Bioluminesens: Cahaya daripada Hidupan

Di tebing sungai di Kuala Selangor, banyak kelip-kelip pada pokok berembang boleh berkelip secara berirama pada waktu malam. Di laut yang gelap, banyak hidupan lain juga bercahaya, walaupun tiada Matahari atau lampu berhampiran. Fenomena ini dinamakan bioluminesens. Ia ditemui pada organisma yang sangat berbeza, termasuk bakteria, dinoflagelat, ubur-ubur, krustasea, sotong, ikan dan serangga seperti kelip-kelip.

Bagaimana tindak balas kimia menghasilkan cahaya?

Dalam banyak sistem bioluminesens, molekul substrat yang disebut luciferin bertindak balas dengan oksigen. Enzim luciferase sering mempercepat tindak balas itu. Tindak balas ini menghasilkan molekul yang berada dalam keadaan bertenaga tinggi. Apabila molekul itu kembali kepada keadaan tenaga yang lebih rendah, tenaga yang dilepaskan keluar sebagai cahaya. Pada kelip-kelip, tindak balas ini turut memerlukan ATP, iaitu molekul pembawa tenaga dalam sel, dan ion magnesium.

Dalam banyak sistem bioluminesens, luciferin bertindak balas dengan oksigen dan tindak balas itu dibantu oleh enzim luciferase. Produk yang terhasil berada dalam keadaan teruja, dan apabila kembali ke tenaga lebih rendah, cahaya dipancarkan. Model ringkas; bahan dan langkah tindak balas berbeza antara organisma.

Namun, bioluminesens bukan satu sistem kimia tunggal. Jenis luciferin dan mekanisme tindak balas berbeza antara kumpulan organisma, dan sesetengah sistem menggunakan fotoprotein yang mengeluarkan cahaya apabila dicetuskan oleh keadaan kimia tertentu. Oleh sebab itu, penerangan mudah tentang luciferin dan luciferase ialah model yang berguna, tetapi ia tidak merangkumi setiap organisma bercahaya. Organisma juga boleh mengawal masa, tempat dan kadangkala keamatan cahaya yang dihasilkan.

Cahaya sebagai alat hidup

Cahaya ini mempunyai fungsi yang berbeza mengikut organisma. Sesetengah pemangsa menggunakan cahaya untuk menarik mangsa. Ada organisma menggunakannya sebagai isyarat kepada pasangan, seperti kelip-kelip jantan yang menyala pada corak tertentu, atau untuk mengelirukan pemangsa. Haiwan laut tertentu pula menghasilkan cahaya pada bahagian bawah tubuh supaya siluetnya kurang jelas apabila dilihat dari bawah, strategi yang dikenali sebagai pencahayaan balas.

Di permukaan laut, sesetengah dinoflagelat bercahaya apabila air terganggu oleh ombak, bot atau pergerakan lain. Di laut dalam, bioluminesens sangat lazim dan banyak cahaya yang dihasilkan berwarna biru hingga hijau, iaitu julat yang dapat merambat dengan baik dalam air laut. Namun, warna lain juga wujud, misalnya cahaya kuning kehijauan pada kelip-kelip.

Bioluminesens bukan pendarfluor

Organisma bioluminesen menghasilkan cahaya melalui tindak balas kimia. Pendarfluor berbeza, kerana bahan menyerap cahaya pada suatu panjang gelombang lalu memancarkan semula cahaya pada panjang gelombang lain. Oleh itu, objek pendarfluor memerlukan sumber cahaya luar untuk kelihatan berpendar, sedangkan bioluminesens mempunyai sumber tenaga kimianya sendiri.

Bagaimana kita mengetahui hal ini?

Bagaimana kita tahu?

Pemerhatian
Manusia sudah lama melihat kayu reput, ikan mati dan serangga tertentu bercahaya dalam gelap. Menurut catatan sejarah sains, pada abad ke-17 Robert Boyle mendapati bahawa cahaya pada kayu reput dan ikan menjadi malap apabila udara dikeluarkan daripada bekas, yang menunjukkan bahawa udara diperlukan.
Bukti
Pada akhir abad ke-19, ahli farmakologi Perancis, Raphaël Dubois, mengkaji kumbang dan kerang laut bercahaya. Beliau memperoleh dua ekstrak daripada organisma itu, dan cahaya hanya muncul semula apabila kedua-dua ekstrak dicampurkan. Kajian kimia kemudian mengenal pasti molekul seperti luciferin dan enzim seperti luciferase dalam banyak sistem.
Inferens
Keputusan ini menyokong idea bahawa sekurang-kurangnya dua komponen kimia diperlukan, iaitu satu bahan yang digunakan dalam tindak balas dan satu pemangkin.
Model
Model asasnya menerangkan pengoksidaan luciferin yang menghasilkan keadaan bertenaga lalu melepaskan foton apabila kembali ke keadaan tenaga lebih rendah.
Batasan
Tidak semua organisma menggunakan luciferin, enzim atau struktur penghasil cahaya yang sama. Sesetengah haiwan juga memperoleh cahaya melalui hubungan dengan bakteria bioluminesen, bukan daripada tindak balas yang mereka hasilkan sendiri.

Aktiviti

Bahan

Dua batang cahaya (glow stick) yang sama jenis dan sama tempoh sah
Dua gelas lutsinar yang sama saiz
Air sejuk bercampur ais
Air suam yang dituang oleh orang dewasa
Bilik yang boleh digelapkan
Jam atau telefon

Langkah

Minta orang dewasa menyediakan satu gelas berisi air sejuk bercampur ais dan satu gelas berisi air suam, dengan isi padu air yang sama banyak.
Patahkan kedua-dua batang cahaya mengikut arahan pada bungkusan, goncangkan seketika, kemudian masukkan satu batang ke dalam setiap gelas pada saat yang sama.
Gelapkan bilik dan bandingkan kecerahan cahaya kedua-dua gelas pada minit pertama. Jika boleh, ambil gambar dengan tetapan kamera yang sama.
Bandingkan sekali lagi selepas kira-kira setengah jam dan catat gelas mana yang lebih terang dan gelas mana yang lebih malap.

Perhatikan

Perhatikan sama ada cahaya lebih terang pada awalnya dalam gelas yang lebih suam dan sama ada cahaya itu lebih cepat malap kemudian. Pada banyak batang cahaya keadaan ini berlaku, tetapi keputusan boleh berbeza mengikut jenama. Aktiviti ini menunjukkan bahawa suhu mempengaruhi kadar tindak balas kimia yang menghasilkan cahaya. Ia tidak membuktikan bahawa organisma menggunakan bahan yang sama, kerana batang cahaya menghasilkan cahaya melalui kemiluminesens, iaitu penghasilan cahaya oleh tindak balas kimia; dalam aktiviti ini, sistem itu buatan manusia dan bukan bioluminesens.

Keselamatan

Cecair dalam batang cahaya boleh merengsakan kulit dan mata. Jangan potong, gigit atau patahkan batang cahaya sehingga bocor. Jika cecair terkena kulit atau mata, bilas dengan banyak air bersih dan beritahu orang dewasa. Hanya orang dewasa yang boleh menuang air suam, dan air itu tidak perlu mendidih. Buang batang cahaya dengan betul selepas aktiviti.

Uji KefahamanSoalan 1 daripada 3

Apakah sumber langsung cahaya dalam bioluminesens?