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Bioluminiscencia vs. biofluorescencia.
Al igual que una sola célula, el carácter de nuestras vidas no está determinado por nuestros genes, sino por nuestras respuestas a las señales ambientales que impulsan la vida.
Bruce H. Lipton
Muchos de los conceptos en biología actualmente están obsoletos y los futuros biólogos tendrán que redefinirlos, a ser posible evitando la estructura basada en los antiguos dogmas. Otros conceptos son tan recientes para la ciencia, que apenas llegamos a entender parte del puzzle. Y otros, que ya pensábamos que estaban bien definidos, las nuevas aportaciones científicas hacen que todo se tambalee de nuevo.
Si hablamos de fotoluminiscencia o biofluorescencia, mecanismos tan antiguos como la propia vida en la Tierra, a día de hoy seguimos sorprendiéndonos con descubrimientos interesantes y lo increíble que es la vida y como se abre camino en la naturaleza. Evidentemente, nuevos hallazgos implican no sólo aportaciones al gran puzzle, sino más preguntas que quedan por responder, añadiendo nuevas piezas.
Este es el caso de la luz que vemos o no en los organismos, en todos los niveles. Una veces producida por ellos mismos, otras en simbiosis, otras simplemente absorción y emisión de ondas. Nosotros mismos emitimos fotones de luz, sí como has leído. El cuerpo humano emite luz pero es imperceptible por el ojo humano, curiosamente las zonas que más brillan son nuestros labios y mejillas, y además, nuestro brillo va cambiando de intensidad a lo largo del día, acoplado perfectamente a nuestro ritmo circadiano. (1)
Ahora bien, ¿cómo se define el concepto de bioluminiscencia?. Se trata de un proceso a través del cual los organismos vivos producen luz y se produce como resultado de una reacción bioquímica, en realidad, se trata de una conversión directa de la energía química en energía lumínica.
La reacción bioquímica es, en resumen, un sistema de luciferina-luciferasa, molécula y enzima que en presencia del oxígeno se oxida y se libera energía lumínica, pero no calórica. La radiación bioluminiscente se compone habitualmente de entre un 69% y un 90% de luz fría y entre un 10% y un 20% de emisión de calor, aunque hay ciertos estudios que hacen estimaciones cercanas al 100% de luz fría. (2)
Cuando pensamos en organismos bioluminiscentes nos viene a la memoria lo que una vez nos contaron en la escuela, esos gusanitos que emiten luz, las luciérnagas. Si a lo largo de nuestra vida hemos sentido curiosidad o inquietud por la biología, o bien por nuestras propias experiencias, añadiremos a las algas que iluminan el océano, el krill, o las bacterias y hongos. Quizás porque son las más visibles o las que mayor difusión han tenido. La realidad de nuestra biosfera nos muestra otra cara, desde organismos unicelulares a pluricelulares y en casi todos los reinos y en todos los ambientes, vemos que este proceso tiene lugar.
Este fenómeno ocurre en todos los niveles biológicos, tal y como hemos comentado. Bacterias, hongos, protistas unicelulares, plantas, celentéreos, gusanos, moluscos, cefalópodos, crustáceos, insectos, equinodermos, peces, tiburones y medusas. La naturaleza es eficiente, esto es una muestra de que un mismo recurso en tantos niveles puede tener, y tiene, muchas funciones biológicas-ecológicas potenciales distintas, y no únicamente aquellas que ya sabemos.
Pero ¿de qué le sirve a un organismo esa emisión de luz?¿cuál es la posible función biológica?
Resulta que para muchos animales sirve como referencias sexuales (dimorfismo sexual) y ayuda en el emparejamiento, como en las famosas luciérnagas; en otros funciona a modo de señuelo como el caso de algunos pejesapos; y en otros como defensa para confundir a los depredadores como algunos cefalópodos y gusanos. Un caso curioso es el resplandor rojo que emite el dragonfish negro, esta adaptación les permite visualizar especies juveniles en el fondo oceánico que de otra forma serían invisibles.
La naturaleza aprovecha el mismo recurso para distintos fines, algunas de las posibles funciones asociadas a la bioluminiscencia son el camuflaje, el cortejo y la reproducción, la atracción de presas, la defensa y distracción frente a depredadores, la comunicación e iluminación. (2)
Tenemos que mencionar que no toda la bioluminiscencia es igual, ya que podemos distinguir 3 tipos distintos:
- La intracelular que es generada por células especializadas del propio cuerpo de algunas especies pluricelulares o unicelulares.
