Biolumineszenz

Großer Leuchtkäfer (Lampyris noctiluca)

Als Biolumineszenz (gr. βιός biós „Leben“ und lat. lumen „Licht“) bezeichnet man in der Biologie die Fähigkeit von Lebewesen, 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 spezielle Form der 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

Biolumineszenz ist eine spezielle Art der Lumineszenz. Sie 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

Photinus pyralis beim Flug

Biolumineszenz von Dinoflagellaten, durch das Brechen der Wellen hervorgerufen

Leuchtorgane des Tiefseefisches Photostomias guernei (hinter dem Auge)

Bei fast allen Organismengruppen gibt es biolumineszierende Vertreter. Jedoch weisen insbesondere höhere Pflanzen und höhere Wirbeltiere mit Ausnahme der Fische – soweit bisher bekannt – keine lumineszierenden Vertreter auf.

Es gibt 2 Arten der Biolumineszenz: das primäre und das sekundäre Leuchten. Als primäres Leuchten wird bezeichnet, wenn das Tier zum Selbstleuchten in der Lage ist. Als sekundäres Leuchten hingegen wird bezeichnet, wenn ein Tier eine Symbiose mit anderen Lebewesen eingeht (etwa mit Leuchtbakterien), welche die Möglichkeit zum primären Leuchten besitzen.

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

Besonders verbreitet ist Lumineszenz unter Meeresbewohnern, vor allem in der Tiefsee (bis zu 90 % der Tiefseeorganismen), aber auch in Küstengewässern (etwa 5 %). 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 und Phylliroe bucephalum .

Zu den ca. 40 biolumineszenten Pilzarten, welche die Foxfire-Biolumineszenz zeigen, zählen der Hallimasch (Armillaria sp.), der Leuchtende Ölbaumpilz (Omphalotus olearius) und einige Arten der Gattungen Panellus, Pleurotus und Mycena.

Es gibt auch 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.

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.

Symbiosen

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.

Chemie

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

Ein häufiges chemisches Motiv ist die exergone Oxidation von Luciferinen mit molekularem Sauerstoff (O₂), katalysiert durch 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.

Eine etwas 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).

Anwendung

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. Diese hat es allerdings nie wirklich gegeben.

Literatur

• Osamu Shimomura: Bioluminescence: Chemical Principles and Methods. Word Scientific Publishing Company 2006; ISBN 981-256-801-8
• Widder, EA. (2010): Bioluminescence in the ocean: origins of biological, chemical, and ecological diversity. In: Science 328(5979); 704–708; PMID 20448176; doi:10.1126/science.1174269
• Aldo Roda: Chemiluminescence and Bioluminescence. Royal Society of Chemistry 2011; ISBN 978-1-84755-812-1

Weblinks

Wiktionary: Biolumineszenz – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

 Commons: Bioluminescence – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

• The Bioluminescence Webpage
• Homepage von D. Weiß, Universität Jena
• Harvey, Edmund Newton
• Sven Zörner: Bioluminescence