Biolumineszenz

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Großer Leuchtkäfer (Lampyris noctiluca)

Als Biolumineszenz (gr. βιός biós „Leben“ und lat. lumen „Licht“) wird in der Biologie die Fähigkeit von Lebewesen bezeichnet, selbst oder mit Hilfe von Symbionten Licht zu erzeugen. Die Erzeugung des Lichtes findet bei höher organisierten Organismen oft in speziellen Leuchtorganen statt, bei eukaryotischen Einzellern in besonderen Organellen und bei Bakterien im Cytoplasma. Sie basiert auf chemischen Prozessen, bei denen freiwerdende Energie in Form von Licht abgegeben wird, es handelt sich also um eine Chemilumineszenz. Unterschieden wird bei der Biolumineszenz zwischen primärem und sekundärem Leuchten. Den Regelfall stellt das primäre Leuchten dar, bei dem ein Tier zum Selbstleuchten in der Lage ist. Entsteht das Leuchten stattdessen durch symbiontische Bakterien, wie z. B. von Fischen bekannt, spricht man vom sekundären Leuchten.

Biologische Funktion[Bearbeiten]

Biolumineszenz kann verschiedene Funktionen haben:

  • Anlocken von Beute oder Partnern
  • Kommunikation
  • Warn- oder Drohfunktion
  • Abschreckungs- oder Ablenkungsfunktion
  • Tarnung durch die Anpassung des eigenen Lichts an das Licht der Umgebung

Verbreitung[Bearbeiten]

In fast allen Reichen der Organismen gibt es biolumineszierende Arten, jedoch nicht unter höheren Pflanzen und Landwirbeltieren.

Verbreitung der Biolumineszenz
Reich primäres oder sekundäres Leuchten
Tiere (mehrere Stämme) primäres Leuchten (bei Wirbeltieren nur sekundäres Leuchten)
Pilze (wenige Arten) primäres Leuchten
höhere Pflanzen kein Leuchten
Einzeller (einige) primäres Leuchten
Bakterien (wenige) primäres Leuchten
Photinus pyralis beim Flug

Tiere[Bearbeiten]

Insekten mit Biolumineszenz sind zum Beispiel Leuchtkäfer (Glühwürmchen; Lampyridae) und Leuchtschnellkäfer (Gattungen Cucujo und Pyrophorus). Es gibt auch leuchtende Collembolen (Springschwänze).

Leuchtorgane des Tiefseefisches Photostomias guernei (hinter dem Auge)

Besonders verbreitet ist Lumineszenz unter Meeresbewohnern, vor allem in der Tiefsee (bis zu 90 Prozent der Tiefseeorganismen), aber auch in Küstengewässern (etwa fünf Prozent). Verschiedene Kopffüßer wie der Vampirtintenfisch (Vampyroteuthis infernalis), die Wunderlampen (Lycoteuthis) und andere Kalmare (Teuthida), Leuchtkrebse (Krill, Euphausiacea), Leuchtquallen (Pelagia noctiluca, Aequorea victoria, Periphylla periphylla), Polychaeten wie Eusyllis blomstrandi im Helgoländer Felswatt (Helgoland), der im Sand verborgen lebende Chaetopterus variopedatus und der freischwimmende Tomopteris helgolandica, Korallen wie (Renilla reniformis) und verschiedene Tiefseefische. Unter den Nacktkiemern (Nudibranchia), meereslebenden Nacktschnecken, gibt es ebenfalls mehrere biolumineszente Arten, wie z. B. Plocamopherus imperialis[1] und Phylliroe bucephalum.[2]

Mycena chlorophos im botanischen Garten von Hachijojima

Pilze[Bearbeiten]

Von über 100.000 untersuchten Pilzarten sind nur 71 biolumineszent. Dazu zählen der Hallimasch (Armillaria sp., Armillaria mellea), der Leuchtende Ölbaumpilz (Omphalotus olearius) und einige Arten der Gattungen Panellus (Panellus stipticus), Pleurotus (Pleurotus japonicus) und Mycena (Mycena citricolor, Mycena lux-coeli).[3]

Die Biolumineszenz entwickelte sich in vier Abstammungslinien. Es konnte gezeigt werden, dass die Biolumineszenzerscheinungen bei allen vier Abstammungslinien auf den gleichen Grundlagen beruhen.[4]

Biolumineszenz von Dinoflagellaten, durch das Brechen der Wellen hervorgerufen

Einzeller[Bearbeiten]

Das so genannte Meeresleuchten wird durch Plankton hervorgerufen, zum Beispiel von einzelligen Dinoflagellaten (Noctiluca miliaris), die auf Strömungsveränderungen mit der Aussendung von Licht reagieren. Meeresleuchten lässt sich an zahlreichen Küsten beobachten.

Bakterien[Bearbeiten]

Es gibt einige im Meerwasser freilebende Leuchtbakterien, die auch auf Lebensmitteln wie Fisch, Fleisch und Eiern zu finden sind. Hierzu gehören zum Beispiel Vibrio fischeri und Photobacterium. Vibrio fischeri vermehrt sich auf toten Salzwasserfischen und lässt sich leicht beobachten, wenn man einen toten, frischen Salzhering einige Zeit kühl aufbewahrt, der dann im Dunklen stellenweise leuchtet.

Außerdem gibt es symbiotisch lebende Leuchtbakterien, die in besonderen Organen von Meerestieren vorkommen; vor allem Angler- und Laternenfische leben in Symbiose mit Leuchtbakterien.

