Onderzoek legt uit hoe een eencellig marien organisme licht genereert als reactie op mechanische stimulatie, brekende golven 's nachts oplichten.

Om de paar jaar, een bloei van microscopisch kleine organismen, dinoflagellaten genaamd, transformeert de kusten over de hele wereld door brekende golven een angstaanjagende blauwe gloed te geven. De spectaculaire bloei van dit jaar in Zuid-Californië was een bijzonder treffend voorbeeld. In een nieuwe studie gepubliceerd in het tijdschrift Fysieke beoordelingsbrieven , onderzoekers hebben de onderliggende fysica geïdentificeerd die resulteert in lichtproductie in één soort van deze organismen.

Het internationale team, geleid door de Universiteit van Cambridge, ontwikkelde unieke experimentele tools op basis van micromanipulatie en high-speed beeldvorming om de lichtproductie op eencellig niveau te visualiseren. Ze lieten zien hoe een eencellig organisme van de soort Pyrocystis lunula een lichtflits produceert wanneer de celwand wordt vervormd door mechanische krachten. Door systematisch te experimenteren, ze ontdekten dat de helderheid van de flits afhangt van zowel de diepte van de vervorming als de snelheid waarmee deze wordt opgelegd.

Bekend als een 'visco-elastische' reactie, dit gedrag wordt gevonden in veel complexe materialen zoals vloeistoffen met gesuspendeerde polymeren. In het geval van organismen zoals Pyrocystis lunula, bekend als dinoflagellaten, dit mechanisme is hoogstwaarschijnlijk gerelateerd aan ionkanalen, Dit zijn gespecialiseerde eiwitten die op het celmembraan zijn verdeeld. Als het membraan onder spanning staat, deze kanalen openen zich, waardoor calcium tussen compartimenten in de cel kan bewegen, het triggeren van een biochemische cascade die licht produceert.

"Ondanks decennia van wetenschappelijk onderzoek, voornamelijk op het gebied van biochemie, het fysieke mechanisme waarmee vloeistofstroom de lichtproductie veroorzaakt, is onduidelijk gebleven, " zei professor Raymond E. Goldstein, de Schlumberger-hoogleraar Complexe Fysische Systemen bij de afdeling Toegepaste Wiskunde en Theoretische Fysica, die het onderzoek leidde.

"Onze bevindingen onthullen het fysieke mechanisme waarmee de vloeistofstroom de lichtproductie veroorzaakt en laten zien hoe elegant besluitvorming kan zijn op eencellig niveau, " zei Dr. Maziyar Jalaal, de eerste auteur van de krant.

Bioluminescentie is al duizenden jaren interessant voor de mensheid, zoals het zichtbaar is als de gloed van nachtelijke brekende golven in de oceaan of de vonk van vuurvliegjes in het bos. Veel auteurs en filosofen hebben geschreven over bioluminescentie, van Aristoteles tot Shakespeare, die in Hamlet schreef over het 'ondoelmatige vuur' van de glimworm; een verwijzing naar de productie van licht zonder warmte:

"...
Om haar te prikken en te steken. Het ga je dadelijk goed.
De glimworm laat zien dat de matin dichtbij is,
En 'gins om zijn ondoeltreffende vuur te verbleken.
Adieu, Adieu, Adieu. Onthoud me."

De bioluminescentie in de oceaan is, echter, niet 'oneffectief'. In tegenstelling tot, het wordt gebruikt voor verdediging, overtreding, en paren. In het geval van dinoflagellaten, ze gebruiken lichte productie om roofdieren af ​​te schrikken.

De resultaten van de huidige studie laten zien dat wanneer de vervorming van de celwand klein is, de lichtintensiteit is klein, hoe snel de inkeping ook wordt gemaakt, en het is ook klein wanneer de inkeping groot is maar langzaam wordt aangebracht. Alleen wanneer zowel de amplitude als de snelheid groot zijn, wordt de lichtintensiteit gemaximaliseerd. De groep ontwikkelde een wiskundig model dat deze waarnemingen kwantitatief kon verklaren, en ze suggereren dat dit gedrag kan fungeren als een filter om te voorkomen dat onechte lichtflitsen worden geactiveerd.

Ondertussen, de onderzoekers zijn van plan om de verdeling van krachten over de hele cellen in de vloeistofstroom meer kwantitatief te analyseren, een stap naar het begrijpen van de lichtvoorspelling in een mariene context.

Andere leden van het onderzoeksteam waren postdoctoraal onderzoeker Hélène de Maleprade, bezoekende studenten Nico Schramma van het Max-Planck Instituut voor Dynamiek en Zelforganisatie in Göttingen, Duitsland en Antoine Dode van de Ècole Polytechnique in Frankrijk, en gasthoogleraar Christophe Raufaste van het Institut de Physique de Nice, Frankrijk.