Sinh phát quang (hay phát quang sinh học) là ánh sáng được sinh ra bởi các phản ứng hóa học, xảy ra trong cơ thể các sinh vật. Thực chất, sinh phát quang cũng là một dạng đặc biệt của hóa phát quang, nhưng được các sinh vật kiểm soát và điều hòa.
Sinh phát quang tạo ra các “ánh sáng lạnh”, nghĩa là chỉ 20% ánh sáng tạo ra là bức xạ nhiệt, hay đơn giản là phát ra nhiệt lượng. Đa số các sinh vật phát quang đều là các sinh vật biển, ví dụ như các loại cá, vi sinh vật và sứa, một số khác là các loài côn trùng và nấm, chẳng hạn như đom đóm. Tuy nhiên, không có một sinh vật phát quang nào sinh trưởng trong môi trường nước ngọt.
Cơ chế hóa học
Các phản ứng hóa học dẫn đến sinh phát quang đều cần hai loại hóa chất: luciferin và luciferasehoặc các protein phát quang khác. Luciferin là một hợp chất có khả năng phát quang và được gọi là các chất tham gia phản ứng. Màu sắc tạo ra đều là kết quả từ các phản ứng của phân tử này.
Một số sinh vật phát quang có thể tự tạo ra (tự tổng hợp) luciferin của riêng chúng. Chẳng hạn, dinoflagellates, một loài sinh vật phù du, có thể cho ra màu xanh đặc trưng của chúng. Nếu tập hợp đủ số lượng, chúng có thể làm sáng rực bề mặt đại dương lúc đêm tối.
Một số sinh vật phát quang không thể tự tổng hợp luciferin, thay vào đó, chúng hấp thụ protein phát quang từ các sinh vật khác thông qua quan hệ con mồi - kẻ đi săn hoặc cộng sinh. Ví dụ điển hình trong trường hợp này là cá Midshipman, chúng lấy nguồn luciferin thông qua việc ăn các con tôm hùm. Ngoài ra, đối với các loài sinh vật biển khác, như mực ống, chúng có các vi sinh vật phát quang trên một số bộ phận nhất định. Đây là ví dụ tiêu biểu cho quan hệ cộng sinh phát quang ở sinh vật.
Luciferase là một enzyme. Chúng có vai trò xúc tác làm tăng tốc độ phản ứng. Sự tương tác của luciferase với các luciferin bị oxy hóa (thêm một nguyên tử oxy) tạo ra các sản phẩm, gọi là oxyluciferin. Đây là phản ứng hóa học tạo ra ánh sáng ở sinh vật.
Các loài dinoflagellates tạo ra ánh sáng thông qua phản ứng luciferin- luciferase. Trong đó, enzyme luciferase của loài này ít nhiều có quan hệ với diệp lục (chlorophyll) ở thực vật.
Các hệ sinh thái dinoflagellate phát quang rất hiếm gặp, chỉ có thể bắt gặp chúng ở những vùng phá nước ấm, đây là các vùng biển hẹp, nhỏ và thông ra biển.
Đa số các phản ứng phát quang sinh học đều có sự tham gia của luciferin và luciferase. Tuy nhiên, có một số trường hợp đặc biệt, các phản ứng diễn ra mà không có sự xúc tác của enzyme luciferase. Các phản ứng này lấy các protein phát quang làm chất phản ứng. Loại protein này là sự kết hợp giữa luciferin và oxy, ngoài ra, chúng cần một số ion kim loại, ví dụ như can-xi để có thể tạo ra ánh sáng.
Các protein phát quang mới được phát hiện cách đây không lâu, các nhà sinh học và hóa học vẫn còn đang nghiên cứu các đặc tính hóa học khác thường của chúng. Protein phát quang đầu tiên được nghiên cứu đến từ loài sứa phát quang ở khu vực bờ biển phía tây của Bắc Mỹ, protein này được gọi là GFP- Green Fluorescent Protein.
Tuy nhiên, sinh phát quang không giống như huỳnh quang và lân quang. Huỳnh quang không được sinh ra từ các phản ứng hóa học, ánh sáng, thường là UV, sau khi được hấp thụ, chúng sẽ được các chất huỳnh quang tái phát ra với bước sóng lớn hơn và có thể được quan sát được bằng mắt thường. Lân quang cũng tương tự như huỳnh quang, ngoại trừ một điều, thời gian phát sáng của lân quang dài hơn rất nhiều so với thời gian phát sáng của huỳnh quang.
