Αν και είναι γνωστή εδώ και αιώνες, η βιοφωταύγεια παραμένει ένα από τα μεγάλα μυστήρια της θάλασσας και μόλις τώρα  οι επιστήμονες αρχίζουν να θέτουν σημαντικά ερωτήματα γύρω απ’ αυτήν, όπως ποια είναι τα χαρακτηριστικά των φωτεινών εκπομπών των οργανισμών που παρουσιάζουν βιοφωταύγεια, πώς τις παράγουν και – το σημαντικότερο από οικολογική σκοπιά – γιατί τις παράγουν. Μπορούμε όμως να την αξιοποιήσουμε για να φωτίσει τις πόλεις μας;

Οι επισκέπτες του Μουσείου της Ακρόπολης μπροστά στην απαράμιλλη  τέχνη των Αρχαίων Ελλήνων, μπορεί μερικές φορές να παρουσιάζουν λιποθυμία, ταχυπαλμίες ακόμα και παραισθήσεις όπως ακριβώς θα ένιωθε και ένας φανατικός οπαδός μιας ποδοσφαιρικής ομάδας αν συναντούσε τα ινδάλματά του. Αυτά τα συμπτώματα είναι γνωστά ως σύνδρομο Stendhal. Τα ίδια ακριβώς συναισθήματα έντονου θαυμασμού και δέους μπορείς να τα νιώσεις έχοντας ζήσει μια εμπειρία βιοφωταύγειας στο βυθό της θάλασσας.

Η βιοφωταύγεια, ή το «ζωντανό φως», έχει γοητεύσει τους ανθρώπους εδώ και χιλιάδες χρόνια. Φωταύγεια είναι η εκπομπή φωτός από μία ουσία μη προερχόμενη από μετατροπή θερμότητας, σε φωτεινή ενέργεια. Είναι δηλαδή μια μορφή ακτινοβολίας ψυχρού σώματος όπου λιγότερο από το 20% του φωτός εκπέμπει θερμική. Ουσιαστικά, πρόκειται για την εκπομπή φωτός από ένα φωτόνιο, που δημιουργείται κατά τη διέγερση ενός μορίου από χημική, ηλεκτρική, υπό-ατομική ή μηχανική. Η προσληφθείσα ενέργεια, λόγω της διέγερσης από τα ηλεκτρόνια, μετατρέπεται σε φωτεινή ακτινοβολία (φωτόνια), που εκπέμπεται καθώς τα ηλεκτρόνια κινούνται αποφορτιζόμενα, προς μία κατώτερη ενεργειακή στιβάδα.

Η φωταύγεια αποτελεί την πιο αξιόπιστη εργαστηριακή μέθοδο ανίχνευσης ουσιών στην Ιατρική, ανάμεσα από τις άλλες χρησιμοποιούμενες μεθόδους των ραδιοϊσοτόπων, του φθορισμού, της απορρόφησης και των δοκιμών ανίχνευσης αντιγόνων, με κοινό χαρακτηριστικό την παραγωγή ενός χαμηλού αναγνωριστικού σήματος. Ό όρος «φωταύγεια» χρησιμοποιήθηκε για πρώτη φορά το 1878 από τον Eilhardt Wiedemann5 ενώ ο Osamu Shimomura φαίνεται ότι είναι ο «πατέρας» της έρευνας της χημικής φωταύγειας.

Ο Αναξιμένης ο Μιλήσιος (585-528 π.Χ.), ίσως έγραψε πρώτος για τη φωταύγεια στη θαλάσσια πανίδα και ο Αριστοτέλης (348-322 π.Χ.) ήταν ο πρώτος που εντόπισε το ψυχρό φως που εκπέμπουν κάποια νεκρά ψάρια και μικροοργανισμοί, (περιέγραψε περίπου 180 είδη θαλάσσιων ειδών και εντόμων). Είναι χαρακτηριστικά τα λόγια του Τίτου Λίβυου (59-17 π.Χ.), που ανέφερε ότι «η θάλασσα έμοιαζε να φλέγεται εκείνη τη χρονιά», καθώς κι ότι «οι λόγχες πολλών στρατιωτών στη Σικελία και το μπαστούνι ενός ιππέα στη Σαρδηνία έμοιαζαν να καίγονται», ενώ ο Πλίνιος ο πρεσβύτερος έγραφε ότι «οι ακτές φωτίζονταν από συχνές φωτιές». Ο ίδιος, περιέγραψε πολλούς βιοφωταυγείς οργανισμούς, όπως μέδουσες -κοινό είδος στις ακτές της Νάπολης, όπου ο ίδιος σκοτώθηκε κατά τη διάρκεια της έκρηξης του Βεζούβιου- μανιτάρια κ.ά, στο έργο του «Historia Naturalis» επιβεβαιώνοντας μάλιστα ότι οι Ρωμαίοι αρέσκονταν να τους τρώνε.

