Lars Olof Björn

Fotobiologi

Populärvetenskaplig forskningsbeskrivning

Ett blad (till vänster) bestrålas med ultraviolett strålning. Efteråt kan man visa (till höger) att ljus utsänds från de delar av bladet som avskärmats från strålningen, men inte från de delar som skadats av de ultravioletta strålarna. Se vidare texten nedan.

Fotobiologi handlar om hur organismer på olika sätt påverkas av ljus och ultraviolettstrålning, och också om organismers egen ljusutsändning (bioluminiscens). Den för biosfärens existens utan tvekan viktigaste fotobiologiska processen är fotosyntesen, genom vilken ljusenergi omvandlas till livsenergi (information på engelska om fotosyntesen här).

Det är inte bara lysmaskar och andra djur, som man tydligt kan se ljuset från, som sänder ut ljus. Små mängder ljus sänds ut från alla levande celler, och detta kan mätas och utnyttjas för att studera livsprocesserna. En hel del av ljusutsändningen från gröna blad är en slags omvändning av fotosyntesprocessen, och kan användas för att "se" hur fotosyntessystemet arbetar. Ovan till vänster ser vi ett färgfoto av ett hibiskusblad, på vilket jag har lagt ett par bokstäver av plast. Sedan har jag bestrålat bladet med ultraviolett strålning, vilket har skadat en del av fotosyntessystemet som kallas fotosystem II. Ovan till höger visas en bild gjord (sedan plastbokstäverna tagits bort) med hjälp av en ljusförstärkare och vi ser det ljus bladet självt strålar ut. Vi kan se att ljuset sänds ut huvudsakligen av de delar av bladet som skyddats från ultraviolettstrålningen.

För oss människor är väl synen det som är mest påtagligt, men också andra fotobiologiska processer i vår kropp är viktiga för vårt välbefinnande, t.ex. bildningen av D-vitamin (information på engelska finns på här, här och här) och styrningen av dygnsrytmen (information pä engelska i denna artikel). Just nu försöker vi klargöra hur D-vitamin uppför sig i växter och lavar. Bland annat har vi mätt hur D-vitamininnehållet i renlav varierar med breddgraden.

Vi har tidigare arbetat med växternas synsinne, som baseras på de ljuskänsliga proteinerna fytokrom (information på engelska), kryptokrom (information på engelska) och fototropin (information på engelska, pdf), och kanske några till som man ännu inte riktigt fångat in. Bilden nedan, från försök av Gunvor Björn och Lena Carlsson, visar extraherat fytokrom i formen Pfr (känslig för långvågigt rött ljus, våglängd över 700 nm; till vänster) och Pr (känslig för kortvågigt ljus, våglängd under 700 nm; till höger?). De två pigmentformerna övergår i varandra vid belysning, och balansen mellan dem informerar växten om balansen mellan långvågigt och kortvågigt ljus. Växten kan därmed få information om konkurrerande vegetation.

Under många år har vi också arbetat med hur växter påverkas av ultraviolettstrålning, och hur vegetation och ekosystem påverkas, när stratosfärens ozonlager och därmed ultraviolettstrålningen ändras, se denna rapport på engelska (pdf). En typ av experiment, som vi utfört dels på Spetsbergen, dels vid Abisko Naturvetenskapliga Station, har gått så till, att vi har bestrålat markens naturliga växtlighet med ultraviolettstrålning för att efterlikna vad som skulle hända om ozonlagret förtunnades ytterligare. Bilden till vänster nedan visar en flygbild över ett experiment (foto Nils-Åke Andersson). Varje randig fyrkant är en hållare med sex ultraviolettstrålande lysrör. Bilden till höger nedan visar dåvarande doktoranderna (numera doktorerna) Carola Gehrke och Ulf Johansson invid en av dessa bestrålningsanordningar. Vi har i dessa försök studerat dels korttidsverkningar, dels sådana förändringar som märks först efter flera år.

En av de substanser i cellerna som skadas av ultraviolettstrålning är DNA. Redan i början av 1930-talet, innan man hade DNA-molekylens funktion klar för sig, visste man att nukleinsyra (varav DNA är en sort) skadas av ultraviolettstrålning, och man hade också observerat ett intressant fenomen som kallas fotoreaktivering. Det innebär en reparation av skadan med hjälp av synligt ljus. Vi visar på bilden nedan en upprepning av den första demonstrationen (publicerad av Hausser och von Oehmcke 1933). Numera vet vi att denna reparation förmedlas av flera typer av s.k. fotolyaser, en sorts enzymer, som finns hos nästan alla organismer. Man har dock inte med säkerhet demonstrerat fotoreaktivering hos människa.

Bananerna ovan har i omoget (grönt) tillstånd bestrålats med ultraviolettstrålning (utom ändarna, som var insvepta i aluminiumfolie och fungerade som kontroll). Därefter bestrålades de med synligt ljus i det antal minuter som står skrivet på dem, och därefter lagts att mogna i mörker under några dagar. Vi ser, att den bruna färgen (som visar på skadade celler) blir mindre ju mer vitt ljus bananerna fått på sig efter UV-bestrålningen.

En annan grupp vid vår institution arbetar med synsinnet hos olika djur. För en mer omfattande redogörelse för olika fotobiologiska fenomen hänvisas till boken "Photobiology, The Science of Light and Life".

Här nedan följer en introduktion till tre projekt.
 

Induktion av skyddspigment i en lav

Det är mycket vanligt att organismers innehåll av färgämnen (pigment) påverkas av belysningen. Vi behöver bara tänka på hur vår hud mörknar under inverkan av solsken. I detta fall, liksom i många andra,rör det sig om upplagring av färgämnen som skyddar mot solljusets skadliga komponenter, framför allt s.k. ultraviolett-B-strålning. Ett exempel från svampriket som vi har undersökt är Verticillium agaricinum, en svamp som ofta växer på växter. Om den odlas i mörker är den färglös, men om den utsätts för kortvågigt ljus eller ultraviolettstrålning blir den orangefärgad (bilden nedan; försök av Ke-Cheng Hsiao och Gunvor Björn). Vi har funnit att den mest effektiva strålningen för induktion av färgämnesbildning är ultraviolett-B-strålning av våglängden 295 nm.

En organism som vi nu är i färd med att studera är vägglav, Xanthoria parietina. När den växer på ställen exponerade för starkt dagsljus blir den klart gul av färgämnet parietin, men när den växer skuggigt bildas väldigt lite av denna substans, och färgen blir svagt grönaktigt grå. När laven växer runtom en kvist kan man tydligt se färgskillnaden mellan "skuggsidan" och "solsidan", se bilden nedan.

När denna lav är helt torr kan man extrahera det gula färgämnet med aceton, utan att laven för övrigt skadas. Klorofyll och övriga ämnen som behövs för fotosyntesen blir kvar. När man återfuktat laven så att livsprocesserna kommer igång igen kan man studera vilka faktorer som påverkar bildningen av gult färgämne. Vi ska jämföra förmågan hos olika komponenter i dagsljuset att inducera färgämnesbildning. Bilden nedan visar samma lavbit i naturligt tillstånd (till vänster), efter extraktion med aceton (i mitten) och sedan det gula färgämnet börjat återbildas (till höger).

Induktion av färgämnen i en cyanobakterie

Hos organismer som utför fotosyntes kan också de ljusinsamlande färgämnena anpassas till belysningen. Som exempel ser vi nedan vattenextrakt av cyanobakterien ("blågrönalgen") Fremyella diplosiphon odlad i rött respektive grönt ljus.

I grönt ljus bildas det grönabsorberande (d.v.s. rödfärgade) färgämnet fykoerytrin (tillsammans med mindre mängder av de rödabsorberande [blåfärgade] ämnene fykocyanin och allofykocyanin), men i rött ljus bildas inget fykoerytrin utan i stället mer av det blå fykocyaninet. Dessutom bildas i bägge fallen grönt klorofyll och gula karotenoider, men de är inte vattenlösliga och finns därför inte med på bilden.

I cyanobakterien sitter klorofyll och karotenoider bundna till proteiner i de membraner (hinnor) som utför fotosyntesen. Fykoerytrin, fykocyanin och allofykocyanin sitter däremot utanpå membranerna i små korn som kallas fykobilisomer. Dessa tjänstgör som "energitransformatorer" som omvandlar olika slags ljus till en form som passar för att tas upp av klorofyllet och användas i fotosyntesprocessen. Grönt ljus kan absorberas av fykoerytrinet, som kan omvandla energin så att den passar att tas upp av fykocyaninet, som i sin tur omvandlar det till en form som passar allofykocyaninet, som i sin tur omvandlar det till en form som passar för klorofyllet i membranerna. Energin vandrar därför enligt detta schema:

    sol -> fykoerytrin -> fykocyanin -> allofykocyanin ->
    -> klorofyll -> fotosyntesprocess

För att detta ska fungera, så måste de olika molekylslagen sitta tätt tillsammans. Om man avlägsnar fykobilisomerna från membranerna där klorofyll sitter, så kommer grönt ljus att omvandlas till rött ljus, som strålar ut från allofykocyaninet:

    grönt ljus -> fykoerytrin -> fykocyanin ->
    -> allofykocyanin -> rött ljus

Omvandlingen visas på fotografiet nedan av fykobilisomer (från cyanobakterie odlad i grönt ljus) i koncentrerad fosfatbuffert i ett provrör (till höger), som vi bestrålar med grönt ljus.

På samma bild (till vänster) ser vi också ett provrör med samma sorts fykobilisomer av samma koncentration, men i en mer utspädd fosfatbuffert. I den utspädda fosfatbufferten skiljs de olika molekylerna i fykobilisomerna åt, så att ingen energiöverföring kan äga rum. Den absorberade energin strålar då ut som gult ljus direkt från fykoerytrinet. Bilderna av färgämnen och fykobilisomer från cyanobakterier är tagna från Gunvor Björns försök.
 

Betydelsen av D-vitamin och besläktade ämnen i växter och ekosystem

Vitaminer är organiska ämnen som kroppen behöver i små mängder, men inte kan bilda själv. "Vitamin" D eller "D-vitamin" är egentligen inte något vitamin, eftersom vi kan bilda det själva, om än bara med hjälp av solstrålningens ultraviolettkomponent. Men vi kan ofta inte själva bilda tillräckligt av detta för kroppen viktiga ämne, speciellt i vår del av världen, där det under en del av året inte finns tillräckligt med ultraviolettstrålning, och där vi dessutom på grund av temperaturen måste täcka oss med kläder eller vistas inomhus. Ett visst fog för att kalla det vitamin finns det därför.

Vitamin D upptäcktes på grund av att man fann, att befolkningen i Englands rökiga industriområden drabbades av "engelska sjukan" eller rakitis, en oförmåga att utveckla ett normalt skelett. Senare forskning har visat, att vitamin D är nödvändigt inte bara för tarmslemhinnans upptagning av kalciumjoner ur födan och bildningen av kalciumfosfat i skelettet, utan också för en mängd andra processer i kroppen. Vitamin D har konstaterats påverka olika processer i mer än 30 olika celltyper. Den direkta verkan utövas i allmänhet inte av vitamin D självt, utan former som vår kropp har försett med extra —OH-grupper. Den viktigaste av dessa former kallas 1alfa,25-dihydroxi-vitamin D eller calcitriol.

Steroler utgör en viktig grupp av ämnen i kroppen. Många viktiga hormoner är steroler, t.ex. östrogener, testosteron och androsteron. Vitamin D liknar steroler, och bildas också ur en sterol, provitamin D. Vitamin D skiljer sig emellertid från steroler genom att vara en mycket mer böjlig molekyl, som kan anta olika form, och vi ska återkomma till vad detta leder till.

Bildningen av vitamin D3. Klicka på bilden för att få en förstoring.

Vitamin D bildas som sagt genom inverkan av solskenets ultraviolettstrålning. Det gäller även det vitamin som vi får i oss från maten eller med vitaminpiller. Som barn tvingades vi svälja fiskleverolja, som vi avskydde. Inte förstod vi riktigt varför, och ändå mindre tänkte vi på hur vitamin D hade hamnat i torskens lever. Nu vet vi att det inte har bildats av torsken själv, utan har följt med genom näringskedjan från solbelyst plankton. Varför så stora mängder upplagras i torskens lever är ett mysterium. Möjligen är det torskens metod att göra sig av med ett överskott. Eftersom ämnet är fettlösligt och inte löser sig i vatten, så är det inte så lätt att utsöndra det till havsvattnet.

Vitamin D rymmer på fler mysterier. Varför i hela friden har evolutionen för reglering av en mängd olika viktiga kroppsfunktioner valt ut ett ämne som kräver ultraviolettstrålning för sin bildning? Det medför ju stora nackdelar för oss. När våra afrikanska förfäder förlorade det mesta av kroppsbehåringen mörknade huden som ett skydd mot inträngning av för mycket ultraviolettstrålning, som leder till bl.a. hudcancer. När de sedan drog sig norrut måste de efterhand göra sig av med alltmer mörkt färgämne (melanin), för att kunna bilda tillräckligt med vitamin D. Hela tiden måste en kompromiss träffas, mellan risken för strålskada och behovet av vitamin D.

När våra dagars blekansikten flyttar till Australien eller Sydafrika är risken mycket stor att de drabbas av hudcancer om de inte skyddar sig noga, och mörkhyade invandrare till vårt land (liksom muslimska kvinnor som är rädda för att blotta alltför mycket av sin hud) drabbas lättare än andra av vitamin D-brist. Varför har vi inte i stället ett regleringsämne som vi kan bilda utan medverkan av ultraviolettstrålning? Det skulle, kan man väl tycka, vara en minst lika stor fördel för exempelvis renar, som ju också lever i en ultraviolettfattig miljö, och för sin årliga nybildning av hornen är i behov av en mycket stor upptagning och omsättning av kalciumjoner.

Ingen kan ge ett säkert svar på detta. Kanske ligger svaret långt tillbaks i vår utvecklingshistoria. De tidigaste ryggradsdjuren hade det mesta av sina ben utanpå kroppen. Kanske var de inte bara ett mekaniskt skydd, utan också ett strålningsskydd, vars tjocklek reglerades av ett ämne som bildades vid ultraviolettbestrålning. En sådan tanke tycks stödjas av att också landsnäckors skalbildning, och inlagringen av kalk i kräftdjurs skal, stimuleras av vitamin D.

Men kanske är förklaringen en annan. För att förstå den kan det vara på sin plats att något gå in på hur 1alfa,25-dihydroxivitamin D, eller kortare VD(OH)2, verkar inom cellen. Det sker på två principiellt olika sätt: dels genom reglering av genaktivitet och bildning av olika proteiner, dels genom en verkan på cellens yttermembran. I bägge fallen binds VD(OH)2 till speciella receptorer, och man har kommit fram till att dessa receptorproteiner är mycket olika i de två fallen. Här kommer VD(OH)2-molekylens böjlighet in. Molekylens form tycks vara mycket olika vid bindning till cellkärnans respektive yttermembranens receptorprotein (bild).

Kanske beror det på denna formbarhet hos vitamin D-molekylen (och dess släktingar) att man finner verkningar av vitamin D på så många processer hos så många organismer. Kanske beror det inte på att vitamin D är en naturlig reglersubstans hos dessa organismer, utan på att det fungerar som en dyrk, som passar i många lås som egentligen inte konstruerats för den.

Å andra sidan letar vi efter en funktion för det vitamin D som onekligen bildas i alger och växter, såväl som lavar och svampar. Vi vet att växter har en speciell ultraviolett-B receptor, ett system som möjliggör för dem att registrera ultraviolettstrålningen och skydda sig mot den genom ökad bildning av skyddspigment och ökad aktivitet hos enzym som reparerar skadat DNA. Den strålning som är verksammast för att stimulera sådana processer har precis samma våglängd som den strålning som mest effektivt omvandlar provitamin D (via previtamin D) till vitamin D. Så kanske fungerar provitamin D som en länk i det strålningsregistrerande systemet.

Märkligt nog finns det en del växter som kan bilda inte bara D-vitamin, utan också hydroxivitamin D och 1alfa,25-dihydroxivitamin D utan medverkan av ultraviolettstrålning. Hos dessa växter fungerar substanserna som kemiskt försvar, eftersom koncentrationerna är så höga, att betande djur drabbas av D-vitaminförgiftning. Men det finns också mycket som tyder på att vitamin D också i växter spelar en roll för hanteringen av kalciumjoner. Exempelvis ökar de växter som visats bilda 1alfa,25-dihydroxivitamin D sin halt av detta om det är brist på calcium, kanske med en effektivisering av kalciumupptagningen som följd.

Vi har intresserat oss speciellt för renlav, delvis för att den är av betydelse för renars D-vitaminförsörjning, delvis för att den är intressant i sig själv. Renlav består ju av en svamp- och en algkomponent. Svampen har, liksom de flesta svampar provitamin D2 (också kallat ergosterol) som en viktig komponent i cellernas yttermembran. Man skulle därför vänta sig, att det vid solbestrålning skulle bildas vitamin D2, vilket också är fallet. Den obestrålade laven innehåller däremot inte provitamin D3. Överraskande nog bildas det vid bestrålning inte bara vitamin D2, utan ännu mer vitamin D3, och även provitamin D3.

Av de flesta översiktsartiklar om vitamin D förefaller det som om denna substans har bara med ryggradsdjur att göra. Men man har gjort många observationer som tyder på att det har effekter på många andra organismer: landsnäckor, musslor, kräftdjur, tagghudingar, nässeldjur, alger och högre växter. I landsnäckor befordrar tillsats av vitamin D i födan kalcifiering av skalet. I tångloppor har man följt hur innehållet av 1alfa,25-dihydroxivitamin D varierar under skalömsningscykeln, vid vilken kalcium resorberas från det gamla urvuxna skalet, tillfälligt lagras i blindtarmarna, och sedan transporteras till det nya skalet. Man har i detta fall också konstaterat att det finns en receptor för 1alfa,25-dihydroxivitamin D som reagerar med antikroppar mot receptorn för 1alfa,25-dihydroxivitamin D i cellkärnan från kyckling.

I människokroppen är det inte bara kalciumupptagning i tarmen och benbildning som regleras av vitamin D, utan man har så småningom kommit underfund med att det är bortåt fyrtio olika processer i olika typer av kroppsceller för vilka vitamin D spelar en viktig roll. För ganska länge sedan kom man underfund med att den aktiva formen av vitamin D i människokroppen är 1alfa,25 dihydroxivitamin D, och att den verkar via en receptor i cellkärnan. Sedan det fullständiga genomet för backtrav, Arabidopsis har blivit kartlagt kan man konstatera, att denna typ av receptor saknas i Arabidopsis, och förmodligen i alla högre växter. För bortåt ett kvartssekel sen började det emellertid komma fram resultat som tydde på att vitamin D hos däggdjur verkar också på andra sätt än genom receptorn i cellkärnan. Förmodligen finns det dessutom två olika typer av membranbundna receptorer, en för 1alfa,25 dihydroxivitamin D och en för 24,25-dihydroxivitamin D. Dessa proteiner är av helt annan typ, men deras gener och sekvenser har ännu inte blivit definierade. Därför är det mycket möjligt att det finns motsvarande receptorer också i växter, alger och svampar.

Början på denna sida
Projektens ingångssida

Biologiska institutionen

Kontakta: Lars Olof Björn, professor emeritus
Adress:	Biologiska institutionen, Biologihus A, Sölvegatan 35, 223 62 Lund
Telefon: 046-222 77 97  Fax: 046-222 41 13 E-post: Uppdaterad: 13 oktober 2010 Webbmästare: