I fotofori di Hygophum benoiti, Tesi

UNIVERSITA' DEGLI STUDI DI MESSINA

DIPARTIMENTO DI SCIENZE CHIMICHE, BIOLOGICHE,

FARMACEUTICHE ED AMBIENTALI

CORSO DI LAUREA TRIENNALE IN BIOLOGIA ED ECOLOGIA MARINA

I fotofori di Hygophum benoiti (Cocco) 1838

Tesi di Laurea di:

Stefania Benedetta Cogliandro Relatore:

Chiar.ma Prof.ssa Concetta Calabrò

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ANNO ACCADEMICO 2015/2016

Indice

PREFAZIONE……………………………………………………………………….......1

INTRODUZIONE………………………………………………………………………..2

La bioluminescenza nel Regno animale……………………………………………….…2

Emissione di luce dal punto di vista chimico e molecolare……………………………...4

evolutiva…………………………………………………………………...7

Convergenza

CAPITOLO I……………………………………………………………………………..8

La bioluminescenza nel Regno animale……………………………………….……..8

1.1 Bioluminescenza: ciò che si sa di sbagliato…………………………………………17

1.2 Bioluminescenza: ruolo ecologico…………………………………………………..17

1.3

CAPITOLO II……………………………………………………………………………21

2.1 Fotofori………………………………………………………………………………21

2.2 Batteri luminosi: forme libere e forme simbiontiche………………………………..26

CAPITOLO III…………………………………………………………………………..34

3.1 Stretto di Messina: morfologia e correnti oceanografiche………………………….34

3.2 Classificazione e caratteristiche morfo-anatomiche dei pesci di acque profonde nello

Stretto di Messina………………………………………………………………………..39

SCOPO DELLA TESI…………………………………………………………………...67

CAPITOLO IV…………………………………………………………………………..67

Notizie sulla specie……………………………………………………………………....67

4.1Morfo-anatomia………..……………………………………………………………..67

4.2 Biologia……………………………………………………………………………....70

CAPITOLO V…………………………………………………………………………...72

5.1 Materiale e metodi………………………………………………………………...…72

5.2 Risultati………………………………………………………………………………75

CAPITOLO VI………………………………………………………………………..…78

Conclusioni………………………………………………………………………………78

Bibliografia………………………………………………………………………………81

PREFAZIONE

In questa tesi è stato eseguito lo studio della bioluminescenza nel Regno animale e in

particolare degli organi fotofori dei pesci meso-batipelagici. Si è voluto comprendere la

natura della luce emessa dal punto di vista chimico e molecolare. Ci si è chiesto se

presentava delle differenze o uguaglianze nei diversi animali: ad esempio, se l' emissione

di luce fosse continua o per azione di batteri luminosi simbionti. Si è studiata la

importanza ecologica e funzionale della bioluminescenza di un organismo in rapporto all'

habitat e agli altri viventi, considerando come gli organismi bioluminescenti sfruttino al

meglio questa proprietà per sopravvivere in ambienti ostili. In particolare è stato

effettuato in laboratorio lo studio morfo-anatomico e biometrico del teleosteo Hygophum

benoiti, sfruttando la possibilità di trovare esemplari di profondità spiaggiati lungo le

coste siciliane e calabresi. I fotofori sono stati isolati ed è stata eseguita l' analisi

istologica ed immunoistochimica. 1

INTRODUZIONE

La bioluminescenza nel Regno animale

La bioluminescenza è una proprietà di alcune specie presenti nel Regno animale, sia

In “Bioluminescence Haddock

terrestri che acquatiche. in the sea” et al. (2010) la

definiscono come “l'emissione di luce visibile da parte di un organismo come risultato di

tratta quindi di luce propria usata da numerosi

una reazione chimica naturale”.Si

organismi appartenenti a tutti i Regni dei viventi. La bioluminescenza infatti, è presente

non solo negli organismi marini che popolano le profondità degli oceani, ma anche nei

terrestri come lucciole, coleotteri, mosche, collemboli, funghi, millepiedi come

Luminodesmus sequoiae, lumache come Quantula striata, lombrichi, e negli abitanti

delle acque dolci quali alcune larve di insetti. Tra i dulciacquicoli è da menzionare la

l’unico gasteropode d’acqua dolce ad emettere luce secondo

patella Latia neritoides,

e Moore (“Biology

Meyer-Rochow of Latia neritoides Gray 1850 (Gastropoda,

Pulmonata, Basommatophora): the Only Light-producing Freshwater Snail in the

World”, Intern. Rev. Hydrobiol. Hydrograph, 1988) . La luminescenza è generalmente

più diffusa nelle forme viventi in profondità e in organismi planctonici piuttosto che in

specie bentoniche o poco profonde. Non esiste in rettili, anfibi, mammiferi o piante

luminose.

La distribuzione di questa proprietà nel Regno animale non sembra seguire alcun vincolo

filogenetico od oceanografico evidente (Fig.1), in cui ogni gruppo in blu o in verde indica

la presenza di almeno una specie luminescente. Spesso però è difficile confermare che

una data specie sia bioluminescente oppure no perché a sua volta è difficile separare

l’organismo che a noi appare luminoso dai batteri al suo interno, I quali potrebbero essere

i veri responsabili della produzione di luce. Per questo motivo anche il calcolo del

numero di volte che la bioluminescenza si è evoluta nei vari taxa può avere delle

potenziali sovrastime e sottostime. Haddock et al. (2010) stimano che solo i molluschi

bioluminescenti arrivarono a sviluppare in modo autonomo fino a sette modi di produrre

luce e forse anche di più. Inoltre, considerando sia i distinti meccanismi chimici per

produrre luce sia le discendenze monofiletiche (Fig.1), ha stimato che la bioluminescenza

si è evoluta un numero minimo di 40 volte. 2

Fig.1 (Distribuzione della bioluminescenza in rapporto alle relazioni filogenetiche. Haddock et

al., 2010) 3

Emissione di luce dal punto di vista chimico e molecolare

La bioluminescenza è una delle tre tipologie in cui si suddivide la più generale

luminescenza. Infatti esistono anche la fotoluminescenza e la chemioluminescenza.

Entrambe si basano sull’eccitazione di elettroni a livelli energetici superiori che quando

decadono allo stato fondamentale emettono fotoni. Tuttavia la prima considera una

molecola che viene colpita da una luce e la riemette ad una diversa lunghezza d’onda, ne

è un esempio la fluorescenza; la seconda indica il processo esoergonico di eccitazione

degli elettroni. La bioluminescenza si distingue da questi due tipi perché in primis

avviene in organismi viventi, implica enzimi catalizzatori, e si basa sull’ ossidazione di

una molecola luminescente detta luciferina. A tal proposito fu Robert Boyle a scoprire

che la luminescenza (egli fece riferimento a quella dei funghi) necessita di “aria”, usando

(2010), l’ enzima è la

una pompa a vuoto da lui costruita. Come spiegano Haddock et al.

luciferasi o una sua variante, la fotoproteina, nella quale luciferasi, O , lo ione cofattore

2

2+ 2+

, ed altri fattori necessari sono legati e compresi in un’ unica unità. Il

Ca o Mg

cofattore provoca un cambiamento conformazionale necessario per l’attivazione del sito

l’ attività catalitica. Quindi, la

attivo. La presenza di un cofattore aiuta a regolare

luciferina reagisce in presenza di O , grazie alla luciferasi che attiva i processi

2

ossidoriduttivi del carbonio, e passa ad un livello minore di energia liberandola sotto

forma di fotoni, la cui lunghezza d’ onda è varia: vediamo luce azzurra, verde oppure

giallo-arancione. Fu Dubois a scoprire per primo la luciferina e la luciferasi e a

dimostrarne la reazione nel 1885. Precedentemente anche Benjamin Franklin condusse

studi a proposito: in una prima fase ipotizzò, erroneamente, che la fosforescenza in mare

fosse un fenomeno prettamente elettrico.

LUCIFERINA + O2 + luciferasi ------------------> PEROSSILUCIFERINA + [P] + hv 4

Haddock et al. (2010) illustrarono ed analizzarono le diverse strutture dei quattro tipi di

di luce nell’oceano (Fig.2).

luciferina responsabili della maggior parte della produzione

Analizza inoltre i componenti luciferina, luciferasi, fotoproteine nei principali taxa del

Regno animale e non solo.

Fig. 2 (Struttura molecolare delle luciferine. Haddock et al., 2010)

Un primo tipo di luciferina si riscontra nei batteri, nei quali il processo comporta

l'ossidazione della flavin mononucleotide ridotta FMNH2 con un aldeide a catena lunga e

due subunità di luciferasi.

Un secondo tipo di luciferina è presente nei Dinoflagellati. Si tratta di un tetrapirrolo

simile in struttura alla clorofilla. La loro luciferasi ha una struttura terziaria che cambia

5

+

conformazione in dipendenza della concentrazione degli H in modo da esporre o meno il

suo sito attivo alla luciferina, e ciò è stato riprodotto in laboratorio (Lee et al.,

“Molecular cloning and genomic organization of a gene for luciferin-binding protein

Gonyaulax polyedra”,

from the dinoflagellate 1993). Non tutte le luciferasi dei

dinoflagellati sono uguali. Infatti Liu et al. Evidenziarono che quella di Gonyaulax p.

possiede tre domini catalitici funzionali e ripetuti (“Molecular evolution of dinoflagellate

2004),

luciferases, enzymes with three catalytic domains in a single polypeptide”,

successivamente videro che Noctiluca scintillans ha una luciferasi con un solo dominio

(“Two different domains of the luciferase gene in the heterotrophic dinoflagellate

2007).

Noctiluca scintillans occur as two separate genes in photosynthetic species”,

Un terzo tipo di luciferina, la prima a essere chimicamente ben compresa, è presente

(“Biosynthesis

negli Ostracodi. Kato et al. of cypridina luciferin in Cypridina noctiluca.

2007) dimostrarono che la sintesi di questo composto deriva dagli

Heterocycles”,

amminoacidi triptofano, isoleucina e arginina anche se i dettagli del processo non sono

del tutto conosciuti. Si trova in particolare nei generi Cypridina, Vargula, nei pesci

Pempheris e Parapriacanthus.

La coelenterazina è una combinazione di 5 o 6 anelli contenenti azoto. Come la luciferina

degli ostracodi, la coelenterazina deriverebbe dalla ciclizzazione del tripeptide Phe-Tyr-

deriva da sperimentazioni sull’

Tyr e la prova più forte della sua origine naturale “Evidence

artropode crostaceo Systellaspis Debilis (Thomson et al., for de novo

biosynthesis of coelenterazine in the bioluminescent midwater shrimp, Systellaspis

debilis”, 1995), dove le uova isolate mostravano livelli crescenti di luciferina nonostante

la dissociazione da ogni contributo materno. La coelenterazina si trova negli cnidari

Aequorea e Renilla, in cui è presente in forma enolica-solfato, nel calamaro Watasenia,

nel gamberetto Oplophorus, nel calamaro volante Symplectoteuthis sottoforma di deidro-

coelenterazina. Negli Idrozoi, Ctenofori e Radiolari si riscontra una collaborazione tra

coelenterazina e fotoproteine. Ad esempio in R. reniformis e R. mulleri la coelenterazina

è avvolta dalle eliche di un’ altra proteina e fuoriesce attraverso un foro per mezzo del

2+ 2+

“Structure

quale lega ioni Ca (Stepanyuk et al., based mechanism of the Ca -induced

release of coelenterazine from the Renilla binding protein. Proteins: Structure, Funct.

Bioformatics”,2009) . 6

Una quinta tipologia di luciferina ha una struttura semplice simmetrica unica. Vede il

coinvolgimento, nel processo, di perossido e di riboflavina; è stata riscontrata nel bivalve

Pholas, nei vermi squamati polinoidi, nei vermi tubo chetopteridi, nei vermi di fuoco

sillidi, nell’ hemichordata Ptychodera flava.

Convergenza evolutiva

(2010) arrivarono alla conclusione che “una

Haddock et al. luciferina chimicamente

. Infatti le

identica può essere il composto attivo in organismi indipendenti tra loro”

coelenterazine si trovano in circa nove phyla, tra cui protozoi, chetognati, meduse,

crostacei, molluschi, e vertebrati. Come mai questa convergenza evolutiva? Esistono

varie spiegazioni. La luciferina viene acquisita per via esogena attraverso la dieta. Ne

sono esempi i rapporti tra dinoflagellati e il krill. Secondo Barnes e Case

(“Bioluminescence in the mesopelagic copepod, Gaussia princeps”,1972) la

coelentarazina persiste anche nei copepodi in cattività, il che indica che i crostacei sono

la fonte più probabile, ma forse non esclusiva, di coelenterazina nella catena alimentare.

Il predatore, una volta assunta la luciferina, dovrà sviluppare la luciferasi. Un’ altra

spiegazione alla convergenza si basa sullo “scavenging” di composti reattivi dell’ O (

2

“On

come radicali, ioni e perossidi) il cui sottoprodotto è appunto la luce, (Labas et al.,

the origin of bioluminescent systems.”. “Bioluminescence and Chemiluminescence”,

L’ipotesi più generale è che differenti taxa abbiamo sviluppato lo stesso composto

2000).

e lo abbiano poi mantenuto nel tempo. 7

CAPITOLO I

1.1 La bioluminescenza nel Regno animale

Dinoflagellati

Questi protisti appartengono al fitoplancton, possono essere fotoautotrofi o eterotrofi.

Alcune specie possono formare maree rosse potenzialmente tossiche. Baker et al. (2008)

in “Oligonucleotide primers for the detection of bioluminescent dinoflagellates reveal

novel luciferase sequences and information on the molecular evolution of this gene”

precisano che ci sono 18 generi luminosi, tra cui Gonyaulax (= Lingulodinium),

Latz e Jeong (1996) in “Effect

Noctiluca, Protoperidinium, e Pyrocystis. of red tide

dinoflagellate diet and cannibalism on the bioluminescence of the heterotrophic

ricordano che i dinoflagellati investono più energia

dinoflagellates Protoperidinium spp.”

per l'attività di luminescenza che per la crescita, anche se la bioluminescenza arriva

seconda dopo la capacità di nuoto.

Pyrocystis fusiformis Noctiluca scintillans

Radiolari

I radiolari fanno parte dello zooplancton, sono protisti ameboidi eterotrofi con uno

scheletro di silice e pseudopodi citoplasmatici filiformi. I bioluminescenti sono

riscontrabili nell’ ordine Collodaria, vivente in superficie, tra cui i generi Collozoum e

Thalassicola, e all'interno dei Cercozoa, viventi in profondità, tra cui Aulosphaera spp. e