Ο E. Newton Harvey, ερευνητής στο Princeton University, φαίνεται να είναι ο «πατέρας» της σύγχρονης επιστήμης της βιοφωταύγειας, με συστηματική έρευνα και ταξινόμηση των οργανισμών που παρουσιάζουν το φαινόμενο αυτό. Ασχολήθηκε ιδιαίτερα με τους θαλάσσιους οργανισμούς, στους οποίους ανακάλυψε ότι η λουσιφερίνη εκκρίνεται μέσα στους αδένες τους. Ο Dr William McElroy τέλος, από το Johns Hopkins University, ανακάλυψε το 1948, ότι η λαμπρότητα της παραγομένης βιοφωταύγειας ρυθμίζεται από την ποσότητα ΑΤΡ  που περιέχεται στα κύτταρα του κάθε οργανισμού κατά τη χημική αντίδραση μεταξύ λουσιφερίνης και λουσιφεράσης, ουσίες που απομόνωσε από χιλιάδες πυγολαμπίδες. Η έρευνα και οι ανωτέρω ανακαλύψεις θεμελίωσαν μια νέα περίοδο για την περεταίρω ανάπτυξη της επιστήμης της βιοφωταύγειας και ποικίλων εφαρμογών στην επιστήμη της χημείας και της βιολογίας.

Μία από τις πιο γνωστές ανακαλύψεις στον τομέα αυτόν ήταν η Πράσινη Φθορίζουσα Πρωτεΐνη (Green Fluorescent Protein ή GFP), η οποία απομονώθηκε από τη βιοφωταυγή μέδουσα Aequorea Victoria, και μαζί με άλλες φθορίζουσες πρωτεΐνες έχει φέρει την επανάσταση σε πληθώρα τομέων, από την ανοσολογία έως και τη νευροεπιστήμη. H GFP δύναται να συνδεθεί με «αόρατες» (μη φθορίζουσες) πρωτεΐνες, επιτρέποντας στους ερευνητές να κατανοήσουν περαιτέρω την κυτταρική βλάβη που προκαλεί η νόσος του Alzheimer, όπως και άλλες νευρολογικές ασθένειες, να βελτιώσουν τον εντοπισμό θρόμβων, να ιχνηλατήσουν την εξάπλωση του HIV, ακόμα και να καταπολεμήσουν τον καρκίνο.

Διαφορετικά χρώματα φωτός παράγονται από την ανάμειξη των λουσιφερινών με διαφορετικές λουσιφεράσες. Αυτά τα διαφορετικά χρώματα είναι επηρεάζονται από το βιότοπο, το θαλάσσιο περιβάλλον και τα θαλάσσια είδη. Τα θαλάσσια είδη που βρίσκονται σε μεγάλα βάθη, εκπέμπουν γενικά μπλε φως, ενώ τα παράκτια θαλάσσια είδη ακτινοβολούν συχνότερα προς το πράσινο. Τα χερσαία είδη και τα είδη γλυκού νερού συνήθως εκπέμπουν στο κίτρινο χρώμα. Είναι γνωστοί τουλάχιστον 11 διαφορετικοί τύποι λουσιφερινών, μαζί με δεκάδες συναφείς λουσιφεράσες, γεγονός που υποδηλώνει ότι η βιοφωταύγεια έχει εξελιχθεί πολλές φορές στο δέντρο της ζωής.

Πρόσφατες μελέτες αναφέρουν ότι ο αριθμός αυτός είναι τουλάχιστον 94 φορές, και μάλιστα η μελέτη αυτή διαπίστωσε ότι η παραγωγή φωτός από τα θαλάσσια είδη έχει εξελιχθεί τουλάχιστον 27 διαφορετικές φορές. Το 90% της υποθαλάσσιων οργανισμών (σε μεγάλα βάθη), εκτιμάται ότι παράγουν κάποιας μορφής βιοφωταύγεια. Περισσότερα από 700 είδη είχαν ήδη ορισθεί, αλλά πολλά θαλάσσια είδη δεν είναι έως τώρα γνωστά, μια και ζουν σε ακόμη ανεξερεύνητα βάθη ωκεανών. Οι περισσότεροι θαλάσσιοι οργανισμοί βιοφωταυγούν στο φάσμα του μπλε και του πράσινου, επειδή αυτά τα μήκη κύματος μπορούν να διαδοθούν ευκολότερα δια μέσου του θαλασσινού νερού. Μερικά είδη ψαριών παράγουν βιοφωταύγεια στο φάσμα του κόκκινου και γενικά της υπέρυθρης ακτινοβολίας  ενώ κάποια είδη του γένους των Τομόπτερων παράγουν στο φάσμα του κίτρινου.

Πρωτεΐνες που μοιάζουν με λουσιφερίνη μπορούν να βρεθούν ακόμη και σε ορισμένα μη φωτεινά είδη, και μπορούν να διεγερθούν για να να παράγουν φως με την έκθεση σε λουσιφεράσες. Η βιοφωταύγεια είναι διαδεδομένη στη φύση περισσότερο απ’ όσο νομίζουμε. Μια μελέτη του 2017 διαπίστωσε ότι ο βιοφωτισμός εμφανίστηκε σε περισσότερο από το 75% των των ειδών που παρακολουθούνταν σε 17 συναπτά χρόνια έρευνας. Η βιοφωταύγεια, ιδιαίτερα των θαλάσσιων οργανισμών, αξιοποιείται με θεαματικό ρυθμό από τη γενετική και τη βιοτεχνολογία, με στόχο τη βελτίωση της ποιότητας της ανθρώπινης ζωής.

Στη βιοτεχνολογία μεταξύ άλλων, η βιοφωταύγεια επέτρεψε την ανάπτυξη της ΑΤΡ, δηλαδή της τεχνικής της μοριακής βιολογίας για την ποσοτική ανίχνευση της ουσίας ΑΤΡ (που αντιδρά με το ένζυμο λουσιφεράση) σε διαφορετικά δείγματα, που επιτυγχάνεται μέσω ενός φωτόμετρου. Η αντίδραση της λουσιφερίνης με ΑΤΡ είναι ένα πολύτιμο πλέον εργαλείο για την Ιατρική για διαγνωστικούς λόγους. Άλλη ουσία, που περιέχεται σε διαφορετικά είδη βιοφωταυγών σκωλήκων «κουπιών» (Polychaete, ή κοινώς bristle ή paddle worm), αντιδρά με το σίδηρο και για το λόγο αυτό οι επιστήμονες τη χρησιμοποιούν για την ανίχνευση επαρκούς ποσότητας σιδήρου στον άνθρωπο και μάλιστα έχουν αρχίσει να την παράγουν συνθετικά. Σε πρόσφατες μάλιστα έρευνες, εκτιμάται ότι η ουσία αυτή, που την ονομάζουν «φωτο-πρωτεΐνη», δημιουργεί το περιβάλλον της οξειδωτικής αντίδρασης της λουσιφερίνης μέσω του ενζύμου λουσιφεράση.

Σε άλλα είδη, όπως η μέδουσα «Aequorea» ή «υδρομέδουσα», η βιοφωταύγεια απαιτεί την παρουσία ασβεστίου και για το λόγο αυτό χρησιμοποιείται η εμπεριεχόμενη σε αυτά φωτο-πρωτεΐνη Ακουερίνη  (Αequorin) για την ανίχνευση του ασβεστίου στον ανθρώπινο οργανισμό. Η Ακουερίνη αντιδρά (φωταυγεί) επίσης στην παρουσία στροντίου, ραδιενεργού ουσίας που προέρχεται από την ατομική διάσπαση, επομένως αποτελεί πολύτιμο εργαλείο για την ανίχνευσή του. Η Ακουερίνη κατ’ αυτόν τον τρόπο, μπορεί να γίνει πολύ χρήσιμη για την αποφυγή εξάπλωσης μιας μολυσματικής νόσου. Η λουσιφερίνη από κάποια φωταυγή είδη όπως η «θαλάσσια πυγολαμπίδα» (Cypridina), που τα ενδιαιτήματά της βρίσκονται στην Ιαπωνία και τον Κόλπο του Μεξικού, αντιδρά μόνο σε συνθήκες καθαρού αέρα και γι’ αυτό έχει ευρεία εφαρμογή για την ανίχνευση της μόλυνσης από καύσιμα αεροπλάνων ή διαστημοπλοίων αλλά και για την προστασία των αστροναυτών κατά τη διάρκεια των αποστολών. Μην ξεχνάτε ότι η γοητεία της βιοφωταύγειας μπορεί να σας προκαλέσει το μεθυστικό σύνδρομο Stendhal.