Biolumineszenz

Als Biolumineszenz bezeichnet man in der Biologie die Fähigkeit von Lebewesen, selbst oder mit Hilfe von Symbionten Licht zu erzeugen. Der Name stammt von griechisch bíos »Leben« und lateinisch lumen »Licht«. Die Erzeugung des Lichtes findet bei höher organisierten Organismen oft in speziellen Leuchtorganen statt, bei 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 Chemolumineszenz.

Biologische Funktion

Biolumineszenz ist eine spezielle Art der Lumineszenz. Sie erfüllt dabei verschiedene Funktionen:

Anlocken von Beute oder Partnern
Kommunikation
Warn- oder Drohfunktion
Abschreckungs oder Ablenkungsfunktion
Tarnung durch Gegenbeleuchtung

Oft ist die Funktion der Biolumineszenz im Leben der leuchtenden Organismen nur unzureichend geklärt oder gar völlig unbekannt.

Verbreitung

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.

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, sowohl in der Tiefsee (bis zu 90% der Tiefseeorganismen) als auch in Küstengewässern (etwa 5%). Verschiedene Kopffüßer wie der Vampirtintenfisch (Vampyroteuthis infernalis), die Wunderlampe (Lycoteuthis spec.) und andere Kalmare (Theutida), Leuchtkrebse (Krill, Euphausiacea), Leuchtquallen (Pelagia noctiluca, Aquorea 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), aus denen von Wampler das Green Fluoreszent Protein GFP isoliert wurde, und verschiedeneTiefseefische.

Zu den ca. 40 biolumineszenten Pilzarten weltweit zählen der Hallimasch (Armillaria sp.), der 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 symbiontisch 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), 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.

Chemie

Durch exergone Oxidation von Luciferinen mit elementarem Sauerstoff (O₂), katalysiert durch Luciferasen, wird Energie in Form von Licht freigesetzt. 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, hervor gegangen. 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 grüne Leuchten dieser Quallen entsteht durch die Kombination von GFP (green fluorescent protein) mit dem Aequorin.

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. Auch kuriose Anwendungen, wie zb. der in USA im Tierhandel erhältliche Glowfish, einem genetisch manipulierten Zebrabärbling (Danio rerio), selbst leuchtende Weihnachtsbäume u. ä. sind zu finden.

Literatur