להאיר באור גדול

פטריות זוהרות, דגים זורחים ותולעים מנצנצות. בִּיּוֹלוּמִינֵסֶנְצִייָה היא היכולת של יצור חי להאיר בחושך והיא קיימת אצל מגוון רחב של יצורים, בהם פטריות, חיידקים, תולעים, מדוזות, דגים, תמנונים וכמובן גחליליות. יצור שמסוגל להאיר בחשכה יוכל להשתמש בחוש הראייה במקום שבו כל השאר אינם רואים, יוכל למשוך טרף או להפחיד טורפים ואולי אפילו לתקשר עם בני מינו בשפה של הבהובים.

האור בבִּיּוֹלוּמִינֵסֶנְצִייָה הוא אנרגיה שמשתחררת מתגובה כימית כאשר חומר שמכונה לוּצִיפֶרִין מפורק בנוכחות חמצן בפעילות אנזים שמכונה לוּצִיפֶרַאז. הלוציפרין אינו חומר מסוים, אלא שם כללי שניתן לכל חומר שפולט אור בתגובה עם אנזים, כך שהמבנה הכימי של מערכת הלוציפרין-לוציפראז של חיידק שונה לחלוטין מזה של פטרייה או גחלילית, ולכן גם צבע האור עשוי להיות אחר. בכל המקרים האנרגיה שמשתחררת בתהליך היא בעיקר אנרגיית אור כך שלא נשקפת ליצור סכנה של חימום יתר. בגלל ההבדלים הרבים בין מערכות התאורה השונות, ההנחה היא שהן התפתחו בנפרד אצל קבוצות חיים שונות וגם השימוש שנעשה בהן שונה מקבוצה לקבוצה.

משי המערות הזורח

קירותיהן של מערות חשוכות וטחובות בניו זילנד מכוסים בווילונות של משי משובצים במעין חרוזי זכוכית שבוהקים באור כחול-ירקרק. התושבים המקומיים, המאוּרים, כינו אותם טיטיוואי (Titiwai), כלומר טיפות מים מחזירות אור. כיום אותם יצורים מכונים תולעים ניו זילנדיות זוהרות, אבל למעשה לא מדובר בתולעים אלא ברימות של זבובאים בשם Arachnocampa luminosa (יתוש-אוריים, בעברית).

הזבובון הבוגר דומה במראהו ליתוש וניזון מפטריות, אולם הרימות הן טורפות שאוכלות חרקים. כדי לצוד הן מייצרות מלכודות מחוטי משי, בדומה לקורי עכביש, עם נקודות ריר דביקות עליהן. כדי למשוך את הטרף למלכודת הרימות מפיצות אור כחלחל שמושך חרקים מעופפים. מרגע שבקעו מהביצה, הזבובונים יכולים להפיץ אור בכל שלבי חייהם – רימה, גולם וזבובון, אולם הרימות הן אלה שמפיקות את האור החזק ביותר.

איבר ההארה של התולעים הזוהרות נמצא בצינורות מלפיגי, שהן חלק ממערכת ההפרשה של חרקים, מעין כליה מיניאטורית. הוא מוקף בשקיק אוויר שמאפשר מעבר יעיל של חמצן לצורך התגובה הכימית.

אלה לא טיפות טל זוהרות, אלא רימות של זבובונים טורפים. "התולעים הזוהרות"בניו זילנד | צילום: Science Photo Library
 

תעלומת הפטריות הזוהרות

כשבִּיּוֹלוּמִינֵסֶנְצִייָה מופיעה בפטריות, נהוג באנגלית לכנות אותה Foxfire, או "אש השועל", מושג שנולד כנראה כשיבוש של ביטוי צרפתי שמשמעותו אש מזויפת. יהיה השם אשר יהיה, התופעה מוכרת בכמה עשרות מינים של פטריות עצים.

