1

Bioluminescence in ocean

S.SarugaBSc in Fisheries Science,University Of Jaffna,Sri Lanka.

2

Over view Introduction

Chemistry of bioluminescence

Colour of bioluminescence 

Uses of bioluminescence in nature

Bioluminescence and Harmful Algal Bloom Detection

Uses of bioluminescence to human 

Uses of bioluminescent in Biotechnology

Examining the bioluminescence

Conclusion

References

3

IntroductionProduction and emission of light by a chemical reaction within a living organism

Cold light- less than 20% of the light generates thermal radiation, or heat

Bioluminescence on land and in freshwater is rare compared to its occurrence in 

the ocean

In the deep ocean 90% of the animals are luminescent 

Higher in deep-living and planktonic organisms 

Produced by the organisms themselves and by bacterial symbionts

4

Why are so many animals in the ocean bioluminescent?

Sunlight is dim or absent              an alternative way to communicate using light

No concealment              hide in the wide open 

Bioluminescence is effective is vast             allowing natural selection 

     

     

     

     

5

What are some of the different animals that make light? (Bioluminescent)

Many different types of organisms 

Microscopic cells to fish and even a few sharks

No higher vertebrates above the fish

6

Bacteria

Radiolaria

Dinoflagellates

Fungi

Coelenterates and Ctenophores (jellyfish): siphonophores, medusae, soft corals, 

(comb jellies)

7

Gastropods: nudibranchs (rare), clams (rare),squids, octopus (rare)

Annelids (worms): polychaetes (bristle worms), earthworms

Marine crustaceans: mysids (rare), copepods, ostracods (firefleas), amphipods, 

krill, shrimp

Insects: beetles (fireflies, glowworms), flies (rare), centipedes (rare), millipedes 

(rare)

8

Echinoderms: sealilies, seastars, brittlestars, sea cucumbers

Tunicates: pyrosomes, larvaceans

Sharks (rare)

Fishes – many different types

9

• Dinoflagellates are the most commonly encountered bioluminescent 

organism

• Cause the sparkling lights

• Sailors, swimmers, and beachgoers

• “Bioluminescent bays” which are tourist destinations in Puerto Rico 

and Jamaica 

• Comb jellies- 90%

10

• In some cases, it is hard to establish that a species is nonluminous

• Among filter-feeding organisms, reports of luminescence are hard to confirm

• It is difficult, to separate the organism from associated and ingested protists and 

microbes 

11

Chemistry of bioluminescence Result of energy released during a chemical reaction 

Two unique chemicals

Luciferin and either luciferase or photoprotein

Reaction is the oxidation of a light-emitting molecule, a luciferin

The reaction rate for the luciferin is controlled by an enzyme

A luciferase or a photoprotein

12

Photoproteins are triggered to produce light upon binding another ion or 

cofactor, such as Ca2+ or Mg2+  and ATP

Synthesize luciferin on their own

Many marine animals

Do not synthesize luciferin

Absorb, either as food or in a symbiotic relationship

The bacteria and squid 

13

Examples of fish that have bacterial photophores

Angler fish

Pinecone fish

Lantern eyes/flashlight fish

Pony fishes

Ichthyococcus

14

Colour of bioluminescence • Bioluminescence does come in different colors

• Depending on the habitat and organism 

• Blue-green easily visible in the deep ocean

• Sensitive only to blue-green colors

• Most animals in the ocean cannot see red light

• Black loosejaw -red light

15

Uses of bioluminescence in nature1) Finding or attract the prey

Use their light to lure prey towards their mouths

Angler fish

16

Dragonfish/loosejaws

Emit red light

17

2) Defense/ ProtectionSquid and shrimp produce a luminescent glowing cloud

Similar in function to the ink cloud 

18

Scale worms and brittle stars sacrifice a part of the body

 That continues to flash

Some species of sea cucumber can break off the luminescent parts of their 

bodies onto nearby fish

19

Some squid and fish species are camouflage by counter illumination

bioluminescence 

Their bioluminescence matches the color and brightness of the dim sunlight

Called luminescent countershading

Hatchet fish   - light producing organs that point downward

Adjusting their bioluminescence

20

Some animals use their bioluminescence to "scream" for help 

Once an animal is caught in the clutches of a predator, its only hope for escape 

may be to attract the attention of something bigger and nastier that may attack 

and eat whatever is about to eat it

This amazing light show is known as a "burglar alarm" display

The deep-sea jellyfish- Atolla , is a master of this display

21

3) Attracting Mates The male Caribbean ostracod, a tiny crustacean, uses bioluminescent signals on 

its upper lips to attract females

Syllid fireworms use bioluminescence to attract males while moving around in 

circles

Anglerfish, flashlight fish and ponyfish all are thought to luminesce in order to 

tell the difference between males and females

Or communicate in order to mate 

22

23

4)Other Bioluminescence Organisms can luminesce when they are disturbed

Changes in the environment, such as a drop in salinity, can force bioluminescent

algae to glow, for instance

These living lanterns can be seen as spots of pink or green in the dark ocean

24

• "Milky seas" 

• Which flash when their environment is disturbed, milky seas are continuous 

glows(Dinoflagellate:-Noctiluca scintillans)

• Sometimes bright and large enough to be visible from satellites in orbit above 

the Earth

25

• Many small planktonic surface dwellers—such as single-celled dinoflagellates—

are bioluminescent

• When conditions are right, dinoflagellates bloom in dense layers at the surface of 

the water, 

• Causing the ocean to take on a reddish-brown color in daylight (  known as          

red tide)

26

Bioluminescence and Harmful Algal Bloom Detection

Marine both toxic and bioluminescent species occurring across the globe 

Particularly in Sea of Japan, Aegean Sea, Baltic Sea and Black Sea

When the dinoflagellates are poisonous to other animals, these events are 

called harmful algal blooms (HABs)

Through feeding/food chain, it affect marine mammals or people 

It can cause sickness or even death

27

Uses of bioluminescence to human

For humans, the beautiful colors and light that are produced by bioluminescence 

can be works of art

Some artists use the bacteria itself to create line drawings or entire exhibits with 

petri dishes

Used as a tool by researchers 

Edie Widder, a scientist who specializes in bioluminescence

o  A live giant squid was captured by her for the first time on film in 2012!

28

Uses of bioluminescent in Biotechnology

Environmental monitoring

Remedial investigations 

Toxicity assessments and 

Field methods

29

1) Biology and medicine Monitoring of biological processes (e.g. gene expression, protein–protein 

interaction and disease progression) with clinical, diagnostic and drug discovery 

applications

Biomedical research using bioluminescence imaging

Bioluminescent activated destruction is an experimental cancer treatment

30

2)Light production Industrial designers

University of Wisconsin–Madison is researching the use of genetically 

engineered bioluminescent E. coli bacteria, for use as bioluminescent bacteria in 

a light bulb

In 2016, Glowee, a French company started selling bioluminescent lights

They used bacteria called Aliivibrio fischeri which glow in the dark but the 

maximum lifetime of their product was three days

31

Underwater Bioluminescence Assessment Tool (UBAT)

It is designed to provide measurement of mechanically stimulated 

bioluminescence potential (photons)

 UBAT is a small, light-weight bioluminescence sensor designed for deployment 

on multiple platforms such as ship-board profiles, Autonomous Underwater

Vehicles (AUVs) and long-term deployment on moorings

 By measuring the bioluminescence, it provide a more complete picture of 

spatial and temporal variability of the biogeochemical complexity of coastal and 

ocean ecosystems

32

a)                                                                     b)

Figure :-(a)Bioluminescence sections measured via an autonomous underwater vehicle              (b)Taking samples while underway on board an autonomous underwater vehicle

33

Conclusion Tool in marine ecosystem

Mechanisms of luciferin biosynthesis are almost entirely unknown

The question of why so many animals are bioluminescent still does not have a satisfactory 

answer

Improvements in remote and automated methods of detecting oceanographic-scale     

bioluminescence (satellites and bathyphotometers) will allow better understanding of marine 

ecosystem dynamics, harmful algal blooms, and how and why plankton populations

fluctuate over time.

 In order to minimize energy consumption and pollution,in future,can use bioluminescent 

light

34

ReferencesBrejc, K. et al. (1997) Structural basis for the dual excitation and photoisomerization of the Aequorea victoria 

green fluorescent protein. Proceedings of the National Academy of Sciences, USA 94, 2306

Haddock S.H.D. Moline M.A. and Case J.F. (2010)Bioluminescence in the sea. Ann. Rev. Marine Sci. 2:293-343.

Hastings J.W.( 1983) Biological diversity, chemical mechanisms, and the evolutionary origins of 

bioluminescent systems. J. Mol. Evol. 19, p309.

Herring , P.J. (1987) Systematic distribution of bioluminescence in living organisms. Journal of 

Bioluminescence and Chemiluminescence 1, 147–163. 

McCapra F, Hart R. (1980 )The origins of marine bioluminescence Nature 286. 660-1. Bioluminescence (EB, 

190313549).

35

Thank You