניזמים פולטי אור. המחקרים הללו התבצעו למשל על תולעים ימיות ותמנונים פלאגיים ממין Japetella ו-Eledonella ‏^[34]. מחקרים אחרים הראו דימורפיזם זוויגי מבוסס זוהר בדגים עם יכולות הארה ביולוגית^[35]. נוכחות של דפוסי פוטופור ספציפיים למין ודימורפיזם מיני מרמזים על כך שהאורגניזמים משתמשים בתכונות אלה כדי להבחין זה בזה ולתקשר זה עם זה ולאתר אחד את השני למטרות רבייה^[32].

קיים שימוש ביוטכנולוגי נרחב במגוון שדות מחקר החל מכימיה, מדעי הסביבה ועד לרפואה בחלבונים הקשורים בתגובת ההארה הביולוגית. רכיבי הארה ביולוגית משמשים באופן שגרתי עבור מבחני גנים, זיהוי של אינטראקציות חלבון-חלבון, גילוי תרופות, בקרת גנים, ניתוח זיהום במערכות אקולוגיות. הדגשים העדכניים יותר של יישומי הארה ביולוגית בביו-רפואה כוללים בין היתר שיטות לא פולשניות באבחון מצבים פתולוגיים כמו איתור סרטן^{[36][37][38][39]}.

"אש השועל" (מוכרת גם בשמות "זוהר הפיה ו"אש הפיה") היא תופעת טבע שבה מפיקים מיני פטריות מסוימים אור עמום בגווני ירוק וכחול. זו מופקת מהריקבון העצים עליהם הן שוכנות (הן מופיעות גם על גבי הקרקע או גזעים ישנים באזורים הלחים של היער). אש השועל מופיעה ביער כאשר מזג האוויר מתקרר עם בוא הסתיו (אצל רוב המינים).

דינופלגלטים – באזורים הסובלים מרעשים ססמיים נצפו גלים בוהקים, מערבולות זוהרות ו"זיקוקים" על פני הים' ובאזורים טרופיים דיווחו ספנים על "ים זוהר"/ הגורמים לתופעות הללו, הם דינופלגלטים, אצות חד תאיות, שפולטות אור בתגובה לטלטול ולערבול של המים.

"ים של כוכבים" – היא תופעה שבה פִיטוֹפְּלַנְקְטוֹנים (סוג של פלנקטון) הנקראים לינקולודיניום פוליידרום (Lingulodinium polyedrum), מפיקים אור כשהם פוגשים בחמצן או כשמופעל עליהם לחץ על ידי הגלים. תופעה זו קורית בחופי ים ותועדו באיים המלדיבים, סאן-דייגו בקליפורניה, ארצות הברית ועוד. התופעה זכתה לכינוי "ים של כוכבים" משום שבעיני רבים, הנקודות הזוהרות הזעירות המופיעות בלילה נראות כהשתקפות של הכוכבים בשמיים.

האורות הירוקים שבמערות ואיטומו – מדובר בתולעים מאירות. התולעים הזוהרות והזעירות הללו הן בקושי בעובי של אטרייה. התולעים, שאורכן הוא כ-3 סנטימטרים, מפרישות מעין קורים המזכירים קורי עכביש. החומרים שהן מפרישות מגופן מאירים ויוצרים את האור הקסום. מטרת התאורה הזו היא למשוך חרקים זעירים שנלכדים בקורים ומזינים את התולעים הזורחות.

• GFP - חלבון המאיר תחת הארה באור על סגול. שימושי מאוד בעולם הביוטכנולוגיה.
• חלבון קולט אור

• פרופ' רחל גלון, החיים הזוהרים: על גחליליות ומאירים אחרים, באתר הספרייה הווירטואלית של מטח
• חיידקים מאירים בבדיקת איכות מים ושפכים
• הודעות לעיתונות, אור לדגים: חוקרים מהאוניברסיטה העברית מצאו את הסיבה לזהירת חיידקים בים, 02 בספטמבר 2012, באתר האוניברסיטה העברית
• ComGeek, ביולומיניסציה - האור של הטבע, יוטיוב, 26 בספטמבר 2018
• ורד שפירא, להאיר באור גדול, במדור "מדע במבט-על" באתר של מכון דוידסון לחינוך מדעי, 6 בדצמבר 2018
• ביולומינסנציה, באתר אנציקלופדיה בריטניקה (באנגלית)
• פליטת אור, דף שער בספרייה הלאומית