העדות המוקדמת ביותר לקיומן של פטריות מאירות מגיעה מכתביו של הפילוסוף היווני אריסטו, שסיפר על אש קרה הבוקעת מגזעי עצים. האור של הפטריות בוקע מגוף הפרי שנושא את הנבגים. מדובר באור חלש יחסית בגוון ירוק-כחול שאפשר לראות רק בחשכה גמורה. קיימות עדויות היסטוריות מהמאה ה-16 לשימוש שנעשה בהן בסקנדינביה לתאורה לילית, וכן ראיות מהתרבות האינדונזית על שימוש באש השועל כלפידים מאולתרים.

במשך שנים רבות ניסו להבין מהו היתרון האבולוציוני של מנגנון ההארה עבור הפטרייה, שכן לא נראה שיש כאן עניין של משיכת טרף, הרחקת טורף או הסוואה. ההשערה הרווחת הייתה שמדובר בתוצר לוואי אבולוציוני, תקלה ביוכימית חסרת תפקיד, שנוצרת בתהליך פירוק הלגנין שממנו מורכבים גזעי העצים שהפטריות מפרקות. אבל אם אכן מדובר בתוצר לוואי הוא היה נוצר באופן רציף, בשעה שלפטריות יש שעון ביולוגי ששולט בעוצמת ההארה ומחזק אותה בשעות הלילה. כיום מניחים שההארה משמשת למשיכת חרקים שנושאים על גופם את נבגי הפטרייה ומפיצים אותם לאזורים חדשים ביער.

סרטון על הפטריות הזוהרות:

תזמורת ההבהובים של הגחליליות

גחליליות (Lampyridae) הן סוג נפוץ של חרקים שמונה יותר מאלפיים מינים של חיפושיות חומות בעלות גוף מאורך שגודלן נע בין 0.5 ל-2.5 סנטימטרים. חלק מהמינים מסוגלים להאיר, והם כנראה היצורים המזוהים ביותר עם תופעת הבִּיּוֹלוּמִינֵסֶנְצִייָה. גם הזכרים וגם הנקבות מצוידים באיבר הארה שנמצא בקצה בטנם וזורח בגוון צהוב ירקרק, לגחלילית יש שליטה מלאה על כיבוי האור והדלקתו, דבר שמאפשר לה לייצר רצפים של הבהובים להעברת מסרים.

להבהוב יש תפקיד כפול: מצד אחד מדובר בהודעת אזהרה לטורפים שאומר "אני כאן, אבל לחומר המהבהב הזה שלי יש טעם נורא ולא כדאי לך לאכול אותי. מצד שני זהו מסר שמועבר בין הגחליליות, ובעיקר בין הזכרים לנקבות. בתהליך החיזור הנקבה (לרוב נטולת כנפיים) שולחת הבהוב שהזכר נענה לו בהבהוב משלו. הנקבה שופטת את עוצמת האור ואת התזמון שלו כדי להחליט אם הזכר ראוי לתשובה, ובמקרה שכן היא מעודדת אותו בהבהוב תגובה. לכל מין של גחליליות יש קוד הבהוב אופייני משלו, והוא שונה אצל זכרים ונקבות.

בנוסף, שפת ההבהוב של הגחלילית היא שילוב של קצב ותנועה, כך שאפשר להבחין בין מינים לפי ה"ניבים" וה"מבטאים" שלהם. יש מינים שמתקשרים בשעות שונות או בסביבות שונות או מפיקים צבע שונה. גחליליות ממין Photuris, שמכונות גם "גחליליות פאם פאטאל", למדו לנצל לרעה את התקשורת המורכבת של מיני גחליליות אחרים. הן מחקות את הבהובי הנקבות ממינים אחרים וטורפות את הזכרים שנמשכים להבהוב.

