من الشعاب المرجانية المتوهجة إلى الجمبري القيء، استخدمت الحيوانات التلألؤ البيولوجي للتواصل منذ ملايين السنين - وإليك ما لا يعرفه العلماء حتى الآن عن ذلك

لقد كان البشر منذ فترة طويلة مفتونين بالكائنات الحية التي يمكنها إنتاج الضوء.وقد كتب أرسطو، الذي كان عالماً وفيلسوفاً، أول تفصيل أوصاف لما أسماه "الضوء البارد"." منذ أكثر من 2000 سنة.وفي الآونة الأخيرة، ظهر باحثون رواد مثل قدامى المحاربين في الجيش في الحرب العالمية الثانية ايميت تشابيل وطيار مركبة الغمر العميق إديث ويدر طورت دراسة هذه الظاهرة بتقنيات جديدة.

على الأقل 94 كائن حي إنتاج الضوء الخاص بهم من خلال تفاعل كيميائي داخل أجسادهم - وهي قدرة تسمى تلألؤ بيولوجي.تشمل الأمثلة اليراعات المضيئة, والطحالب التي تخلق "الخلجان المتوهجة في الظلام, والقشريات الصغيرة ذات عروض الخطوبة المعقدة, ، وأسماك أعماق البحار والشعاب المرجانية.ولكن على الرغم من انتشاره على نطاق واسع، إلا أن العلماء لا يعرفون حتى الآن متى أو أين ظهر لأول مرة، أو وظيفته الأصلية.

مثل علماء الأحياء البحرية من متخصصون في موائل أعماق البحار, ، ونحن نعلم أن تلألؤ بيولوجي على وجه الخصوص شائع في المحيط.يشير هذا إلى أن إنتاج الضوء قد يمنح الكائنات الحية من جميع أنحاء العالم شجرة الحياة ميزة اللياقة البدنية التي تعمل على تحسين فرصهم في البقاء على قيد الحياة.

يركز بحثنا على octocorals - الشعاب المرجانية ذات الأجسام الناعمة مثل مراوح البحر التي لها أشكال شبيهة بالأشجار وتوجد في أماكن مختلفة في محيطات العالم.فهي متنوعة و مجموعة قديمة من الحيوانات والتي تضم حوالي 3500 نوع، الكثير منها ذو إضاءة حيوية.

يمكن للشعاب المرجانية أن تنشئ حدائق مرجانية وغابات حيوانية في المحيطات، وخاصة في أعماق البحار.توفر هذه المجتمعات المنازل وموائل الحضانة للعديد من الحيوانات الأخرى، بما في ذلك الأسماك وأسماك القرش.

جميع octocorals تستخدم نفس الشيء التفاعل الكيميائي للضياء الحيوي.حددت دراسة عام 2022 العلاقات التطورية بين هذه الشعاب المرجانية.هذه الروابط الجينية، وحقيقة وجود حفريات للشعاب المرجانية الثمانية، تجعل من هذه الحيوانات نقطة تركيز مثالية للتحقيق في وقت ظهور التلألؤ البيولوجي وكيفية انتشاره عبر الزمن الجيولوجي.

اختبار تلألؤ بيولوجي في البحر

منذ أكثر من عقد من الزمن، بدأنا باختبار قدرة الأنواع المختلفة من المرجانيات الثمانية على التلألؤ البيولوجي.لإنتاج الضوء المتوهج، يجب تحفيز المرجان إما فيزيائيًا أو كيميائيًا.

أثار التلألؤ البيولوجي فضولنا لأول مرة خلال رحلة بحثية عام 2014 على متن سفينة R/V Celtic Explorer فوق ويتارد كانيون قبالة الساحل الجنوبي الغربي لأيرلندا.كنا نأخذ عينة من نسيج مرجان الخيزران تم جمعها من قاع البحر العميق بواسطة مركبة تعمل عن بعد.

تحتوي المركبة على أذرع مناورة تسمح للطيار بجمع عينات المرجان ووضعها في حاويات أخذ العينات لإبقاء الكائنات الحية على قيد الحياة وحمايتها أثناء ظهور المركبة على السطح.وبعد وصول هذه العينة على متن السفينة، استخدمنا الملقط لأخذ سليلة مرجانية واحدة منها في غرفة ذات إضاءة منخفضة وشاهدنا وميضًا من الضوء الأزرق.

ومنذ ذلك الحين، عملنا مع متعاونين من معهد أبحاث خليج مونتيري للأحياء المائية و جامعة توهوكو لتسجيل الأنواع القادرة على التوهج، سواء على متن السفينة بعد جمعها أو أثناء مراقبتها في قاع البحر باستخدام كاميرات منخفضة الإضاءة.وبالجمع مع السجلات المنشورة السابقة، نعلم الآن أن التلألؤ البيولوجي يحدث في حوالي 60 نوعًا من المرجان.ومن المحتمل أن هناك الكثير ينتظرون اكتشافهم.

متى ولماذا ظهرت الإضاءة الحيوية؟

وفي دراسة نشرت في أبريل 2024، قدمنا أقدم سجل في الزمن الجيولوجي للإضاءة الحيوية على الأرض.لقد أظهرنا أن هذا التفاعل الكيميائي تطور قبل عدة آلاف من السنين من التقدير السابق، في وقت قريب من تنوع الحياة على الأرض بسرعة منذ أكثر من 540 مليون سنة في فترة تسمى الانفجار الكامبري.لقد حددنا ذلك من خلال رسم خريطة لوجود التلألؤ البيولوجي على شجرة الحياة الثمانية المرجانية، وهي أداة بيانية يستخدمها علماء الأحياء لإظهار العلاقات التطورية بين الأنواع.

