Was ist Biolumineszenz: Definition und Bedeutung

Unterschied zwischen Biolumineszenz, Biofluoreszenz, Phosphoreszenz und Remission

Bei der Biofluoreszenz wird durch das Auftreffen von Licht auf ein Tier oder eine Pflanze in diesem Organismus ein physikalischer Prozess ausgelöst, bei dem ebenfalls Licht – meist von geringerer Energie – ausgesendet wird. Es ist also Licht von außen nötig, um Fluoreszenz zu betreiben.

Physikalisch korrekt spricht man von Fluoreszenz dann, wenn dieses Leuchten nur einen sehr kurzen Sekundenbruchteil anhält. Dauert es länger, und es können Stunden sein, dann wäre eigentlich Phosphoreszenz der korrektere Ausdruck. Die Biolumineszenz bedarf im Gegensatz zur Fluoreszenz unbd Phosphoreszenz keines Auslösers von außen. Die Tiere und Pflanzen erzeugen das Leuchten stattdessen selbständig und ohne Umweltreiz.

Wenn hingegen ein Lebewesen, das von Licht getroffen wird, dieses Licht gestreut reflektiert, wobei es einen Teil des Lichts absorbiert und sich dadurch die Farbe des Lichts ändert, dann sieht es nur so aus, als leuchte das Tier selbst. Dieser Vorgang wird Remission genannt.

Verschiedene Formen der Biolumineszenz

In der Wissenschaft wird zwischen der autogenen oder primären und der bakteriogenen oder sekundären Biolumineszenz unterschieden. Primäres Leuchten liegt dann vor, wenn das Lebewesen selbst dazu imstande ist, zu leuchten. Von sekundärem Leuchten spricht man, wenn das Leuchten etwa von leuchtenden Bakterien verursacht wird, die im Körper des Lebewesens zuhause sind und in Symbiose mit diesem zusammenleben. Diese Bakterien wiederum sind dann Primärleuchter. Das primäre Leuchten ist in der Natur insgesamt der weitaus häufiger vorkommende Fall.

Was passiert bei der Biolumineszenz: Chemie und Prozesse

Im Wesentlichen entsteht Biolumineszenz fast immer durch einen chemischen Prozess, bei dem eine Substanz, zusammenfassend Luziferin genannt, unter kontrollierender Beteiligung eines Luziferase genannten Enzyms, das als Katalysator wirkt, oxidiert, also eine Verbindung mit Sauerstoff eingeht. Bei dieser chemischen Reaktion wird Energie in Form von sichtbarem Licht frei.

Bei einigen Arten werden neben Luziferin und Luziferase noch zusätzlich Calcium- oder Magnesium-Ionen benötigt, andere Arten brauchen zur Lichterzeugung zusätzliche Energie in Form des Moleküls Adenosintriphosphat (ATP), das ansonsten der Energieversorgung von Zellen dient.

Auch eine Verbrennung ist eine Form der Oxidation, allerdings eine unkontrollierte, bei der Energie vor allem in Form von Wärme abgegeben wird. Und auch bei biochemischen Reaktionen, bei denen Energie frei wird, geschieht dies zumeist in Form von Wärme. Bei der Luziferin-Luziferase-Reaktion hingegen wird die frei werdende Energie ausschließlich in Form von Licht abgegeben, es ist „kaltes Licht“. Und da keine Wärme entsteht, ist die Effizienz dieser Methode der Umwandlung chemischer Energie in Licht beachtlich. Sie liegt bei etwa 0,8–0,9. Eine Glühlampe bringt es im Vergleich nur auf 0,03.

Einen ähnlichen, aber noch etwas effizienteren Vorgang nutzt eine bestimmte Quallenart. Hier wird das Luziferin nicht verbraucht, sondern dieses kehrt nach der Lichtabgabe in seinen ursprünglichen Zustand zurück und kann immer wieder verwendet werden.

Die Luziferine, die die einzelnen Tier- und Pflanzenarten zur Lichtgewinnung verwenden, unterscheiden sich nicht sehr stark voneinander. Anders sieht es hingegen bei den Katalysatoren, den Luziferasen, aus. Hier gibt es artabhängig eine große Vielfalt verschiedener Enzyme. Biologen schießen daraus, dass es im Laufe der Evolutionsgeschichte insgesamt über 40 Mal zur jeweils unabhängigen Entwicklung der Biolumineszenz gekommen sein muss.

Wo entsteht die Biolumineszenz

Zur Erzeugung des Leuchtens besitzen Einzeller spezielle Organellen, während bei Bakterien das Zytoplasma leuchtet. Insekten wie etwa Glühwürmchen verfügen über Leuchtgewebe.

Höher entwickelte Organismen besitzen zumeist eigene Leuchtorgane. Diese können bemerkenswert kompliziert aufgebaut sein. So gibt es Leuchtorgane, die innen mit einer aus Kristallen bestehenden, reflektierenden Schicht ausgekleidet sind, ähnlich wie ein Scheinwerfer. Andere Arten verfügen an der Öffnung, durch die das Licht das Leuchtorgan verlässt, über eine Linse, die das Licht bündelt. Wieder andere Organismen können diese Austrittsstelle mit „Lidern“ nach Belieben öffnen und schließen. Eine im Süßwasser lebende Schneckenart (Latia neritoides) besitzt Leuchtdrüsen, mit denen sie bei Bedarf einen leuchtenden Schleim absondern kann.

Welche Organismen betreiben Biolumineszenz und können leuchten

Biolumineszenz gibt es bei Arten im fast gesamten Tier- und Pflanzenreich. Höhere Pflanzen und Landwirbeltiere verfügen allerdings nicht über die Fähigkeit zum Leuchten. Generell kommt bei Wirbeltieren ohnehin nur das sekundäre Leuchten mithilfe von symbiotisch lebenden Bakterien vor.

In wärmeren Meeren, wie dem Mittelmeer oder dem Roten Meer gibt es Leuchtquallen (Pelagia noctiluca). Diese Tiere leuchten bei Berührung oder Erschütterung auf, weshalb sie diesen Namen bekamen.

Die meisten Arten, die zur Biolumineszenz imstande sind, leben im Meer. Bis zu 90 Prozent der Tiefseebewohner und immerhin fünf Prozent der in Küstennähe lebenden Organismen leuchten. Man hat das Phänomen bereits bei Fischen, bei Weichtieren wie etwa Kopffüßern und Schnecken und auch bei Nesseltieren, beispielsweise bei Quallen und Korallentieren, beobachtet. Das ebenso bekannte wie beliebte Meeresleuchten wird von im Meer lebenden Kleinlebewesen, dem Plankton, verursacht, das damit auf Störungen der Meeresströmung reagiert. Im Süßwasser wurde bis jetzt nur eine einzige leuchtende Art entdeckt, es handelt sich hierbei um die oben bereits erwähnte Schnecke.

Von den an Land lebenden Tieren mit der Fähigkeit zur Biolumineszenz sind sicherlich die Leuchtkäfer oder Glühwürmchen am bekanntesten. Bisher wurden erst wenige Dutzend leuchtfähige Pilze entdeckt, obwohl es hunderttausende Pilzarten gibt. Der prominenteste Vertreter ist der Hallimasch (Armillaria mellea), welcher auch als Speisepilz genutzt wird. Der Dunkle Ölbaumtrichterling (Omphalotus olearius) ist eine Pilzart im Mittelmeerraum, welcher an Laubbäumen ansässig und giftig ist. Nachts leuchten die Kamellen des Pilzes so auffällig grün, dass er den Beinamen „Geisterpilz“ erhielt.

Biolumineszenz bei Fischen

Das Leuchten konnte bei insgesamt 180 Fischarten festgestellt werden. Hier einige Beispiele:

• Der Warzen-Anglerfisch (Antennarius maculatus) ist ein Knochenfisch aus der Familie der Anglerfische (Antennariidae). Er lebt im Indopazifik und kann in den Korallenriffen von Mauritius, den Malediven, Indonesien und den Phillippinen beobachtet werden.
• Die Familie der Eidechsenfische (Synodontidae) lebt auf dem Sandboden der tropischen Weltmeere. Die meisten Vertreter der 70 Arten können ebenfalls leuchten.
• Einige Vertreter aus der Familie der Seezungen (Soleidae), welche auch im Süßwasser oder Brackwasser beheimatet sind, betreiben ebenfalls Biolumineszenz.
• Der Schwellhai (Cephaloscyllium ventriosum) ist eine Haiart aus der Familie der Katzenhaie (Scyliorhinidae), welcher an der amerikanischen Pazifikküste vor Kalifornien lebt. Die Haie können ebenfalls leuchten.
• Der Blauer Doktorfisch ist ein Riffbewohner im westlichen Atlantik vor Amerika. Tagsüber sind die Fische bläulich gefärbt, was zur Namensbildung führte. In der Nacht bewirkt die Biolumineszenz ein grünes Schimmern und Leuchten.

Wozu dient Biolumineszenz: Biologische Funktionen

Der Zweck der Biolumineszenz ist, vor allem bei Einzellern, noch nicht abschließend erforscht. Bei einigen Tierarten dient sie der Erkennung von Artgenossen und der Kommunikation, bei anderen zur Anlockung von Sexualpartnern. Dies gilt etwa für das Glühwürmchen, aber auch für eine Haiart mit leuchtenden Geschlechtsorganen. Das Leuchten kann Beute anlocken, wie beim Anglerfisch, oder – als Blitz ausgesandt – die Beute in Schockstarre versetzen. Umgekehrt kann es zur Abschreckung von Fressfeinden dienen.

Biolumineszenz kann genauso als Suchlicht eingesetzt werden wie zur Tarnung. Das mag überraschen, aber ein an der Unterseite leuchtender Fisch ist von unten gegen das Sonnenlicht praktisch nicht zu sehen. Auch können einige Tiere sich mit ihrem Leuchten der Helligkeit der Umgebung anpassen. Bei Pilzen könnte die Lumineszenz sowohl Insekten zur Sporenverbreitung anlocken als auch Fressfeinde abschrecken.

Wie wird Biolumineszenz durch den Menschen genutzt

Sicherlich hat der Mensch Glühwürmchen und somit die Biolumineszenz gekannt, seit es ihn gibt. Überliefert ist, dass sich Aristoteles und Plinius der Ältere zu dem Thema geäußert haben. Beiden war aufgefallen, dass an verrottendem Holz mitunter ein Lichtschein zu erkennen ist. Aristoteles war der gleiche Effekt auch bei Fisch und Fleisch aufgefallen. Der britisch-irische Wissenschaftler Robert Boyle hat im 17. Jahrhundert erstmals festgestellt, dass sowohl beim Holz als auch bei Glühwürmchen Sauerstoff erforderlich ist, um Biolumineszenz zu ermöglichen.

Aber erst im 19. Jahrhundert wurde das Phänomen dann wirklich wissenschaftlich untersucht. So konnte der französische Pharmakologe Raphael Dubois nachweisen, dass Biolumineszenz nichts mit Phosphor zu tun hat, wie bis dahin angenommen wurde, sondern dass der Effekt durch die Oxidation eines Stoffes durch ein Enzym verursacht wird. Diesem Stoff verlieh er den Namen Luziferin.

Bis dahin hatten die Menschen sich den Effekt der Biolumineszenz auf interessante Art und Weise zur Beleuchtung zunutze gemacht. Bereits im Mittelalter gab es Bakterienlampen und mit Glühwürmchen gefüllte Flaschen, um in der Dunkelheit zumindest etwas Licht zur Verfügung zu haben. Im Bergbau wurden vor der Erfindung der Grubenlampe selbstleuchtende, getrocknete Fischhäute zur spärlichen Beleuchtung im Stollen eingesetzt. Kerzen konnte man wegen der Gefahr der Schlagwetterexplosionen nicht verwenden.

Und schließlich war es Benjamin Franklin, auf dessen Rat hin die Instrumentenzeiger der „Turtle“, des ersten amerikanischen U-Bootes im Unabhängigkeitskrieg, mit eben jenen Pilzen bestückt wurden, die für den Lichtschein an modrigem Holz verantwortlich sind, der schon Aristoteles und Plinius aufgefallen war. Die Instrumente sollten so im dunklen Boot besser abzulesen sein. Aber die Idee scheiterte. Es war schlicht zu kalt an Bord.

Der spätere Apollo-13-Kommandant Jim Lovell hatte sich bei einem Nachtflug einmal verirrt, konnte seinen Flugzeugträger aber wiederfinden, indem er dem von Plankton erleuchteten Kielwasser des Schiffes folgte.

Heute wird die Biolumineszenz in der modernen Forschung wiederentdeckt. So wird die Methode in der Molekularbiologie zur Markierung eingesetzt und hat die bis dahin verwendete Markierung mit nicht ungefährlichen radioaktiven Substanzen bereits weitgehend verdrängt. Über den Einsatz von Plankton (Dinoflagellaten) in der Strömungsforschung wird zumindest nachgedacht.

Noch in weiter Ferne liegt die Entwicklung von selbstleuchtenden Bildschirmen oder gar der Einsatz der Biolumineszenz in der Beleuchtung von Straßen und Wohnungen. Im Rahmen dieser Forschung ist es immerhin gelungen, zum Zweck der Wohnungsbeleuchtung mithilfe der Gentechnik eine selbstleuchtende Zimmerpflanze zu züchten – selbstleuchtende höhere Pflanzen gibt es ja in der Natur nicht.

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