מינים מסוימים של גחליליות יוצרים תופעה מרתקת של הבהוב מסונכרן שמתבטא במופע אורות מרהיב. הסינכרון יוצר קריאת חיזור אחת רבת עוצמה שמאפשרת לזכרים ולנקבות למצוא אלה את אלה בקלות. יתרון נוסף יכול להיות הסחה של טורפים שהנצנוץ המשותף מקשה עליהם להתמקד בפרט מסוים.

המנגנון שמאפשר הבהוב מסונכרן מתבסס על כלל פשוט: לכל פרט יש מקצב הבהוב פנימי משלו (שזהה לבני אותו מין). אפשר להשוות אותו לשעון דמיוני בעל מחוג אחד שמסתובב על לוח השעות ומהבהב כל פעם שהוא מגיע לשעה 12. כשגחלילית זכר רואה הבהוב של פרט נוסף הוא מקדם מעט את השעון הפנימי שלו עד שמועד ההבהוב של שניהם מתואם.

סרטון של National Geographic על הגחליליות וההבהוב המתואם (אנגלית):

פתיון מנצנץ בלב ים

אף שהגחליליות מזוהות במיוחד עם תופעת הבִּיּוֹלוּמִינֵסֶנְצִייָה, רוב היצורים המאירים חיים דווקא בים. לפי הערכה, כ-75 אחוז מהיצורים הימיים משתמשים בבִּיּוֹלוּמִינֵסֶנְצִייָה, ושיעורם עולה ככל שצוללים עמוק יותר. יכול התאורה מתחילה כבר אצל יצורים מיקרוסקופיים כמו חיידקים, פטריות ואצות, אך קיימת גם אצל יצורים מורכבים יותר כמו אלמוגים, מדוזות, תולעים, סרטנים, חרקים ואפילו דגים – שהם גם צורת החיים המורכבת ביותר שמאירה.

ההשערה היא שהבִּיּוֹלוּמִינֵסֶנְצִייָה התפתחה בתחילה במחשכי המים העמוקים, לצורכי תקשורת בהיעדר אור שמש. בעומק של אלף מטר במצולות הים טמפרטורת המים קרובה לאפס מעלות צלזיוס והחיים מתנהלים בחושך מוחלט, בתנאים האלה מי שמסוגל לייצר אור יכול לקבל על הסביבה מידע איכותי ומפורט יותר מכל מתחריו.

לנקבת דג החכאי (Lophiiformes) יש ראש ענק שמצויד בשיניים חדות ומאיימות. מהמצח משתלשל לה איבר דמוי חכה שבקצהו בועית הארה שנקראת אסקה (Esca). דגים קטנים שנתקלים באור המוזר והבוהק נמשכים לעברו, מסונוורים, ונטרפים לפני שהספיקו להבין לאן הגיעו. מאחר שנקבת החכאי אינה מסוגלת לייצר את האור הזה בעצמה, היא נעזרת בחיידקים בעלי יכולת הארה שהיא מגדלת ומטפחת בתוך הבועית.

האסקה היא מבנה דמוי כוֹסית שהחלק הפנימי שלו מורכב מגבישים המכילים גואנין (חומצת גרעין בעלת בסיס חנקני). בחלק מהמינים החיידקים המאירים מאבדים את יכולת ההארה כשמנתקים אותם מהאסקה, דבר שמעיד על קשר סימביוטי חזק בין החכאים לחיידקים המאירים ועל כך שהחיידק לא מסוגל לייצר בעצמו את כל החומרים הדרושים לו להארה בעצמו. בקצה האסקה יש חריר קטן שמזין את תרבית החיידקים בזרם של מי ים טריים ומאפשר לאזן את החומציות ולפנות פסולת.

איבר החכה מושך דגים קטנים ומסנוור אותם, והם נטרפים לפני שהבינו מה קרה. נקבת דג החכאי | צילום: Science Photo Library

ציוד לראיית לילה

אור לא חייב לשמש פיתיון לציד. כפי שמשתמע משמם, דגי הפנס (Anomalopidae) פשוט נעזרים באור כדי למצוא מזון בעצמם, ומסתייעים לשם כך בחיידקים מאירים שחיים בכיסים מתחת לעיניהם.