- La extracelular que se genera a partir de la reacción entre la luciferina y la luciferasa fuera del organismo. Una vez sintetizados, ambos componentes se almacenan en glándulas diferentes en la piel o bajo esta.
- Con bacterias luminiscentes simbióticas que se almacenan en fotóforos y se conoce sólo en animales marinos. Los fotóforos se suelen modular a través del sistema nervioso del propio animal, controlando la emisión lumínica y la intensidad a voluntad.
De la misma forma que encontramos lugares distintos en donde se genera la reacción bioquímica, la molécula luciferina cambia según el organismo, por lo que el color de la luz que se produce en la bioluminiscencia será diferente según la especie. Se sabía por investigaciones previas que el color estaba en el espectro visible del verde al azul, pero recientemente se han descubierto especies como la medusa abisal Periphylla periphylla que puede producir tonalidades rojizas.
Además, los científicos somos conscientes de que hay muchas otras reacciones emisoras de luz aún sin descubrir, principalmente en los océanos. Como curiosidad podemos comentar que mientras las luciferinas, las proteínas, se conservan, la luciferasa (enzima) y las fotoproteínas son únicas y derivan de muchos procesos evolutivos.
De hecho, en la naturaleza existen 5 luciferinas diferentes: la firefly luciferina proteína que encontramos en las luciérnagas; la luciferina bacteriana en bacterias, algunos cefalópodos y peces; la luciferina de dinoflagelados, proteína derivada del pigmento clorofila al igual que la luciferina del krill, muy similar a la anterior; la vargulina, proteína que podemos encontrar en algunos peces abisales y ostrácodos y finalmente, la coelenterazina (vinculada a la aecuorina), que se encuentra en los radiolarios, ctenóforos, cnidarios, calamares, copépodos, quetognatos, peces y camarones (3,4,5).
Si nos quedamos con el mundo marino vemos que la bioluminiscencia cobra vital importancia en un mundo, donde a medida que aumenta la profundidad los rayos solares van perdiendo intensidad y son filtrados de manera que a tan solo 6 metros de profundidad el color rojo de nuestro espectro visible ya no está presente.
Respecto a números, se conocen al menos 1.500 especies de peces que son bioluminiscentes, incluyendo tiburones y peces demonio, y cada día aparecen descritas nuevas especies bioluminiscentes. Los peces más llamativos son los peces abisopelágicos como los lofiformes, cuyas hembras tienen un cebo de carne brillante que atrae a las presas para que se acerquen y capturarlas más fácilmente. También es conocido el caso de los calamares hawaianos que se iluminan con bacterias bioluminiscentes en simbiosis, cuya función es de camuflaje (la luz emitida los camufla contra la luz de la luna en la superficie eliminando su sombra, ocultándolos así de los depredadores).
La especie de ctenóforo Mnemiopsis leidyi posee fotóforos dentro de su campana que refractan la luz produciendo un arcoiris brillante espectacular, que sorprende a sus depredadores, otra gran maravilla de la naturaleza.
El caso de los tiburones es también curioso, el 10% de la totalidad de las especies son bioluminiscentes, entre ellas encontramos al tiburón más pequeño del mundo, el tiburón linterna que con solo 15 centímetros se autopromociona utilizando fotóforos en torno a sus órganos reproductivos. En lado opuesto aparece el vertebrado bioluminiscente más grande conocido hasta el día de hoy, se trata de la especie de tiburón Dalatiidae licha con casi 2 metros de longitud (6).
En relación al mundo dulceaquícola, de momento solo se ha encontrado un animal bioluminiscente, el caracol Latia neritoides (similar a una lapa) autóctono de Nueva Zelanda, el cual emite una baba brillante si lo molestan. Si nos quedamos en esta región geográfica (Australia y Nueva Zelanda) podemos encontrar a la larva de Arachnocampa flava, una pequeña mosca que produce unos hilos pegajosos bioluminiscentes para atraer y capturar a presas desafortunadas (7).
Nos podríamos preguntar ¿por qué no brillan los peces en agua dulce?, al parecer según los biólogos marinos, el motivo es simple, muy pocos peces bioluminiscentes pueden tolerar la baja salinidad (8).