Erzeugung[Bearbeiten]

Es werden zwei Formen der Biolumineszenz unterschieden: das primäre und das sekundäre Leuchten. Als primäres Leuchten wird bezeichnet, wenn der Organismus die Lumineszenz selbst erzeugt. Als sekundäres Leuchten hingegen wird bezeichnet, wenn ein Organismus eine Symbiose mit anderen Lebewesen eingeht (etwa mit Leuchtbakterien), welche die Möglichkeit zum primären Leuchten besitzen.

Symbiosen[Bearbeiten]

Symbiosen von Tieren mit Leuchtbakterien kommen vor. Hier werden die Bakterien von ihren Wirten mit Nahrung und Sauerstoff versorgt und leben oft in speziellen Hauttaschen oder Körperpartien. Ein Beispiel sind die Tiefseeanglerfische.

Luciferin / Luciferase[Bearbeiten]

Eine häufig zur Biolumineszenz genutzte chemische Reaktion ist die exergone Oxidation von Luciferinen mit molekularem Sauerstoff (O2), katalysiert durch Enzyme der Luciferasen. Dabei entstehen Dioxetane bzw. Dioxetanone, die unter Abgabe von Kohlenstoffdioxid zerfallen und die gespeicherte Energie in Form von Licht freisetzen.

Sowohl die Luciferine als auch die Luciferasen sind art- oder gruppenspezifisch, also für jede Organismengruppe kennzeichnend. Dabei sind die Luciferasen offensichtlich im Laufe der Evolution aus anderen Enzymen, den Oxygenasen, hervorgegangen. Bei der Veränderung, meistens der Abspaltung von Teilgruppen an dem Luciferin, entsteht Energie, die als Lichtquant abgegeben wird.

Aequorin katalysiert die Oxidation von Coelenterazin (links) zu Coelenteramid; beim Zerfall einer energiereichen Zwischenstufe entsteht Licht.

Aequorin / Coelenterazin / Coelenteramid[Bearbeiten]

Eine andere Art der Lichterzeugung, nämlich durch Photoproteine, verwendet die Qualle Aequorea victoria. Dieser Coelenterat (Hohltier) verwendet Aequorin, ein Ca2+-abhängiges primäres Photoprotein. Da es im Laufe der Reaktion nicht wie andere Luciferine chemisch umgewandelt wird, sondern nach der Emission des Lichts in seinen Ausgangszustand zurückgelangt, ist es unbegrenzt wiederverwertbar. Das blau-grüne Leuchten dieser Quallen entsteht durch die Kombination von Aequorin mit dem grün fluoreszierenden Protein (GFP).[5]

Foxfire-Biolumineszenz[Bearbeiten]

Hauptartikel: Foxfire (Biolumineszenz)

Pilze nutzen die Foxfire-Biolumineszenz , wobei das Enzym Superoxiddismutase (SOD) zur Erzeugung von Biolumineszenz führt.[3][6]

Anwendung[Bearbeiten]

Biolumineszenz ist nicht nur für die Grundlagenforschung von Interesse. Seit einiger Zeit werden verschiedene technische Anwendungen von Biolumineszenz routinemäßig eingesetzt. So wird Biolumineszenz etwa als risikoarme Markierungsmethode in der Molekularbiologie angewendet, die zusammen mit Fluoreszenz-Markierungen die Methode der radioaktiven Markierung weitgehend ersetzt hat. Auch als Nachweismethode in der Ökotoxikologie wird Biolumineszenz zum Nachweis und der Quantifizierung von Toxinen verwendet. Die Verwendung von Dinoflagellaten in der Strömungsforschung zum Nachweis von Turbulenzen wird diskutiert. Einige Forscher kündigen bereits selbstleuchtende Monitore auf Basis von Biolumineszenz an.

1999 berichteten britische Zeitungen – und anschließend Medien in anderen Ländern – über angebliche Arbeiten an selbst leuchtenden Weihnachtsbäumen.[7] Diese hat es allerdings nie wirklich gegeben.[8]

Literatur[Bearbeiten]

Einzelnachweise[Bearbeiten]

  1. Bill Rudman: Plocamopherus imperialis auf seaslugforum.net.
  2. Bill Rudman: Phylliroe bucephalum auf seaslugforum.net.
  3. a b Osamu Shimomura: The role of superoxide dismutase in regulating the light emission of luminescent fungi. In: Journal of Experimental Botany Band 43, Nr. 11, 1992, S. 1519–1525. doi:10.1093/jxb/43.11.1519.
  4. Anderson G. Oliveira, Dennis E. Desjardin, Brian A. Perry, Cassius V. Stevani, Evidence that a single bioluminescent system is shared by all known bioluminescent fungal lineages. In: Photochem. Photobiol. Sci. Band 11, 2012, S.848–852. doi:10.1039/C2PP25032B.
  5. Kendall JM, Badminton MN: Aequorea victoria bioluminescence moves into an exciting new era. In: Trends Biotechnol.. 16, Nr. 5, Mai 1998, S. 216–224. PMID 9621461.
  6. Dennis E. Desjardin, Anderson G. Oliveira, Cassius V. Stevani: Fungi bioluminescence revisited. In: Photochemical & Photobiological Sciences, Band 7, Nr. 2, 2008, S. 170–182. doi:10.1039/B713328F.
  7. Genetically modified Christmas tree would glow. BBC News, 25. Oktober 1999.
  8. M. Robischon: Green Glow and Fantasy. Stories of Genetically engineered Christmas Trees. In: Christmas Trees. Januar 2006, S. 23–26.

Weblinks[Bearbeiten]

 Wiktionary: Biolumineszenz – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen
 Commons: Bioluminescence – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien