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Biolumineszenz: Wenn Lebewesen leuchten

Tiefsee-Bartelfisch Photostomias guernei
Tiefsee-Bartelfisch Photostomias guernei
© U.S. National Oceanic and Atmospheric Administration / Una Smith
von Joachim Czichos

Der Mensch hat die Glühbirne erfunden, um Licht zu erzeugen. Die Natur hat das Glühwürmchen hervorgebracht – eine wesentlich effizientere Lichtquelle. Es wandelt chemische Energie nahezu verlustfrei in kaltes Licht um. Bei der Glühlampe dagegen gehen 95 Prozent der zur Lichterzeugung eingesetzten elektrischen Energie als Wärme verloren. Die Glühwürmchen und einige andere Insekten stellen mit ihrer Fähigkeit zu leuchten eine Besonderheit unter den landlebenden Tieren dar. In der Tiefsee dagegen beherrschen 90 Prozent der Lebewesen diese Kunst der Biolumineszenz und profitieren auf unterschiedliche Weise davon.

Wie leuchten sie?
Wenn Lebewesen durch chemische Reaktionen sichtbares Licht erzeugen, erfolgt das einerseits immer nach dem gleichen Prinzip: Ein Leuchtstoff (Luziferin) wird mithilfe eines Enzyms (Luziferase) oxidiert, wobei Energie in Form von Licht entsteht. Andererseits hat jeder Organismus seine eigene Variante der Biolumineszenz entwickelt. Unterschiedliche Arten von Luziferinen und zahlreiche Varianten der Luziferase lassen Licht in sämtlichen Farben erstrahlen.

Im Gegensatz zu den gelblich leuchtenden Glühwürmchen erzeugen Quallen und die meisten anderen Lebewesen der Tiefsee blaues oder blaugrünes Licht. Strahlung dieser Wellenlängen durchdringt das Wasser besonders gut. Wenn einige Organismen Fluoreszenzlicht aussenden, beruht das auf einem zusätzlich vorhandenen Protein, das nach Anregung durch die Biolumineszenz-Reaktion fluoresziert. Ein Beispiel dafür ist das so genannte „Grün fluoreszierende Protein (GFP)“ aus der Qualle Aquorea, das inzwischen in der biomedizinischen Forschung für die Markierung von Zellen eine wichtige Rolle spielt.

Welche Lebewesen können leuchten?
Die Fähigkeit zur Biolumineszenz hat sich im Lauf der Evolution mehrmals entwickelt. Von den Einzellern bis zu den Fischen gibt es in allen Tiergruppen Licht erzeugende Arten. Bei den auf dem Land lebenden Wirbeltieren und den höheren Pflanzen kommt die Biolumineszenz gar nicht vor. Einige Pilzarten wie der Hallimasch wiederum können leuchten und locken dadurch Insekten zur Verbreitung der Sporen an. Die Licht erzeugende Reaktion diente ursprünglich wohl nur dazu, aggressive Sauerstoffverbindungen unschädlich zu machen. Erst später könnten dann neben einigen Insekten vor allem Meeresorganismen – Bakterien, Algen, Quallen, Schnecken, Muscheln, Krebse, Würmer, Tintenfische und Fische – diese Fähigkeit auf unterschiedliche Weise zu ihrem Vorteil genutzt haben.

Aber nicht jedes biolumineszente Tier leuchtet selbst. Einige Tiefseefische und Tintenfische setzen dazu Leuchtbakterien ein. So tragen weibliche Anglerfische ein Leuchtorgan als Köder an der Angel über dem Maul. Die darin wachsenden Bakterien schalten alle gleichzeitig ihr Licht ein, wenn sie eine bestimmte Konzentration erreicht haben. Frei lebende Leuchtbakterien lassen die Meeresoberfläche milchig schimmern. Andere Kleinstlebewesen wie die Dinoflagellaten der Gattung Noctiluca erzeugen das Meeresleuchten. Diese einzelligen Algen werden durch mechanische Reize wie Wasserströmungen zum Leuchten angeregt. Tiere dagegen kontrollieren die Biolumineszenz über Nervensignale und leuchten entweder kontinuierlich oder erzeugen Lichtblitze, die zwischen 0,1 und 10 Sekunden andauern.