Y si hablamos de biofluorescencia ¿a qué nos estamos refiriendo?
La biofluorescencia es una forma de fotoluminiscencia, que ocurre cuando parte de un ser vivo absorbe y emite radiación en forma de energía luminosa en una longitud de onda más larga. Aunque no es evidente para el ojo humano, la biofluorescencia se puede detectar utilizando una fuente de luz UV-A con un rango de 320-390 nm.
Principalmente se ha detectado biofluorescencia en varios organismos crepusculares nocturnos, desde invertebrados hasta aves y mamíferos, incluyendo el ornitorrinco monotrema (Ornithorhyncus anatinus), las zarigüeyas marsupiales (Didelphidae), los wombats (Vombatidae), equidnas (Tachyglossidae), peramélidos (Peramelidae), macrotis (Thylacomyidae), algunos murciélagos y las ardillas voladoras placentarias del Nuevo Mundo (Gluacomys spp.).
Y si ya existe el recurso de la bioluminiscencia, ¿por qué entonces existe la biofluorescencia?. Está claro que son parecidos en cuanto a sus posibles funciones, pero dado que el origen es distinto, ¿será que aquellos organismos que no pudieron sintetizar la proteína luciferina o no entraron en simbiosis con bacterias, nunca consiguieron disponer de esa valiosa información?, Información disponible que ya tenía la naturaleza empleando por ejemplo la transferencia horizontal de genes. ¿Pudiera ser que fueran recursos en simultáneo?, es decir, frente a una necesidad ambiental surgen al mismo tiempo dos soluciones o caminos en paralelo.
Y nos hacemos de nuevo la misma pregunta, ¿para qué sirve?
En la bibliografía siempre se habla de que la biofluorescencia es un mecanismo de comportamiento que guarda relación con posibles interacciones de señalización sexual, intimidación o comportamientos defensivos, o también como una forma de mimetismo o incluso como una función depredadora.
La función en los mamíferos sigue siendo esquiva. Hasta la fecha, la biofluorescencia se ha documentado en mamíferos nocturnos crepusculares y fosoriales (adaptados a la vida excavadora y de cuevas) que están activos en condiciones de poca luz (9, 10).
Pero ¿qué sentido tiene que animales diurnos como la jirafa tengan su pelaje biofluorescente? ¿evitará quizás así a los depredadores nocturnos sensibles a la radiación ultravioleta?, ¿pasará lo mismo con las tortugas?, o ¿por qué motivo las avispas diurnas del género Polistes spp. fabrican sus nidos biofluorescentes y sus pupas también emiten este tipo de luz?, Definitivamente quedan muchas cuestiones aún por resolver.
Debemos mencionar que hay muchísimos organismos que emiten biofluorescencia, desde anfibios, a reptiles, pasando por aves, peces, insectos, arácnidos o mamíferos.
Los estudios recientes consideran que los patrones fluorescentes en la piel y las estructuras óseas de especies crípticas y bien camufladas, como es el caso de la rana musgosa (Philautus macroscelis) y varias especies de camaleones, señalan parejas conespecíficas mientras permanecen ocultos de los depredadores (11).
Si pudiéramos percibir esa longitud de onda nos daríamos cuenta de que entre los artrópodos, la señalización fluorescente específica del sexo también se ha documentado para arañas (12), escorpiones y especies de garrapatas (13).
El uso de la fluorescencia como mejora en la señalización defensiva se ha documentado bien en el camarón mantis (14), y como señuelo depredador en el pez sapo (15) y si hablamos de anfibios, el sapo calabaza presenta unas estructuras fluorescentes que probablemente evolucionaron como una posible función defensiva. De hecho, un estudio realizado por Reboucas, et al., (2019) determinó que la llamativa fluorescencia de los huesos en los sapos de calabaza era aposemática y que podría haber evolucionado en especies de colores crípticos como un medio para evitar a los depredadores (16, 17).
Un hallazgo sorprendente e interesante en mamíferos lo encontramos en un tipo de roedor, concretamente los Pedetidae, conocidos como liebres saltarinas, con un sorprendente patrón visual y una intensidad del cambio de color únicos en relación con la biofluorescencia encontrada en otros mamíferos. Según un estudio esta biofluorescencia se origina probablemente dentro de la cutícula de la fibra capilar y emana, al menos parcialmente, de varias porfirinas fluorescentes (18).
Este descubrimiento respalda la hipótesis de que la biofluorescencia puede ser importante desde el punto de vista ecológico para los mamíferos crepusculares nocturnos y sugiere que puede estar distribuida más ampliamente en Mammalia de lo que se pensaba anteriormente.
Todos los estudios que se van publicando, poco a poco podrían revelar tendencias no esperadas actualmente en las adaptaciones biofluorescentes y en la utilización por parte de especies de plantas, animales y hongos.
En cualquier caso, la naturaleza que nos rodea es maravillosa y nunca deja de sorprendernos. Cuánto tenemos que aprender de otros organismos que tradicionalmente se les ha considerado inferiores, por antropocentrismo puro. Puede que sean más simples sí, pero ni son inferiores ni son ajenos a nosotros, recordemos que formamos parte de un TODO único que nos vincula con todos los seres vivos de esta llamada Tierra.
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Bibliografía.
- 1. Kobayashi M, Kikuchi D, Okamura H. (2009). Imaging of Ultraweak Spontaneous Photon Emission from Human Body Displaying Diurnal Rhythm. PLoS ONE 4(7): e6256. DOI
- 2. https://es.wikipedia.org/wiki/Bioluminiscencia
- 3. https://www.ecologiaverde.com/que-es-la-bioluminiscencia-y-ejemplos-2179.html
- 4. https://www.scienceinschool.org/es/article/2013/gfp/
- 5. http://plantecology.webs7.uvigo.es//wp-content/uploads/2012/05/arbol-de-la-vida-bioluminiscente.jpg
- 6. https://www.nationalgeographic.es/animales/2019/05/como-funciona-la-bioluminiscencia-en-la-naturaleza
- 7. https://www.nationalgeographic.es/animales/2019/05/como-funciona-la-bioluminiscencia-en-la-naturaleza
- 8. https://www.orca.ngo/
- 9. Morandi, Kin & Lindholm, Anna & Lee, Derek & Bond, Monica. (2023). Biofluorescence and predator avoidance in the giraffe. African Journal of Ecology. 61. 10.1111/aje.13107.
- 10. Olson, Erik & Carlson, Michaela & Ramanujam, V. & Sears, Lindsay & Anthony, Sharon & Anich, Paula & Ramon, Leigh & Hulstrand, Alissa & Jurewicz, Michaela & Gunnelson, Adam & Kohler, Allison & Martin, Jonathan. (2021). Vivid biofluorescence discovered in the nocturnal Springhare (Pedetidae). Scientific Reports. 11. 10.1038/s41598-021-83588-0.
- 11. Gray, Russell. (2019). Biofluorescent lateral patterning on the Mossy Bushfrog (Philautus macroscelis): The first report of biofluorescence in a rhacophorid frog.. Herpetology Notes. 12. 363-364.
- 12. Brandt EE, Masta SE. Females are the brighter sex: Differences in external fluorescence across sexes and life stages of a crab spider. PLoS One. 2017 May 3;12(5):e0175667. doi: 10.1371/journal.pone.0175667. PMID: 28467416; PMCID: PMC5414973.
- 13. Shade, Dakota. (2016). Observations of fluorescence in ticks (family: ixodidae). Thesis.
- 14. Mazel, C. H., Cronin, T. W., Caldwell, R. L., & Marshall, N. J. (2003). Fluorescent enhancement of signaling in a mantis shrimp. Science
- 15. De Brauwer, M., & Hobbs, J. P. A. (2016). Stars and stripes: biofluorescent lures in the striated frogfish indicate role in aggressive mimicry. Coral Reefs, 35(4), 1171-1171
- 16. Reboucas, R., Carollo, A. B., Freitas, M. D. O., Lambertini, C., Nogueira dos Santos, R. M., & Toledo, L. F. (2019). Is the conspicuous dorsal coloration of the Atlantic forest pumpkin toadlets aposematic. Salamandra, 55, 39-47
- 17. Gray, Russell & Karlsson, Catharina. (2022). 101 years of biofluorescent animal studies: trends in literature, novel hypotheses, and best practices moving forward. 10.32942/osf.io/ub6yn.
- 18. Olson, E.R., Carlson, M.R., Ramanujam, V.M.S. et al. Vivid biofluorescence discovered in the nocturnal Springhare (Pedetidae). Sci Rep 11, 4125 (2021). https://doi.org/10.1038/s41598-021-83588-0