في البداية، ربما تطورت الإضاءة الحيوية لتقليلها الجذور الحرة – الذرات غير المستقرة كيميائيا يمكن أن تلحق الضرر بالخلايا.ومع ذلك، في مرحلة ما، تطورت إلى شكل من أشكال التواصل.

تشير نتائجنا إلى أن الإشارات الضوئية كانت أول أشكال التواصل في المحيطات، ونعلم أن بعض الحيوانات التي يمكنها اكتشاف الضوء تطورت خلال العصر الكامبري.يشير بحثنا إلى أن التفاعلات التي تنطوي على الضوء حدثت بين الأنواع خلال فترة كانت فيها الحيوانات تتنوع بسرعة وتحتل موائل جديدة.

اكتساب وخسارة الضوء

نحن مستمرون في اختبار المرجان لقدراته على الإضاءة الحيوية بعدة طرق.أحد المكونات الرئيسية المشاركة في إنتاج الضوء في المرجان والحيوانات الأخرى هو انزيم يسمى لوسيفيراز.باستخدام بيانات تسلسل الحمض النووي، نقوم بتطوير اختبار للإمكانات الجينية للتلألؤ البيولوجي مما سيجعل دراسة هذه السمة أسهل وأقل تدخلاً بالنسبة لنا.

لدينا أدلة أولية على أن الشعاب المرجانية الثمانية غير ذات الإضاءة الحيوية لا تزال موجودة جينات لوسيفيراز متماثلة - التعليمات الوراثية التي تم تمريرها من سلف مشترك لجميع الشعاب المرجانية الثمانية.إن سبب احتفاظ الشعاب المرجانية التي لا تستطيع إنتاج الضوء بهذه الجينات هو أمر غامض.

هل تنتج ضوءًا منخفض المستوى جدًا لا يستطيع العلماء اكتشافه بالطرق الحالية؟أم أن جينات اللوسيفيراز الخاصة بهم غير وظيفية؟قد تظهر المزيد من الدراسات سبب فقدان بعض المرجانيات الثمانية القدرة على التلألؤ الحيوي، وكيف أثر هذا الفقدان على بقائها في بيئات مختلفة.

تظهر نتائجنا الأخيرة أن العديد من الشعاب المرجانية تعيش في المياه الضحلة ولكنها نشأت منها أسلاف المياه العميقة الاحتفاظ بالقدرة على تلألؤ بيولوجي.من المحتمل أن بعض الشعاب المرجانية فقدت هذه القدرة بمرور الوقت لأنها أصبحت أقل فائدة في البيئات الضحلة بالمحيطات مع مزيد من الضوء.

كما نقوم أيضًا بالتحقيق في كيفية تطور الضياء البيولوجي في كائنات أخرى، بما في ذلك الجمبري الذي يهاجر لأعلى من المياه العميقة ليتغذى في النهار ويعود إلى المياه العميقة ليلاً.تتعرض هذه الحيوانات لظروف الإضاءة المتغيرة وتنتج الضوء فيها طرق متعددة وفريدة من نوعها.

ومن الأمثلة البارزة، بعض الجمبري القيء المواد الكيميائية التي تصنع الضوء, ، مما يخلق نفثًا مضيءًا لدرء الحيوانات المفترسة.لديهم أيضًا أعضاء ضوئية خارجية مضيئة على طول الجسم والتي تنتج الضوء الأزرق.

إن دراسة كائنات مثل هذه تعمل على تحسين فهمنا لكيفية تأثير الكميات المختلفة من الضوء في البيئة، بما في ذلك الضوء الذي تنتجه الكائنات الحية، على تطور التلألؤ البيولوجي و التأثير على رؤية الكائنات الحية.يمكن أن يوفر هذا نظرة ثاقبة لكيفية تأثير التلألؤ البيولوجي على تطور العين والرؤية منذ حوالي 540 مليون سنة، عندما كانت الحياة على الأرض متنوعة.

حقيقة أن الشعاب المرجانية كانت قادرة على إنتاج الضوء لمئات الملايين من السنين تعني أن هذه القدرة ساهمت بشكل كبير في بقائها.علاوة على ذلك، تدعم النتائج التي توصلنا إليها فكرة أن التلألؤ البيولوجي كان شكلاً مهمًا من أشكال التواصل عبر الزمن الجيولوجي للعديد من أنواع الحيوانات، خاصة في أعماق البحار.

لقد أثار هذا البحث أفكارًا جديدة بالنسبة لنا حول التطور المبكر للحيوانات والتواصل.أعطت الإشارات الضوئية الحيوانات طريقة جديدة للتواصل في زمن سريع التغير، عندما ظهرت حيوانات مفترسة جديدة ومناظر طبيعية أكثر تعقيدًا.قد تكون زيادة القدرات الحسية في المحيط ذات قيمة في هذه الظروف.ولعل التلألؤ البيولوجي هو قطعة مفقودة من اللغز الذي لم يحظ بعد بالاهتمام الكامل في دراسات أصل وتطور الحيوانات في العصور القديمة.