Forskning förklarar hur en encellig marin organism genererar ljus som ett svar på mekanisk stimulering, lyser upp brytande vågor på natten.

Med några års mellanrum, en blomning av mikroskopiska organismer som kallas dinoflagellater förvandlar kusterna runt om i världen genom att förse brytande vågor med ett kusligt blått sken. Årets spektakulära blomning i södra Kalifornien var ett särskilt slående exempel. I en ny studie publicerad i tidskriften Fysiska granskningsbrev , forskare har identifierat den underliggande fysiken som resulterar i ljusproduktion i en art av dessa organismer.

Det internationella laget, ledd av University of Cambridge, utvecklat unika experimentella verktyg baserade på mikromanipulation och höghastighetsavbildning för att visualisera ljusproduktion på encellsnivå. De visade hur en encellig organism av arten Pyrocystis lunula producerar en ljusblixt när dess cellvägg deformeras av mekaniska krafter. Genom systematiska experiment, de fann att blixtens ljusstyrka beror både på djupet av deformationen och den hastighet med vilken den utsätts.

Känd som ett "viskoelastiskt" svar, detta beteende finns i många komplexa material såsom vätskor med suspenderade polymerer. När det gäller organismer som Pyrocystis lunula, känd som dinoflagellater, denna mekanism är troligen relaterad till jonkanaler, som är specialiserade proteiner fördelade på cellmembranet. När membranet är stressat, dessa kanaler öppnar sig, tillåter kalcium att flytta mellan fack i cellen, utlöser en biokemisk kaskad som producerar ljus.

"Trots decennier av vetenskaplig forskning, främst inom området biokemi, den fysiska mekanismen genom vilken vätskeflöde utlöser ljusproduktion har förblivit oklar, " sa professor Raymond E. Goldstein, Schlumberger professor i komplexa fysiska system vid institutionen för tillämpad matematik och teoretisk fysik, som ledde forskningen.

"Våra fynd avslöjar den fysiska mekanismen genom vilken vätskeflödet utlöser ljusproduktion och visar hur elegant beslutsfattande kan vara på encellsnivå, " sa Dr Maziyar Jalaal, tidningens första författare.

Bioluminescens har varit av intresse för mänskligheten i tusentals år, som det är synligt som skenet från nattliga vågor i havet eller gnistan av eldflugor i skogen. Många författare och filosofer har skrivit om bioluminescens, från Aristoteles till Shakespeare, som i Hamlet skrev om glödmaskens 'ineffektiva eld'; en hänvisning till produktion av ljus utan värme:

"...
Att sticka och sticka henne. Ha det bra på en gång.
Glödmasken visar att matinen är nära,
Och börjar blekna sin ineffektiva eld.
Adjö, adjö, adjö. Kom ihåg mig."

Bioluminescensen i havet är, dock, inte "ineffektivt." I kontrast, den används för försvar, anfall, och parning. När det gäller dinoflagellater, de använder ljusproduktion för att skrämma bort rovdjur.

Resultaten av den aktuella studien visar att när deformationen av cellväggen är liten, ljusintensiteten är liten oavsett hur snabbt fördjupningen görs, och den är också liten när fördjupningen är stor men appliceras långsamt. Endast när både amplituden och hastigheten är stora maximeras ljusintensiteten. Gruppen utvecklade en matematisk modell som kunde förklara dessa observationer kvantitativt, och de föreslår att detta beteende kan fungera som ett filter för att undvika att falska ljusblixtar utlöses.

Sålänge, forskarna planerar att mer kvantitativt analysera fördelningen av krafter över hela cellerna i vätskeflödet, ett steg mot att förstå ljusförutsägelsen i ett marint sammanhang.

Andra medlemmar i forskargruppen var postdoktor Hélène de Maleprade, gästande studenter Nico Schramma från Max-Planck Institute for Dynamics and Self-Organisation i Göttingen, Tyskland och Antoine Dode från Ècole Polytechnique i Frankrike, och gästprofessor Christophe Raufaste från Institut de Physique de Nice, Frankrike.