Iluminación natural: ¿Qué es exactamente la bioluminiscencia y cómo funciona?

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La bioluminiscencia es el fenómeno por el cual los organismos vivos producen luz como resultado de una reacción química. Es una forma de quimioluminiscencia, en la que dos o más sustancias químicas reaccionan para formar un intermedio excitado (de alta energía), que luego se descompone, liberando parte de su energía como fotones de luz, para alcanzar su estado fundamental. La radiación electromagnética liberada puede ser luz visible, ultravioleta o infrarroja.

En bioluminiscencia, sin embargo, menos del 20% de la luz genera radiación térmica o calor.

Naturalmente, estamos más familiarizados con la bioluminiscencia visible que podemos ver, por ejemplo, a la luz de una luciérnaga, pero muchas otras especies, incluso los humanos, emiten luz de un tipo u otro.

Entonces, ¿Como sucede esto?

Bioluminescence

¿Qué causa la bioluminiscencia?

Aquí es cuando debemos detenernos y recordar la segunda ley de la termodinámica. Esta ley establece que la entropía en sistemas cerrados siempre está aumentando. Esto se debe a que ningún proceso termodinámico es 100% eficiente; siempre hay una cierta cantidad de energía que no se puede convertir en trabajo. Esta energía «inútil» se libera al medio ambiente en forma de calor, lo que aumenta el desorden molecular (la entropía) del sistema.

Pero la conversión de energía química en luz que ocurre en la bioluminiscencia es tan eficiente que se libera muy poco calor al medio ambiente. Por eso se llama «bioluminiscencia», porque la luminiscencia es la emisión de luz de ciertos materiales cuando están relativamente fríos. Entonces, esto se puede considerar como «luz fría».

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¿Y cómo producen los seres vivos esta luz? Depende de las especies.

La reacción química que generalmente resulta en bioluminiscencia requiere dos sustancias químicas: luciferina y luciferasa o fotoproteína. La luciferina es el compuesto que produce luz y el color exacto producido es el resultado de la disposición de las moléculas de luciferina.

Algunos organismos bioluminiscentes pueden sintetizar luciferina por sí mismos, mientras que otros la absorben a través de otros organismos, ya sea consumiéndolos como alimento o existiendo en una relación simbiótica con un organismo productor de luciferina. El calamar, por ejemplo, tiene una relación simbiótica con las bacterias bioluminiscentes que viven en los órganos de luz del calamar.

La enzima luciferasa interactúa con la luciferina oxidada para crear un subproducto, llamado oxiluciferina, y es esta reacción química la que crea la luz.

Si bien la mayoría de las reacciones bioluminiscentes involucran luciferina y luciferasa, algunas involucran una sustancia química llamada fotoproteína. La fotoproteína se combina con luciferinas y oxígeno, junto con otro agente, como el ion calcio, para producir luz.

La jalea de cristal, una especie de hidromedusa que vive en la costa oeste de América del Norte, utiliza una fotoproteína llamada aequorina, que es activada por iones de calcio. El calcio genera la catálisis y es tan rápido que produce destellos de luz muy breves.

Por otro lado, las luciérnagas, quizás los organismos vivos bioluminiscentes más famosos, combinan oxígeno con calcio, trifosfato de adenosina (ATP) y luciferina en presencia de luciferasa para producir luz. Esta reacción tiene lugar en órganos especiales ubicados en su abdomen.

También hay bacterias que emiten luz. Estos se encuentran más comúnmente en el medio marino. Las criaturas unicelulares llamadas dinoflagelados son habitantes de la superficie planctónica que son responsables de producir un efecto brillante o lechoso en la superficie del océano.

Los dinoflagelados bioluminiscentes producen luz mediante una reacción de luciferina-luciferasa. La luciferasa que se encuentra en los dinoflagelados está relacionada con la clorofila química verde que se encuentra en las plantas.

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Pero, ¿por qué los seres vivos emiten luz?