היתרון של היכולת ליצור אור בסביבה חשוכה ברור מאליו, אולם מי שיוצר אור גם חושף את עצמו לטורפים פוטנציאליים. גם לבעיה הזאת יש פתרון. לדגי הדרקון משוחררי הלסת (Malacosteus) יש שקיק שמכיל ריכוז גבוה של צבען (פיגמנט) חום מעל איבר ההארה שלהם, והוא זה שמסנן את האור ומפיק אורכי גל קרובים לאדום. רוב הדגים רואים בעיקר אור כחול ולא מסוגלים לראות אדום, כך שדגי הדרקון שמפיצים אור אדום וגם מסוגלים לראות אותו נשארים בלתי נראים לאויביהם ולטרפם.

אורות ההסוואה של הים

בדרך כלל תאורה חושפת אותך וגורמת לך לבלוט בשטח, אבל בטבע כמו בטבע הכול יכול להיות והארה יכולה לשמש גם להסוואה. בניגוד לחכאים ולדגי הדרקון, הדיונונים עגולי הזנב (Sepiola) אינם חיים בחשכה המוחלטת של מעמקי הים, אלא באזורים פחות עמוקים שחשופים גם בלילה לאור הירח והכוכבים. הדיונון פעיל הלילה משתמש באיבר הארה שמאיר בעוצמה דומה לאור שמגיע מפני המים וכך אינו יוצל צל שיחשוף את מקומו לעיני טורפים או נטרפים.

גם לדיונון עגול הזנב אין יכולת הארה עצמית ואיבר ההארה שלו הוא בית גידול לחיידקים המאירים Aliivibrio fischeri שחיים איתו בסימביוזה. בשעות היום, כשאין לו צורך בתאורה, הדיונון מרוקן חלק ניכר מאיבר ההארה מפסולת וחיידקים עודפים ומחדיר מים טריים לתרבית החיידקים. עד שעות הערב התרבית גדלה מספיק כדי להגיע לריכוז החיידקים שייצור הארה מחודשת.

האור החלש מבטל את הצל שלו על הקרקעית ומסתיר אותו מטורפים ונטרפים. דיונון עגול הזנב| צילום: Science Photo Library

איך זה שחיידק אחד מעז?

אבל רגע! מה פתאום חיידקים מפיצים אור? ואם יש בים חיידקים מאירים, למה הוא לא זורח? ובכן, ידועים כמה עשרות מינים של חיידקים בעלי יכולת הארה, שנמצאים בריכוזים נמוכים בכל רחבי הים אולם אינם מאירים באופן קבוע. רק כשהם נמצאים בחברת רבים מבני מינם, למשל בסביבה המוגנת של איבר הארה של דג, נוצרת התגובה הכימית הזוהרת שלהם.

ההיגיון האבולוציוני מאחורי החיידקים המאירים מתבסס על כך שחיידקים ניזונים מחומר אורגני שנמצא בסביבת יצורים חיים אחרים. כאשר יש מספיק מזון והחיידק מתחלק ויוצר מושבה גדולה מספיק, רק אז המושבה תתחיל להאיר. היתרון האפשרי בזה הוא שההארה עשויה לשפר את הסיכוי שיצור חי אחר יזהה את המושבה ויאכל אותה, וכך יספק לחיידקים סביבת מחייה שתשפר את סיכוייהם לשרוד. כך שלחיידק מאיר שחי במעי של דג ונפלט למים עם הצואה שלו יהיה סיכוי טוב יותר להגיע לבטנו של דג אחר אם יגרום לחלקיק שעליו הוא חי לזרוח.

