Καλαμάρι υψηλής τεχνολογίας

Οι περισσότεροι από εμάς θα έχουμε δει πυγολαμπίδες σε κάποιο νυχτερινό περίπατό μας στην εξοχή. Κάποιοι, μάλλον πιο τυχεροί, ναυτικοί που έχουν περάσει νύχτα τον Ινδικό Ωκεανό θα έχουν ζήσει το φαινόμενο της θάλασσας που εκπέμπει απ’ άκρη σ’ άκρη. Σήμερα οι ερευνητές προσπαθούν να αξιοποιήσουν το φαινόμενο του βιοφωτισμού, γιατί περί αυτού πρόκειται, προκειμένου να δημιουργήσουν προϊόντα που θα ζήλευαν όλοι όσοι ασχολούνται με τη νανοτεχνολογία. Οχι ότι γνωρίζουμε τα πάντα για τον βιοφωτισμό, ο οποίος θα πρέπει να αναπτύχθηκε πολλές φορές κατά τη διάρκεια της εξέλιξης, αν κρίνει κανείς από τον αριθμό των διαφορετικών μηχανισμών οι οποίοι υπάρχουν για τη δημιουργία του. Ωστόσο ερευνητές του Πανεπιστημίου της Χαβάης πέτυχαν να απομονώσουν γονίδια απαραίτητα για τη δημιουργία χαρακτηριστικών για τον βιοφωτισμό δομών, οι οποίες υπάρχουν σε ένα ενδημικό καλαμάρι της περιοχής (φωτογραφία κάτω). Και ελπίζουν ότι θα αξιοποιήσουν τεχνολογικά τα αναπάντεχα ευρήματά τους…

O βιοφωτισμός, παραγωγή φωτός από έναν οργανισμό, είναι φαινόμενο που κατά κύριο λόγο απαντάται σε πελαγικούς οργανισμούς, αλλά δεν λείπει και από την ξηρά, όπως αποδεικνύει η ύπαρξη των πυγολαμπίδων και κάποιων μανιταριών. Στην πράξη ο βιοφωτισμός είναι η κύρια πηγή φωτός στα βάθη των ωκεανών, που αποτελούν εξάλλου το μεγαλύτερο μέρος του κατοικήσιμου όγκου της γης! Εκεί ένας μεγάλος αριθμός διαφορετικών μεταξύ τους οργανισμών έχει αναπτύξει την ικανότητα να εκπέμπει φως μέσω χημικών αντιδράσεων. (Ο μεγάλος αριθμός διαφορετικών χημικών αντιδράσεων που καταλήγουν στην εκπομπή φωτός και οι διαφορετικές οικογένειες στις οποίες ανήκουν ταξινομικά οι οργανισμοί που το εκπέμπουν, οδηγούν στο συμπέρασμα ότι το φαινόμενο έχει δημιουργηθεί πέραν των 30 φορών κατά τη διάρκεια της εξέλιξης.)

Το φαινόμενο, έτσι όπως το αντιλαμβάνεται ο ναυτικός, δεν είναι εντοπισμένο και μπορεί να παρατηρηθεί ανά πάσα στιγμή σε οποιαδήποτε περιοχή και βάθος της θάλασσας. Συνήθως αποδίδεται στα δινομαστιγωτά, μονοκυτταρικά φύκη, τα οποία μπορούν να αριθμούν αρκετές εκατοντάδες ανά λίτρο νερού. Το δε χαρακτηριστικό φως στις θάλασσες του Ινδικού αποδίδεται σε «φωτεινά» βακτήρια. Οι επιστήμονες που μελετούν το φαινόμενο του βιοφωτισμού έχουν καταλήξει στο συμπέρασμα ότι αυτό αποτελεί ικανότητα που διαθέτει περίπου το 95% των οργανισμών που ζουν σε βάθος μεγαλύτερο των 2.000 μέτρων, ενώ απαντάται και σε οργανισμούς που ζουν σε όλα τα βάθη. Οσο για το είδος των οργανισμών, μπορεί να πρόκειται για ψάρια, για μαλάκια, για φύκη, για κοράλλια, για αμοιβάδες, για βακτήρια…

Πριν από περίπου τέσσερα χρόνια αμερικανοί και χαβανέζοι ερευνητές εντόπισαν το μικροσκοπικό καλαμάρι (το μήκος του δεν ξεπερνά τα 5 εκατοστά) Euprymna scolopes, το οποίο ενδημεί στις θάλασσες της Χαβάης και χαρακτηρίζεται από φωτεινές πιτσίλες που διακοσμούν την επιφάνειά του. Οταν προσπάθησαν να μελετήσουν την προέλευση αυτών των σχηματισμών, διαπίστωσαν ότι επρόκειτο για έργο ενός άλλου οργανισμού, του βακτηριδίου Vibrio fischeri, εξαδέλφου του βακτηριδίου Vibrio cholerae το οποίο προκαλεί χολέρα. Με άλλα λόγια, το καλαμάρι φιλοξενεί για κάποιο λόγο τον εξάδελφο του βακτηριδίου της χολέρας, και μάλιστα του επιτρέπει να το διακοσμεί!

Ο λόγος αυτής της παράξενης εκ πρώτης όψεως συνύπαρξης είναι τα κοινά οφέλη. Σύμφωνα με το σχετικό άρθρο των επιστημόνων («Nature», Δεκέμβριος του 2001), το καλαμάρι χρειάζεται τις φωτεινές πιτσίλες για να προστατεύεται από τους εχθρούς του και το βακτήριο χρειάζεται το καλαμάρι που του παρέχει τροφή. Ειδικότερα, υπό το φως του φεγγαριού η σκιά τού χωρίς πιτσίλες καλαμαριού θα μπορούσε να καταδείξει την παρουσία του στους θηρευτές του (κυρίως ψάρια) που βρίσκονταν σε μεγαλύτερο βάθος από αυτό. Χάρη όμως στις βακτηριακής προέλευσης πιτσίλες του το καλαμάρι εκπέμπει δέσμες φωτός που εξαφανίζουν τη σκιά και στην ουσία και το ίδιο από τα μάτια των θηρευτών του. Οσο για το βακτήριο, ο πειραματισμός των επιστημόνων κατέδειξε ότι λαμβάνει το οξυγόνο που του χρειάζεται από το καλαμάρι (υπολογίζεται ότι κλέβει το 4% του οξυγόνου του καλαμαριού) και εκμεταλλεύεται τον κυτταρικό μηχανισμό του για να παράξει πρωτεΐνες.

H συμβιωτική σχέση των δύο οργανισμών αρχίζει στα πρώτα λεπτά μετά τη γέννηση του καλαμαριού, το οποίο καταπίνει τα βακτήρια που πλέουν γύρω του και τα αποθηκεύει σε ένα ειδικό φωτοφόρο όργανο που μοιάζει με ένα τρίτο μάτι. Κατά το ξημέρωμα, όταν το καλαμάρι κρύβεται στην άμμο και δεν χρειάζεται πια τη βοήθειά τους, απελευθερώνει το 90% των βακτηρίων. (Τα βακτήρια φεύγουν από ειδικές κοιλότητες στο σώμα του καλαμαριού που οι επιστήμονες ονόμασαν κρύπτες.) Το υπόλοιπο 10% που απομένει πολλαπλασιάζεται επαρκώς κατά τη διάρκεια της ημέρας και έτσι το καλαμάρι αποκτά και πάλι τη βραδινή ασπίδα προστασίας του. Το καταπληκτικό δε είναι ότι ορισμένες νύχτες με συννεφιά, όταν το φως του φεγγαριού δεν είναι έντονο, το καλαμάρι μειώνει τον φωτισμό που εκπέμπει τρώγοντας μερικά από τα βακτήρια!

Οι παραπάνω παρατηρήσεις αναφέρθηκαν λεπτομερώς πριν από τρία χρόνια από την ερευνητική ομάδα του Πανεπιστημίου της Χαβάης, η οποία συνέχισε τις έρευνές της προσπαθώντας να ανακαλύψει τη φύση των φωτεινών πιτσιλών που διακοσμούσαν το καλαμάρι. Προς μεγάλη τους έκπληξη, οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι δεν επρόκειτο για τους συνηθισμένους κρυστάλλους πουρινών (χημικά μόρια τα οποία μεταξύ άλλων αποτελούν και δομικά στοιχεία των νουκλεϊνικών οξέων, DNA και RNA) που απαντώνται στην πλειονότητα των «φωτεινών» πελαγικών οργανισμών. Αντιθέτως, επρόκειτο για πλάκες πρωτεϊνικής φύσεως και μάλιστα ενός σπάνιου είδους: οι πρωτεΐνες που σχηματίζουν τις πλάκες δεν έχουν ως σήμερα βρεθεί σε κανέναν άλλο οργανισμό και δημιουργούνται από σπάνια αμινοξέα. H παρουσία των πρωτεϊνών αυτών, οι οποίες ονομάστηκαν ρεφλεκτίνες (προφανώς από το reflect που σημαίνει αντανακλώ), επιτρέπει στις πλάκες του καλαμαριού να λειτουργούν σαν το διάφραγμα μιας φωτογραφικής μηχανής, δίνοντας τη δυνατότητα στο μαλάκιο να ελέγχει την ένταση του φωτός που παράγει.

Οι πλάκες-πιτσίλες του καλαμαριού αποτελούνται από εναλλασσόμενες στρώσεις ρεφλεκτινών, οι οποίες έχουν μεγάλη δυνατότητα αντανάκλασης του φωτός και κυτταροπλάσματος (το υλικό του εσωτερικού των κυττάρων) το οποίο είναι αδιαφανές. «Παίζοντας» με τις αδιαφανείς και τις ισχυρά αντανακλαστικές στρώσεις των πλακών του το καλαμάρι μπορεί να ρυθμίζει επακριβώς τη φωτεινότητά του. Μπορεί δε να επιλέξει οτιδήποτε από ένα τεράστιο εύρος: από το να κρύψει εντελώς το φως που παράγει με τη βοήθεια των αδιαφανών στρώσεων κυτταροπλάσματος ως το να κάνει τις πλάκες του καθρέφτες που αντανακλούν πλήρως το φως.

Οι ερευνητές δεν γνωρίζουν ακόμη πώς το καλαμάρι έχει επιτύχει να ρυθμίζει αξιοθαύμαστα κάτι που φέρει μεν, αλλά δεν είναι έργο δικό του. Ξέρουν όμως ότι η πρωτότυπη αυτή εξελικτική προσαρμογή του καλαμαριού, η οποία του εξασφαλίζει πλήρη κάλυψη από τους εχθρούς του, μπορεί να έχει επαναστατικές τεχνολογικές εφαρμογές. H ομάδα των ερευνητών απομόνωσε τα γονίδια, τα οποία τα κωδικοποιεί για τη δημιουργία των ρεφλεκτινών και ελπίζει ότι θα μπορέσει να τις παράξει σε βακτήρια. Ελπίζει δηλαδή να καταστήσει τα βακτήρια στα οποία θα μεταφέρει τα γονίδια των ρεφλεκτινών ζωντανά εργοστάσια παραγωγής αυτών των πρωτεϊνών. Απώτερος δε στόχος της είναι δημιουργήσει οπτικά συστήματα πολύ μεγάλων αποδόσεων.