Perché le lucciole possono illuminarsi?

Gli uomini hanno inventato la lampadina alla fine del diciannovesimo secolo, ma alcune specie riescono ad emettere luce da molto più tempo. È tutto merito della bioluminescenza, cioè la capacità di alcuni esseri viventi di emettere luce visibile. Vista la sua peculiarità, si potrebbe pensare che questa caratteristica coinvolga solo una piccola parte degli organismi viventi, ma in realtà è piuttosto comune, comprendendo organismi più semplici come batteri e protisti, ma anche pesci, cefalopodi e insetti. Al momento gli unici gruppi animali in cui non si è riscontrata alcuna attività luminosa sono le angiosperme e i vertebrati terrestri.

Nella maggior parte dei casi la bioluminescenza è una caratteristica intrinseca alla specie che grazie ad una reazione chimica è in grado di convertire l’energia chimica in energia luminosa. Il tutto deve avvenire in presenza di ossigeno, il quale funziona da attivatore di questa reazione. Grazie a lui, infatti, avviene l’ossidazione di una particolare proteina, la luciferina (in latino lucifer cioè “portatore di luce”) che grazie all’enzima luciferasi fa sì che quasi tutta l’energia chimica venga convertita in luce. L’enzima luciferasi non è il nome di un singolo enzima, ma è un termine usato per indicare una famiglia di enzimi che possono differire tra un organismo e l’altro, e così anche per la luciferina che varia all’interno delle diverse specie.

L’esempio emblematico che viene in mente quando si parla di bioluminescenza è sicuramente la lucciola. Questi insetti appartenenti all’ordine dei Coleotteri emettono luce grazie alla classica reazione chimica che coinvolge luciferine e luciferasi che avviene all’interno di un organo specializzato presente sull’addome. Per questi invertebrati la luce svolge un ruolo fondamentale nell’accoppiamento, permettendo a maschi e femmine della stessa specie di trovarsi. La femmina infatti è attera, cioè priva di ali, ed è in grado di emettere luce anche per lunghi periodi con lo scopo di farsi trovare dal maschio, dotato di ali e capace di emettere luce per lasso di tempo più breve. Un aspetto curioso legato alla bioluminescenza di questi insetti è che le frequenze di luce sono specie specifiche, cioè ogni specie ne presenta una caratteristica. Alcune specie di lucciole hanno sviluppato l’astuta strategia di imitare le frequenze di luce di altre specie con l’unico scopo di attirarle e mangiarle.

Non tutti gli organismi viventi in grado di emettere luce possono contare sulla reazione chimica prodotta dalle luciferasi. Alcuni si fanno aiutare da una strategia piuttosto comune in natura: la simbiosi. All’interno del corpo di alcune specie possono essere presenti dei batteri bioluminescenti, che sono i principali responsabili dell’emissione della luce da parte delle specie di cui sono simbionti. Sono proprio questi microrganismi a riuscire ad illuminarsi secondo la reazione chimica già vista in precedenza e a rendere di conseguenza anche l’organismo con il quale convivono a sua volta bioluminescente.

È facile anche imbattersi in questi batteri bioluminescenti non in relazioni con altri organismi. In alcuni ambienti, come ad esempio quello marino, questi microrganismi sono in grado di dare vita ad una bioluminescenza basata sul “quorum sensing”, emettono, cioè, luce visibile quando raggiungono elevate concentrazioni all’interno di un determinato spazi. Danno vita così a fenomeni spettacolari come i milky seas, cioè “mari di latte”, vaste superfici luminose che possono essere rilevate anche dai satelliti in orbita intorno alla Terra. Ancora oggi questi avvenimenti sono oggetto di numerosi studi da parte della comunità scientifica, alla ricerca incessante dei meccanismi che alla base della loro origine.

Un esempio senza dubbio molto interessante di bioluminescenza è Euprymna scolopes, noto comunemente con il nome di calamaro delle Hawaii. Questa specie è una delle tante che deve la sua bioluminescenza alla simbiosi con dei batteri, in questo caso quelli appartenenti alla specie Vibrio fischeri, che si trovano in uno specifico organo all’interno del mantello del cefalopode. La presenza di questi piccoli microrganismi permette al calamaro di mettere in atto una strategia definita controilluminazione, metodo per mimetizzarsi che consiste nel produrre luce molto simile ad uno sfondo illuminato, come può essere la superficie dell'oceano o il cielo. La luminosità emessa può inoltre essere regolata, adattandosi così a diverse intensità di luce e permettendo all’animale di passare totalmente inosservato.

La maggior parte degli organismi bioluminescenti sono costituiti da specie che vivono in ambiente acquatico. L’ambiente marino ospita circa l’80% di queste specie includendo anche organismi molto diversi tra loro, sia vertebrati che invertebrati. Tra questi troviamo il plankton che in realtà non è una sola specie, ma è un insieme eterogeneo di organismi diversi accomunati dalla caratteristica di non essere capaci di nuotare attivamente all’interno dell’acqua. Altri esempi sono le numerose specie di molluschi (come Watasenia scintillans detto calamaro lucciola) e di cnidari, come le meduse del genere Equorea e Pelagia presenti nel Mar Mediterraneo. Ma anche tra i vertebrati troviamo alcuni esempi di bioluminescenza, come gli squali delle famiglie Dalatiidae, Somniosidae ed Etmopteridae che presentano dei veri e propri organi luminosi il cui scopo sembra essere quello di fare controilluminazione.

Tra gli organismi viventi più affascinanti e ancora poco conosciuti del nostro pianeta abbiamo loro, i funghi. Alcune specie hanno la capacità di emettere luce. Quelli bioluminescenti sono solitamente appartenenti a specie che crescono su tronchi e foglie marcescenti e in decomposizione. I rappresentati più conosciuti sono quelli che appartengono ai generi Armillaria, Mycena, Panellus, Omphalotus e Pleurotus. Tuttavia, non sono molte le specie di questi gruppi che possiamo definire bioluminescenti. Infatti, sono solo 80 le specie (su un totale di 10.000 specie note di funghi) che posseggono questa caratteristica. Ad oggi questi funghi sono ancora oggetto di studio e si sta cercando di comprendere quale sia lo scopo della loro bioluminescenza. Una delle ipotesi ritenuta più attendibile è quella che sostiene l'utilizzo della luce come segnale per attrarre coleotteri, vespe e altri piccoli invertebrati affinché possano trasportare le spore in altre parti del loro habitat.

La bioluminescenza è stata ed è tutt’ora spunto di numerosi studi scientifici. Alcuni più di altri hanno permesso la realizzazione di scoperte che hanno modificato il mondo della ricerca. Una di queste è la scoperta, che valse il Nobel per la chimica al suo scopritore, della Green Fluorescent Protein (GFP), estratta per la prima volta dal chimico Osamu Shimomura. L’animale in cui è stata trovata la GFP è una medusa, Aequorea victoria, che è in grado di emettere luce da alcune aree che circondano il cappello. Questa proteina, se illuminata dai raggi UV, emette un forte colore verde fluorescente. Tale caratteristica le ha permesso di venir utilizzata come marcatore di cellule, proteine e geni, rivoluzionando completamente il mondo della biologia molecolare.

Ad una prima analisi potrebbe sembrare che la bioluminescenza non sia un grosso vantaggio evolutivo. Per alcune specie, essere visibili può fare la differenza tra l’essere predato o riuscire a fuggire. Eppure, anche la bioluminescenza porta con sé diversi vantaggi. Si pensa che la bioluminescenza sia nata come scarto della luciferasi la cui reazione avrebbe avuto un importante ruolo antiossidante per le specie. Con lo sviluppo di altre strategie più efficienti, le ragioni che spiegano la persistenza di questo meccanismo vanno ricercate altrove. Principalmente, la bioluminescenza è utilizzata per attrarre le prede o al contrario, per spaventare i predatori, ma può avere anche una funzione comunicativa, facendosi portatrice di un messaggio tra individui della stessa specie. Tutte queste funzionalità possono però essere minacciate dall’uomo che con l’inquinamento luminoso e i cambiamenti climatici che alterano il delicato equilibrio che spesso permette questo straordinario fenomeno.