לפעמים, רק לפעמים, נוצר שילוב של תנאי זרימה נכונים, מעט ערבול ומאגר חומר ביולוגי מרוכז שיכול לשמש מזון להרבה חיידקים בו זמנית, למשל בעקבות קריסה פתאומית של פריחת אצות או גופה של לוויתן שמשמשת מקור מזון. במקרה כזה ריכוז החיידקים המאירים יעלה באזור רחב ויגרום למי הים לזרוח בבוהק לבנבן. התופעה הזו קבלה את השם הספרותי ים חלבי ומוזכרת בין השאר בספר "עשרים אלף מיל מתחת למים" של ז'ול ורן.

לגייס את האור

תופעה אחרת של ים זורח יוצרים דִינוֹפְלַגֵלַטִים – יצורים חד-תאיים ימיים שמשמשים מזון למגוון רחב מאוד של יצורים ומשתמשים בתאורה כדי להגן על עצמם. הדינופלגלטים מייצרים אור בתגובה לכוחות גזירה, כלומר לתנאי זרימה פתאומיים במים כגון ערבול פתאומי שנוצר מתזוזה של יצור גדול. ההיגיון האבולוציוני כאן מתבסס על כך שתנועה פתאומית במים עשויה להצביע על טורף. יצור זעיר חסר יכולת תנועה יכול להשתמש באור כדי להפחיד את הטורף או לחלופין לחשוף את מקומו לטורף גדול יותר.

הדינופלגלטים הם יצורים פשוטים, ואינם יודעים להבחין בין טורף אכזר לבין ספינה מעשה ידי אדם. במלחמת העולם הראשונה מצאו בני האדם דרך לנצל את האור שהם מפיקים, כשספינה בריטית הטביעה צוללת גרמנית ששטה לאורך החוף הספרדי ויצרה זוהר ביולומיסנטי. במלחמת העולם השנייה והמלחמה הקרה התפתח מחקר צבאי בשני כיוונים: הן זיהוי השובל הביולומיסנטי שיוצרים כלי שיט והן חיפוש אחרי פתרונות טכנולוגיים שיסכלו אותו.

קטע מהסרט "אפולו 13", שבו מספר מפקד החללית כיצד הזוהר בים הציל אותו במלחמה (אנגלית):

בשנת 1955 היה המדען היפני אוסאמו שימומורה (Shimomura) מאוניברסיטת נגויה הראשון שהצליח למצות ולזהות את מערכת הלוציפרין-לוציפראז אצל סרטנים ימיים זעירים. ב-1960 עבר שימומורה לאוניברסיטת פרינסטון בארצות הברית, שם חקר את מנגנון ההארה של המדוזות Aequorea Victoria. המחקר הוביל לגילוי החלבונים איקואורין (aequorin), שפולט אור כחול כאשר בתגובה עם סידן, ו-GFP – חלבון פלואורסצנטי שמגיב לאור כחול ועל-סגול וזורח באור ירקרק. שני החלבונים הללו הפכו לכלים מרכזיים במחקר הביולוגי והרפואי ומאפשרים סימון של חלבונים ומעקב אחרי שלל תהליכים ביולוגיים. בשנת 2008 זכה על כך שימומורה בפרס נובל לכימיה יחד עם המדענים מרטין צ'לפי (Chalfie) ורוג'ר טסיין (Tsien).

ההנדסה הגנטית נתנה לאדם כלים חדשים להשתלטות על הבִּיּוֹלוּמִינֵסֶנְצִייָה. בשנת 2013 ניסתה קבוצת מדענים להחדיר לצמחים גנים של מנגנון הארה במטרה לייצר צמחים מאירים שישמשו בין היתר לתאורת רחוב. הפרויקט אמנם כשל ונסגר, אך אפשר לקוות שביום מן הימים נוכל אולי גם אנחנו לזרוח באור כחלחל-ירקרק.

בִּיּוֹלוּמִינֵסֶנְצִייָה לחנוכה - חנוכיה דוידסונית ממבחנות המכילות חלבון GFP זוהר | צילום: אלכסנדרה אברוטין