Erinnert ihr euch an laue Sommernächte, in denen plötzlich leuchtende Punkte in Bäumen tanzen? Oder habt ihr gar einmal mystisch leuchtende Wellen am Strand gesehen? Tiefseefische, Quallen, Algen und der Ölpilz – die Natur knipst das Licht an. Biolumineszenz gehört zu den faszinierendsten Naturwundern dieser Erde. Wieso erzeugen Lebewesen Licht und was geschieht da eigentlich genau?
Biolumineszenz beschreibt die Fähigkeit von Lebewesen Licht zu erzeugen. Sie ist in der Natur vollkommen unterschiedlich verbreitet. So gibt es beispielsweise biolumineszente Bakterien und Pilze, Krebstiere, Insekten und Hundertfüßer, Fische und Nesseltiere (hierzu gehören die Quallen). Bei den Säugetieren oder höheren Pflanzen kommt es dagegen überhaupt nicht vor. Auffällig ist, dass man Biolumineszenz unter Wasser sehr viel häufiger findet als an Land. Je tiefer der natürliche Lebensraum der Tiere im Meer ist, desto mehr Arten sind in der Lage, die unendliche Schwärze des Meeres mit ihrem eigenen Licht zu erhellen. Manche Arten erzeugen das Licht selbst und andere holen sich Bakterien zu Hilfe (Symbiose), die das Licht erzeugen können. So geht der Tiefseeanglerfisch eine Symbiose mit Bakterien ein, die er mit Sauerstoff versorgt und die Bakterien übernehmen für ihn die Lichterzeugung. Dies nennt man auch sekundäres Leuchten. Eines der bekanntesten Beispiele für primäres Leicht ist wohl das Glühwürmchen. Es erzeugt sein Licht selbstständig. Der Name ist dabei im höchsten Maße irreführend. Der Wurm‘ ist eigentlich ein Käfer und das Glühen ist ein Leuchten. Es ist also ein Leuchtkäfer, den wir tagsüber wahrscheinlich ignorieren würde, da er in einem unscheinbaren braun daherkommt. So weit so gut, nur wieso leuchten manche Arten und vor allem, wie?
Warum leuchten manche Arten?
Es gibt verschiedene Arten, wie das Licht erzeugt wird und es findet sich in vollkommen unterschiedlichen Tierarten. Man geht davon aus, dass es in den Arten unabhängig voneinander entwickelt und etabliert hat. Es erfüllt nicht immer einen erkennbaren Zweck und ist, beispielsweise bei Bakterien, vielleicht auch einfach nur ein zufälliges Nebenprodukt einer chemischen Reaktion. Bei vielen Arten wird die Biolumineszenz jedoch aktiv für folgende Anwendungen genutzt:
- Partnersuche
- Tarnung
- Kommunikation
- Nahrungssuche (Anlocken von Beute)
- Als Abschreckung, Täuschung, Warnung oder Drohung
Die Chemie hinter dem Leuchten
Die Biolumineszenz ist genau genommen eine Chemielumineszenz. Das Entstehen des Lichts beruht auf einer chemischen Reaktion, bei welcher freiwerdende Energie in Form von Licht abgegeben wird. Dabei wird nicht nur eine Farbe, sondern unterschiedliche Farben erzeugt. Im Wesentlichen sind das Blau, Grün und Gelb. Wie bereits oben erwähnt, hat Biolumineszenz nicht nur einen Ursprung, sondern wurde in den verschiedenen Arten mehrmals unabhängig voneinander ‚erfunden‘. Aufgrund dessen finden sich in unterschiedlichen Arten unterschiedliche Reaktionen, und somit auch Unterschiede in dem Ablauf der chemischen Reaktionen, bei welcher das Licht erzeugt wird. Bei den meisten dieser Reaktionen reagiert Sauerstoff mit Luziferinen, wobei Licht entsteht. Luziferine sind eine Klasse verschiedener Naturstoffe, die Lebewesen nutzen, um Biolumineszenz zu erzeugen. Für die Reaktion werden Enzyme benötigt, welche die Reaktion katalysieren. Diese werden Luziferasen genannt und sind im Laufe der Evolution wahrscheinlich aus den Oxygenasen hervorgegangen. Schauen wir uns die Chemie dahinter noch ein bisschen genauer an. Das Enzym Luziferase katalysiert unter Anwesenheit von Ca 2+ Ionen die exergone Oxidation von Luziferinen mit molekularem Sauerstoff (O2) zu Dioxetane bzw. Dioxetanone. Letzteres ist instabil und zerfällt in Nanosekunden unter der Abgabe von Kohlenstoffdioxid (CO2), wobei Energie in Form von Licht freigesetzt wird. Gehen wir das nochmal langsam durch: Damit die Reaktion starten kann, werden die Calciumionen und die Luziferase benötigt. Die Luziferase liefert als Katalysator die benötigte Starthilfe, indem sie die Aktivierungsenergie soweit senkt, dass die Reaktion startet. Eine Oxidation ist eine chemische Reaktion, bei der der zu oxidierende Stoff Elektronen abgibt, welche ein anderer Stoff aufnimmt. In unserem Fall nimmt Luziferin weitere Elektronen auf. Dieser Vorgang verbraucht Sauerstoff. Exergone Reaktionen, beschreiben Reaktionen, die freiwillig ablaufen und bei welchen die freie Enthalpie abnimmt, sich also das System zu einem Gleichgewichtszustand hinbewegt. Dioxetane/ Dioxetanone sind ein Vierringe, die elektronisch angeregt sind und zerfallen. Bei diesem Zerfall werden Photonen frei und genau diese Photonen, oder auch Lichtquanten, sind kleine Energiepakte, deren Energie wir in Form von Licht sehen.
Ein Blick in die Zukunft – was können wir von der Natur lernen?
Die oben beschriebene Reaktion, bei welcher am Ende Licht entsteht, laufen um ein Vielfaches effizienter ab, als die Methoden, die Menschen zur Erzeugung von Licht nutzen. Bei einer herkömmlichen Glühbirne werden 90% der Energie für Wärme verschwendet und nur 10% der Energie wird zu Licht. Die Lichtausbeute der Biolumineszenz beträgt ungefähr 98%, nur etwa 2% wird in Wärme umgewandelt. Aus diesem Grund ist die Biolumineszenz ein so genanntes kaltes Licht. Wenn die Natur das Licht so viel effizienter anknipst als wir, was können wir dann von ihr lernen?
Bereits heute wird Biolumineszenz als Markierungsmethode in der Molekularbiologie und als Nachweis von Toxinen in der Ökotoxikologie verwendet. Ein Forscherteam um Karen Sarkisyan und Ilia Yampolsky beschrieb erste Erfolge in der genetischen Modifizierung einer Tabakpflanze, welche eine autarke Lumineszenz besitzt, die mit bloßem Auge sichtbar ist. Vielleicht werden unsere Straßenlaternen eines Tages mit lumineszenten Bäumen ersetzt? Zu viel Licht wäre für die natürlichen Vorbilder allerdings schädlich. Schon jetzt gehen die Bestände des Leuchtkäfers immer weiter zurück, da die zunehmende Beleuchtung während der Nacht die Partnersuche erschwert. Vielleicht sollten wir uns öfter einmal in den Garten setzen und uns in der Dunkelheit von den leuchtenden Hintern dieser kleinen Energiemaschinen faszinieren lassen.