Quizás hayas escuchado que las luciérnagas usan su luz para atraer parejas, pero no son las únicas especies bioluminiscentes que lo hacen. Algunos gusanos y crustáceos diminutos también atraen a sus parejas de esta manera. Los ostrácodos machos, por ejemplo, en realidad vomitan moco bioluminiscente para impresionar a sus hembras.

Otros animales usan la bioluminiscencia para cazar presas, defenderse de los depredadores y ejecutar otras actividades vitales.

La luz del sol ilumina el océano a unos 200 m de profundidad antes de que no pueda penetrar más en el agua. Esta primera capa cubierta por la luz solar se llama zona fótica y es donde habita la mayoría, alrededor del 90% de la vida marina.

A medida que nos adentramos más y más, el océano se vuelve cada vez más oscuro. Pronto, vemos mucha de la vida marina restante que ha mostrado adaptaciones increíbles a la oscuridad permanente y casi total de su hábitat. Una de estas adaptaciones es la capacidad de producir luz para atraer a sus presas.

Algunas especies utilizan la bioluminiscencia para confundir a los atacantes. Muchas especies de calamares, por ejemplo, asustan a los depredadores mostrándolos. El calamar utiliza la confusión momentánea de su atacante o un escape rápido.

Hay varias especies —como el calamar luciérnaga— que utilizan la bioluminiscencia bacteriana para la contrailuminación. Se trata de una especie de método de camuflaje activo en el que los animales utilizan la luz para imitar el brillo y las longitudes de onda de los fondos, para crear una especie de efecto sigiloso en el que se funden con su entorno.

De esta manera, permanecen invisibles o parecen más grandes o más pequeños de lo que realmente son, confundiendo a los depredadores y / o colocando trampas para sus presas. Esto es más común en la zona media del agua, donde todavía queda algo de luz tenue.

El pez hacha es otro animal que usa contrailuminación. Sus órganos productores de luz apuntan hacia abajo. Al ajustar la cantidad de luz que proviene de la parte inferior, puede igualar la intensidad de la luz que proviene de arriba para volverse virtualmente invisible para los depredadores que se encuentran debajo.

Bioluminescence

Bioluminiscencia en humanos

Según un estudio reciente, resulta que la mayoría de los animales emiten algo de luz, incluidos los humanos. Es solo que no podemos verlo porque es mil veces menos intenso de lo que podemos detectar a simple vista.

En un estudio realizado por el Instituto de Tecnología de Tohoku en 2009, los científicos pidieron a cinco voluntarios que entraran en una cámara sellada con luz y los observaron con una cámara ultrasensible capaz de capturar fotones individuales. De esta manera, descubrieron que los voluntarios brillaban rítmicamente durante el día.

Las emisiones de luz tuvieron un pico a las 4 de la tarde y disminuyeron hacia la noche, por lo que los científicos concluyeron que el fenómeno estaba relacionado con el reloj interno del cuerpo humano. Lo verificaron interrumpiendo los patrones de sueño de los voluntarios, lo que eventualmente también interrumpió el ciclo del resplandor.

Los científicos no saben exactamente por qué sucede esto, pero el vínculo con los ritmos circadianos del cuerpo les hace creer que está relacionado con el metabolismo del cuerpo.

Es probable que esta bioluminiscencia sea un efecto secundario de las reacciones metabólicas, ya que los radicales libres altamente reactivos producidos a través de la respiración celular interactúan con los lípidos y proteínas que flotan libremente. Las moléculas «excitadas» resultantes pueden reaccionar con sustancias químicas llamadas fluoróforos para emitir fotones. Estas reacciones metabólicas son menos frecuentes o intensas por la noche, por lo que se emite menos luz en ese momento.

El investigador Hitoshi Okamura, biólogo de la Universidad de Kioto, dice que si este es el caso, detectar las emisiones de luz del cuerpo humano podría ayudar a detectar condiciones médicas algún día.

¿Se convertirán las cámaras ultrasensibles en una herramienta de diagnóstico en el futuro? Sólo el tiempo dirá.

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