Warum leuchten sie?
Die Frage nach dem Zweck des Leuchtens ist in einigen Fällen leicht zu beantworten. Die erwachsenen Glühwürmchen nutzen es zur Kommunikation bei der Partnersuche und die Anglerfische locken damit Beute an. Aber im Meer kann Licht auch die Funktion haben, abzuschrecken oder sich zu tarnen. So lassen Ruderfußkrebse des Planktons die Biolumineszenz außerhalb des Körpers ablaufen, indem sie bei Gefahr durch spezielle Drüsen leuchtende Wolken ausstoßen. Das blendet den Angreifer und ermöglicht die Flucht in die Dunkelheit. So wie Eidechsen ihren Schwanz abwerfen, können Haarsterne oder Quallen leuchtende Körperteile abstoßen, um Feinde zu verwirren. Paradoxerweise kann eine blinkende Körperbeleuchtung auch zur Tarnung dienen. Die dunkle Unterseite ist nämlich von unten betrachtet gegen die helle Wasseroberfläche gut sichtbar. Daher lösen manche Tiere ihre Silhouette durch zahlreiche Leuchtpunkte auf der unteren Körperseite auf. In vielen Fällen ist der Zweck des Leuchtens allerdings noch ungeklärt. Selbst bei den bereits gut untersuchten Glühwürmchen gibt es dazu noch offene Fragen.


In Deutschland gibt es drei Arten von Leuchtkäfern
Der einzige Leuchtkäfer, der bei uns gleichzeitig leuchtet und fliegt, ist das Männchen des Kleinen Leuchtkäfers (Lamprohiza splendidula), auch Gemeines Glühwürmchen oder Johanniswürmchen genannt. Alle weiblichen Leuchtkäfer sind flugunfähig. Beim Großen Leuchtkäfer (Lampyris noctiluca) zeigen nur die Weibchen ein deutlich erkennbares Leuchten.
Für den kleinsten Vertreter, den Kurzflügel-Leuchtkäfer (Phosphaenus hemipterus), hat das schwache Glühen des Weibchens keine ersichtliche Funktion mehr: Das ebenfalls flugunfähige Männchen macht sich bei Tageslicht auf die Partnersuche.


"Glühwürmchen, Glühwürmchen, schimmre …"

Unsere einheimischen Glühwürmchen, offiziell Leuchtkäfer genannt, leuchten bereits, bevor sie aus dem Ei schlüpfen. Auch wenn dann die Larven auf Schneckenjagd gehen, leuchten sie schwach. Warum, weiß man nicht. Als Taschenlampe dürfte das Leuchtorgan, weil es sich wie beim voll entwickelten Leuchtkäfer auf der Unterseite des Hinterleibs befindet, wenig nützlich sein. Nach mehreren Häutungen wandeln sich die Larven über das Puppenstadium in die Leuchtkäfer um, die keine Nahrung mehr aufnehmen. Die Bezeichnung "Würmchen" bezieht sich übrigens auf das Aussehen der flügellosen oder stummelflügeligen Weibchen. Diese haben die Leuchtorgane der Larven nicht übernommen, sondern neue gebildet. Sie bestehen aus einer mittleren Schicht von Leuchtzellen, in denen das Licht erzeugt wird, einer äußeren durchsichtigen Haut, durch die das Licht austreten kann und aus einer inneren Zellschicht, voll gepackt mit Salzkristallen, die das Licht nach außen reflektieren. In den Sommernächten schaltet das Weibchen bis zu drei Stunden lang ihre Lampen ein. Es entsteht ein kontinuierlich leuchtendes Lichtmuster aus Balken und Flecken, das die umherfliegenden Männchen anlockt. Amerikanische Leuchtkäfer hingegen erkennen sich an Blinkzeichen, deren Rhythmus von Art zu Art unterschiedlich ist. Das tägliche Einschalten des Leuchtorgans nach Einbruch der Dunkelheit steuert in jedem Fall eine innere Uhr.


(Zuerst erschienen in "explore: - Kundenmagazin des TÜV Nord")



 

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