Ánh sáng sinh phát quang
Độ sáng cũng như màu sắc của ánh sáng sinh phát quang phụ thuộc rất nhiều vào môi trường và loại sinh vật phát quang. Đối với các sinh vật biển, sinh phát quang chủ yếu là màu xanh là cây, với bước sóng nằm trong phổ khả kiến. Các màu sắc này có thể dễ dàng thấy ở đáy biển. Bên cạnh đó, các sinh vật biển khác, không phát quang, rất nhạy cảm với thứ ánh sáng có sắc xanh này. Trong khi đó, các sinh vật phát quang trên cạn lại chủ yếu phát ra ánh sánh có màu xanh-vàng, như màu của đom đóm. Một số loài khác còn có thể phát ra rất nhiều màu, chúng được gọi là các con sâu cầu vồng. Phần đầu của những con sâu này phát xạ màu đỏ, trong khi thân của chúng phát ra màu xanh là cây. Sự khác biệt về màu sắc phát quang này là do các bộ phận khác nhau trên cơ thể chúng có các loại luciferase khác nhau, dẫn tới sự đa màu sắc trên cơ thể.
Ngoài ra, các loài nấm ký sinh trên các cây thân gỗ còn có thể phát quang liên tục, trong khi đa số các sinh vật phát quang khác chỉ sử dụng một bộ phận trên cơ thể để phát sáng và có thời gian sáng rất ngắn, chỉ khoảng 10 giây.
Thích nghi
Sinh phát quang được các sinh vật sử dụng để hấp dẫn con mồi, tự vệ trước kẻ thù, tìm kiếm bạn tình, hoặc để phục vụ các hoạt động sống khác.
Tự vệ: Rất nhiều sinh vật biển sử một kỹ năng được gọi là counterilluminationđể bảo vệ chúng khỏi kẻ thù. Về cơ bản, kỹ thuật này cũng là một dạng ngụy trang giúp chúng tránh sự tấn công của các động vật ăn thịt phía dưới. Ngoài ra, một số loài sao biển còn sử dụng sinh phát quang để chạy trốn kẻ thù. Khi bị tấn công, chúng sẽ tự cắt một bộ phận trên cơ thể của mình ra, bộ phận này sẽ phát ra các ánh sáng để hấp dẫn kẻ ăn thịt đi theo trong khi bản thể sẽ nhân cơ hội đó để chạy thoát. Một hình thức tự vệ cũng rất đáng chú ý nữa đến từ loài sâu cầu vồng, chúng phát ra rất nhiều màu sắc trên cơ thể để đe dọa kẻ thù rằng nó có độc, các loài chim, cóc hay các loài săn mồi khác nhìn thấy sẽ tự động tránh xa.
Thu hút con mồi: Sinh phát quang được các loài ăn thịt sử dụng để hấp dẫn hoặc tìm kiếm con mồi. Một dẫn chứng thú vị về khả năng này là loài cá quỷ, hay cá lồng đèn. Chúng có cái đầu to, hàm răng sắc nhọn, nhưng đáng chú ý là bộ phận dài, mảnh trên đầu chúng. Ở phía cuối bộ phận này là một quả cầu có thể phát sáng. Các loài cá nhỏ hơn bị hấp dẫn bởi thứ ánh sáng này, theo bản năng, chúng bơi tới gần, và lúc này, một hàm răng sắc nhọn đã sẵn sàng để xử lý con mồi.
Hấp dẫn bạn tình: Các con đom đóm trưởng thành có thể phát quang để thu hút các con đom đóm khác, cả con đực và cài đều có thể phát ra ánh sáng ở phần bụng. Chúng sẽ dựa vào độ sáng cũng như sự nhấp nháy để phân biệt đâu là con đực và đâu là con cái.
Ứng dụng của sinh phát quang
Các nhà sinh học đang nghiên cứu các chất hóa học có khả năng sinh phát quang. Protein GFP, như đã nói ở trên, là một “gen báo cáo” cực kỳ có giá trị. Các gen báo cáo là các gen được đính kèm với các gen đang được nghiên cứu. Các gen báo cáo GFP sẽ tổng hợp các protein có khả năng phát ra ánh sáng huỳnh quang, giúp các nhà khoa học biết gen được nghiên cứu đã được chuyển thành công vào sinh vật hay chưa.
Ngoài ra, các cây phát huỳnh quang có thể giúp chiếu sáng đô thị và đường cao tốc. Điều này sẽ làm giảm áp lực đối với ngành điện lực và góp phần bảo vệ môi trường. Đối với ngành nông nghiệp, cây trồng sẽ phát quang nếu chúng cần tưới nước hoặc bổ sung các chất dinh dưỡng, hay thậm chí là chúng đã sẵn sàng để thu hoạch.
Biên dịch: Phạm Ngọc Sơn
Nguồn tham khảo:
Nationalgeographic Education: “bioluminescence”
Điểm 4.7/5 dựa vào 37 đánh giá
EmoticonEmoticon