Floresans Nedir? Biyofloresan Canlılar Nasıl Parlıyor?

Floresans, bir cismin kısa dalga boyundaki ışığı emme ve daha uzun dalga boyunda yayma özelliğidir. Biraz daha kapsamlı olarak açıklamak gerekirse floresans, genel olarak ultraviyole veya görünür ışığın yaydığı elektromanyetik radyasyonun bir molekül tarafından emilmesi ve ardından daha düşük enerjili bir fotonun emisyonu olgusudur. Buna ek olarak floresans, ışığın görünür ışık üretecek kadar sıcak olmayan bir madde tarafından yayılmasıdır (bu olay akkorluk olarak da adlandırılır). Dolayısıyla floresans, bir tür lüminesanstır çünkü ışık yayılımını içerir. Ancak ışık, maddenin sıcak olmasıyla meydana gelmez, bunun yerine, madde farklı bir dalga boyundaki ışığı emdiğinde ve ardından yeniden yaydığında meydana gelir.

Floresansta soğurulan ışık, maddedeki atomları ve molekülleri harekete geçirerek bunların titreşmesine, yüksek bir enerji durumuna yükselmesine sebep olur. Ancak bu artan enerji geçicidir ve atomlar veya moleküller sonunda daha düşük enerji durumlarına geri dönerler. Düşük enerji durumlarına döndüklerinde ise fazla enerjiyi ışık olarak serbest bırakırlar. Bu olay yalnızca floresans için değildir, bütün lüminesans şekilleri molekülün bir nedenle üstüne aldığı enerjiden foton yayarak kurtulmasıyla oluşur.^[1][2] Örneğin, bir madde görünür ışıktan daha kısa dalga boyuna sahip olan ultraviyole (UV) ışığı emerse, enerjiyi görünür ışık olarak yeniden yayabilir. Görünür ışık, UV ışığından daha uzun bir dalga boyuna sahip olacağı için insan gözü tarafından görülebilecektir.

Işığın dalga boyu, onu görüp göremeyeceğimizi ve hangi renkte göreceğimizi belirler. Türümüz bütün dalga boylarını göremez çünkü gözlerimizdeki fotoreseptör hücrelerden olan koni hücreleri sadece küçük bir bant aralığına duyarlıdır.

Buna ek olarak floresans malzemeler, radyasyon kaynağı durduğunda neredeyse anında parlamayı keserler.

Chemical&Engineering News

Floresans Bilimde Ne İşe Yarar?

Floresans, çeşitli alanlarda birçok uygulamaya sahiptir; çok yönlü ve yaygın olarak kullanılır. Biyolojik görüntüleme sahası bunlardan biridir. Floresan mikroskopları, canlı hücreleri ve dokuları incelemek için güçlü bir araçtır. Bu teknikte, bir örnek, belirli bir dalga boyundaki ışıkla uyarılır ve örnekteki floroforların daha uzun dalga boyunda ışık yaymasına neden olur. Bu yayılan ışık daha sonra bir mikroskop tarafından yakalanır ve örneğin bir görüntüsünü oluşturmak için kullanılır.^{[3], [4]}

Floresans özelliği, mineralojide, özellikle değerli mineralleri konu alan bilim dalı olan gemoloji alanında da kullanılır. Floresans özelliği ilk kez 1845'te William Herschel tarafından keşfedilmiş olsa da İngiliz fizikçi George Gabriel Stokes 1852 yılında, bir florit minerali inceleyip, bu araştırmanın üstüne koyarak bu özelliğe floresans adını vermiştir.^{[5], [6]}

Bazı mineraller ultraviyole ışık altında farklı renkte ışık yayarlar dolayısıyla bu, belirli mineralleri birbirinden ayırt etmek için kullanılabilir.^[7] Örneğin, elmas floresans özelliği gösteren bir mineraldir ve bu özellik pek çok bilimsel araştırmanın konusu olmuştur.^{[8], [9], [10]} Elmas mineralindeki floresans, genellikle mavi olmakla birlikte yeşil, kırmızı, sarı ve beyaz da olabilir.

UV Minerals.org

Son yıllarda gelişmekte olan sentetik elmas üretim teknolojisi, doğal ve sentetik elmas ayrımının doğru yapılabilir olması gerekliliğini gündeme getirmiştir. Bazı diğer spektroskopik çalışmalarla birlikte floresans özelliği ve buna paralel olarak geliştirilen floresans spektroskopisi çalışmaları doğal ve sentetik elmas ayrımına olanak vermektedir. Buna ek olarak floresans, jeolojide ve maden araştırmalarında belirli türdeki mineralleri ve cevher yataklarını tanımlamaya ve haritalandırmaya yardımcı olmak için de kullanılır. Bazı radyoaktif mineraller, kalsit, nadir toprak elementleri gibi önemli endüstriyel hammaddeler ultraviyole ışığa maruz kaldıklarında floresan ışık yayarlar. Jeologlar ve maden arama uzmanları bu özelliği maden yataklarını bulmak ve haritalamak için kullanabilirler.^{[11], [12]}

Feyza Ketenci Kayrak

Feyza Ketenci Kayrak

Adli bilimler, tıp, arkeoloji gibi alanlarda kullanılan görüntüleme teknolojilerinde de sık sık floresanstan yararlanılır.^[13]

Biyofloresans Nedir?

Biyofloresans, canlıların ultraviyole ışık altında parlama özelliğidir. Biyofloresans, deniz omurgalı ve omurgasızları, kuşlar, memeliler, sürüngenler, amfibiler, eklembacaklılar, bitkiler, tek hücreli canlılar dahil olmak üzere epey geniş bir canlı yelpazesinde gözlemlenmiş bir özelliktir.^[14] Ancak biyofloresanı biyolüminesans ile karıştırmamak gerekir: Biyolüminesans, canlı bir organizma tarafından ışığın kimyasal tepkimeler sonucu üretilmesi ve yayılmasıdır; ateş böcekleri veya fener balıkları biyolüminesansa sahip en bilindik canlı örneklerdendir. Ancak bu iki olay arasındaki farkı daha iyi kavrayabilmek adına biyolüminesans hakkındaki daha kapsamlı yazımıza buradan ulaşabilirsiniz.

Ateşböcekleri dışında diğer birçok hayvanda ışık saçılımının biyokimyasal mekanizması tam olarak anlaşılmamış olsa da, ışık üretim sürecinde biyofloresan ve biyolüminesansın net bir etkileşimi olmadığı bariz bir şekilde görülmektedir. Aradaki en temel fark biyofloresanın biyolüminesansın aksine kimyasal bir reaksiyon olmamasıdır.

Az önce de bahsettiğimiz gibi biyofloresans, ışığın daha yüksek enerjili dalga boyları (örneğin, ultraviyole veya mavi ışık) absorbe edildiğinde ve ardından organizmalarda daha düşük enerji dalga boylarında yeniden yayıldığında meydana gelir; ateşböceği örneğinde olduğu gibi kimyasal bir reaksiyon gerçekleşmez. Biyofloresan sonucu yayılan renkler mavi, yeşil ve kırmızı gibi parlak floresan renklerden herhangi biri olabilir.

Normal ışık altında, çıplak gözle görülemeyen biyofloresansın varlığınının uzun süre mercan ve balık türleriyle sınırlı olduğu düşünülüyordu; çünkü 21. yüzyıldan önce bu konuda bildiklerimiz bir hayli kısıtlıydı. 2000 yılından sonra hızlanan çalışmalar ve son keşifler ile birlikte gördük ki, canlı organizmalar arasında biyofloresans düşündüğümüzden çok daha yaygındır. Bu organizmalarda biyofloresansın işlevi ve evrimi hala tam olarak anlaşılamamış olsa da bu konu ilerleyen zamanlarda daha iyi anlayacağımız, aktif bir araştırma alanıdır.

Memelilerde Biyofloresans

Biyofloresans, memeliler bazında bakıldığında eski dünyaya nazaran yeni dünyada oldukça yaygındır. Yeni dünyada ornitorenk (Ornithorhyncus anatinus), keseli sıçanlar (Didelphidae) ve yeni dünya uçan sincapları (Gluacomys spp.) gibi bir çok canlıda bu özellik kayıt altına alınmıştır.

The New York Times

Lee Rentz Photography Journal

Yukarıda gördüğünüz canlı, biyofloresansa sahip bir uçan sincap türüdür. Uçan sincaplar kolları arasındaki, süzülmeye yarayan deri parçalarına sahiptir ve bazı türlerinin biyofloresansa sahip olması onları daha da ilgi çekici kılmaktadır.

Aslında bu özellik tamamen tesadüfi bir şekilde, 2019 yılında bir ormancılık profesörü olan Jon Martin tarafından keşfedilmiştir. Jon Martin, bir gece Wisconsin ormanını keşfederken, oradaki biyofloresan liken ve mantar gibi canlıları incelediği sırada bir uçan sincap sesi ilgisini çekmiştir. Elindeki UV el fenerini sincaba doğrulttuğunda pembe bir ışıma görmüştür. Daha sonra bu konuda kapsamlı bir araştırma yapılmıştır. Araştırmada, Kuzey Amerika'da bulunan sincapgiller familyasına ait 6 sincap türü incelenmiştir; incelenen türlerden üç tanesi, yukarıda gördüğünüz Glaucomys cinsine ait uçan sincaplardır (Glaucomys oregonensis, Glaucomys sabrinus, Glaucomys volans). Geriye kalan türler ise başka cinslere ait ve uçan sincap olarak sınıflandırılmayan türlerdir. Araştırmanın sonunda uçan sincapların üçünde biyofloresan gözlemlenirken diğer türlerde gözlemlenmemiştir.

Uçan sincaplar, gece ve alacakaranlıkta aktif canlılardır, düşük ışık koşulları, ultraviyole ışık açısından nispeten zengindir ve UV görüşünün genellikle gece hayvanları için önemli olduğu düşünülmektedir. Bu nedenle araştırmayı yapan bilim insanları da pembe parıltının gece algısı ve iletişim ile bir ilgisi olduğunu düşünmektedirler. Aynı zamanda pembe renk, uçan sincapların karşılaştığı, soğuk ve karlı ortamlarda gezinmesine yardımcı oluyor olabilir.

Araştırmayı yürüten bilim insanlarına göre kardan kaynaklanan yüksek UV yansıma oranı nedeniyle, özellikle karlı koşullarda canlı daha görünür veya fark edilebilir olabilir, bu nedenle bu özellik hayvan iletişiminde yer alıyorsa, kar onlara adeta destek veriyor gibi düşünülebilir.^{[15], [16]} Bir diğer hipotez ise bu özelliğin evrimleşme nedeninin cinsel seçilim olmasıdır.

Museums Victoria

Ornitorenk de biyofloresan olan bir diğer canlıdır. Ornitorenkler de uçan sincaplar gibi oldukça sıra dışı bir memeli türüdür. Memeli olmasına rağmen yumurta bırakması, arka bacaklarındaki zehirli mahmuzları, gagaları, perdeli ayakları ve biyofloresan özelliğine sahip olması sıra dışı özelliklerinden sadece birkaç tanesidir.

Ornitorenkler üzerinde 2020 yılında yapılmış bu biyofloresan gözlemi, özelliğin düşük ışıklı ortamlarda uyumlu/adaptif olduğu hipotezini güçlendirmektedir. Ornitorenkler, şimdiye kadar tanımlanmış biyofloresan memelilerin çoğu gibi, gece aktif canlılardır. Dolayısıyla bilim insanları, krepüsküler memelilerin UV'ye duyarlı görüşe sahip olduğunu, bunun da UV ışığının düşük ışıklı ortamlarda ekolojik olarak önemli ve avantaj sağlıyor olabileceğini düşünmektedirler. En muhtemel avantaj, ornitorenklerin UV'ye duyarlı yırtıcılara karşı görünürlüğünü azalttığı yönündedir.^[17] Ancak bilim insanları ornitorenk biyofloresansının ekolojik işlevini belgelemek için saha tabanlı araştırmalara gerek olduğunun altını çiziyorlar. Bunlara ek olarak bu özelliğin ornitorenklerde pratik bir işlevi olmaması da mümkündür, yani bu özellik yumurtlama gibi diğer ilkel özelliklerine ek olarak ornitorenkte atadan kalma bir özellik olabilir.

LiveScience

Memelilerde biyofloresansın keşfi nispeten yenidir ve devam eden araştırmalar ile daha fazla örnek ortaya çıkaması oldukça muhtemeldir. En son keşif 2021 yılında, Afrika'ya endemik bir kemirgen türü olan Pedetes capensis olmuştur. 2021 yılında yayımlanan çalışmanın özelliği ilk defa bir eski dünya plesentalısında biyofloresansın belgelemesidir. Buna ek olarak Pedetes capensis'in, yine diğer biyofloresan memeliler gibi gececil olması dolayısıyla, biyofloresanın krepüsküler memeliler için ekolojik olarak önemli olabileceği hipotezini desteklemektedir. Gece yaşam tarzlarının yanı sıra, bu canlılar ekolojik olarak, bilinen diğer floresan türler ile benzer değildir ve yazının başında bahsettiğimiz, sincapgiller (Sciuridae) içindeki biyofloresan kemirgenlerin oldukça uzak akrabalarıdır.^[18]

Kuşlarda Biyofloresans

Kuşlarda biyofloresanın keşfi de, aynı memelilerdeki gibi, nispeten yenidir. Bayağı deniz papağanlarının (Fratercula arctica) gagası en net gözlemlenebilmiş örnektir. 2018 yılında yapılan bir çalışmada araştırmacılar, bu kuşların gagalarının ultraviyole ışık altında parlayan mavi-yeşil renk yaydığını gözlemledi. Biyofloresans, daha önce kuşlarda gözlemlenmediğinden ötürü, bu keşif bilim insanları için bir ilk oldu.

National Geographic

SciTechDaily

Deniz papağanlarında da biyofloresanın işlevi üzerine, her canlıda olduğu gibi, çeşitli teoriler vardır. Bir teori, gaganın parlak renginin, çiftleşme partnerleri için görsel bir işaret görevi görebileceğinden, bunun cinsel seçilimde rol oynadığı yönündedir. Nitekim, bu teoriyi doğrulamak ve biyofloresanın kuşlardaki tüm olası fonksiyonlarını anlamak için daha fazla araştırmaya ihtiyaç duyulmaktadır.^[19]

Eklembacaklılarda Biyofloresans

Böcekler, kırkayaklar ve örümcekler dahil olmak üzere bir dizi eklembacaklı grubunda biyofloresans gözlemlenmiştir.

Science Photo Library

Fine Art America

Hem Kuzey hem de Güney Amerika'da bulunan demiryolu solucanları, biyofloresansa sahip bir çok eklembacaklıdan bir tanesidir. Bu canlılarda biyofloresans sadece dişi bireylerde bulunur ve gece avcıları için bir uyarı sinyali olduğu düşünülür.^[20] Bir diğer örnek ise Arizona akrepleridir (Centruroides sculpturatus). Biyofloresanın işlevi için ise, cinsel seçilim sayesinde eş bulmayı kolaylaştırması, yeşil mavi ışığının avları için kafa karışıklığına sebep olması dolayısıyla avlanma rahatlığı sağlaması veya popülasyon içindeki bireylerin daha rahat görülebilmesi gibi teoriler üzerinde durulmaktadır.^{[21], [22]} Zaten genel olarak eklembacaklılarda bu özelliğin iletişim ve kamuflajda rol oynadığı düşünülmektedir.

Asian Scientist

Deniz Canlılarında Biyofloresans

Biyofloresans, denizdeki canlılarda, kara canlılarına nazaran daha yaygındır. Bunun nedeni muhtemelen okyanusun karadan çok daha büyük ve daha çeşitli bir ortam olması ve sonuç olarak organizmaların gelişmesi için daha geniş bir ekolojik niş yelpazesi sağlamasıdır.

PLOS One

Biyofloresans, bugüne kadar 180'den fazla balık türünde gözlemlenmiştir. Birçok biyofloresan balık soyunda bulunan sarı uzun geçişli göz içi filtreleri ve mercan resif balıklarının önemli renk görme yetenekleri, floresan ışığı tespit edebildiklerini göstermektedir. Yapılan çalışmalar balıklarda biyofloresansın potansiyel olarak tür içi iletişimde işlev gördüğünü ve floresansın kamuflaj için kullanılabileceğini de ortaya koymaktadır.^[23]

National Science Foundation

Smithsonian Tropical Research Institute

Biyofloresans, mercan resiflerinde nispeten yaygındır ve bu özelliği sergilediği bilinen 70'den fazla türü vardır. Mercan resifleri canlı renkleriyle tanınırlar, ancak bazı türlerinin biyofloresan olması onları iki kat renkli yapmaktadır. Mercanlar, mavi ışığı emen ve yeşil, kırmızı veya turuncu gibi farklı bir renk olarak yeniden yayan, florofor adı verilen pigmentlere sahiptir.^{[24], [25], [26]} Bu pigmentler sadece mercanın ışık yaymasından sorumlu değildir, aynı zamanda mercanı yüksek enerjili ışıktan koruyarak hayatta kalmasında hayati bir rol oynar.^[27] Yani, bu özellik sığ sularda yaşayan mercanları ağartmaya karşı koruyabilir ve buna ek olarak daha derinlerde yaşayan mercanlara güneşten gelen UV ışığını emme ve Zooxanthallae'ye (mercanlar ile simbiyoz içinde yaşayabilen tek hücreli canlılar) geri yansıtma yeteneği sağlayarak yeterli güneş ışığının yokluğunda fotosentez yapmalarını sağlayabileceğine olanak tanıyor olabilir.^[28]

Buna ek olarak mercandaki biyofloresans, çeşitli işlevlere de hizmet ediyor olabilir. Örneğin kamuflaj, iletişim ve hatta av çekmek için kullanılabilir. Bazı durumlarda, biyofloresan, mercanların yırtıcıları ürkütmesine veya kafasını karıştırmasına izin vererek bir savunma mekanizması görevi görebilir. Bazı mercan türlerinin yalnızca belirli aydınlatma koşullarında görülebilen benzersiz biyofloresan modellerine sahip olması nedeniyle biyofloresan eş çekimi için de kullanılabilir.

Tüm bunlara ek olarak, mercandaki biyofloresan, biyoteknoloji ve tıpta potansiyel uygulamalara sahiptir. Mercanda bulunan floresan proteinler, tıbbi araştırmalarda hastalıkları incelemeye yardımcı olmak için ve biyoteknolojide yeni malzemeler ve ürünler oluşturmak için kullanılmıştır.

En iyi bilinen biyofloresan mercanlardan biri, Akdeniz'de bulunan bir tür olan kırmızı mercandır. Kırmızı mercan, floresan polienler adı verilen pigmentlerin neden olduğu parlak kırmızı bir renk verir. Bu pigmentler mavi ışığı emer ve kırmızı ışık olarak yeniden yayar.

Wikimedia Commons

Amfibilerde Biyofloresans

Amfibilerde gözlemlenen biyofloresan özelliklerinin, diğer canlı gruplarında olduğu gibi, türler arasında veya popülasyonlar içinde iletişim ve sinyalleşmede önemli roller oynayabileceği düşünülmektedir. Nitekim bunu doğrulamak için, amfibi gözlerinin kendi biyofloresansına karşı yapısal bir duyarlılık geliştirip geliştirmediğinin ve amfibilerin doğal ortamlarında bu fenomene elverişli ortam ışığına hiç maruz kalıp kalmadıklarının belirlenmesi gerekmektedir. Biyofloresansın amfibilerin günlük yaşamlarında oynayabileceği diğer roller, aposematizm (potansiyel avcıları savuşturmak için bir uyarı rengi), taklitçilik ve kamuflajdır.^{[29], [30]}

Nature

Elbette ki biyofloresan canlılar, burada bahsettiklerimiz ile sınırlı değildir. Biyofloresan özelliklere sahip olan birçok başka organizma vardır.

Sonuç

Biyofloresans, oldukça ilginç ve kafamızda bir sürü soru işereti bırakan, bir o kadar da gizemli bir konudur. Yazı boyunca sıkça bahsettiğimiz üzere biyofloresanın evrimsel tarihi hala tam olarak anlaşılamamıştır, zaten gizeminin altında yatan şey de budur. Ancak gün geçtikçe bilimin ışığı bu konuyu da aydınlatmaya devam edecektir.

İster okyanusun derinliklerinde, ister ormanın derinliklerinde olsun, biyofloresan, dünya üzerindeki yaşamın inanılmaz çeşitliliğini hatırlatır. Biyofloresanı daha iyi anlamak ileride tarım, tıp ve biyoteknoloji alanlarına da katkılar sağlayacaktır.