Die Entdeckung des schönen Scheins

Andere Forscher haben herausgefunden, dass Krebse anhand des Fluoreszenz-Leuchtens im Dämmerlicht kleine Beutetiere erkennen, die sich auf Korallen verstecken. Es sieht also ganz so aus, als habe man mit dem Phänomen der Fluoreszenz einen wichtigen biologischen Mechanismus entdeckt, der in der schummrigen Tiefe neben der Fortpflanzung auch das Jagdverhalten steuert. Und mit dem man möglicherweise neue Tierarten entdecken könnte, so Michiels. „Wir kennen einige Fischarten, die bei normalem Licht betrachtet absolut identisch aussehen, deren Fluoreszenzmuster aber ganz unterschiedlich sind. Gut möglich, dass es sich da um verschiedene Arten handelt.“

Auch Katzenhaie sind aus Sicht des Menschen graubraune und eher unscheinbare Geschöpfe. Die Meeresbiologen Gruber und Sparks aber haben sich die Fische genauer angeschaut – und festgestellt, dass auch sie extrem stark fluoreszieren. Sie haben spektakuläre Aufnahmen von Individuen gemacht, deren Körper knallgrün leuchtet – unterbrochen nur vom Katzenfellmuster. Allerdings bleibt diese Schönheit dem Menschen normalerweise verborgen. Nur der Katzenhai kann sie wahrnehmen, weil in seinem Auge eine Art Lichtfilter sitzt. Damit wird das Fluoreszieren sichtbar. Gruber und Sparks haben die Haiaugen-Optik mit einer Spezialkamera nachgeahmt und konnten damit ihre großartigen Bilder schießen. Das bedeutet auch, dass nur Tiere mit Spezialaugen Fluoreszenz im Meer wahrnehmen können. Tiere einer Art können also über bestimmte Fluoreszenzlicht-Wellenlängen kommunizieren, ohne dass andere Tierarten davon etwas mitbekommen. Dieser optische Geheimcode ist der perfekte Schutz vor Räubern. Wissenschaftler sprechen vom „private communication mechanism“.

Leuchten an Land

Trotz dieser Erkenntnisse stehe die Forschung noch ganz am Anfang, sagt der Zoologe David Prötzel vom Biotopia-Naturkundemuseum in München. „Wir verstehen erst langsam die Mechanismen, die die Fluoreszenz erzeugen – und deren Zweck.“ Prötzel gehört mit zu den ersten Forschern weltweit, die gezeigt haben, dass nicht nur Meeresorganismen, sondern auch Wirbeltiere an Land fluoreszieren. Im Jahr 2017 hatte eine Gruppe um den argentinischen Biologen Carlos Taboada in einem Fachartikel erstmals von einem fluoreszierenden Frosch berichtet. Fast zeitgleich veröffentlichte Prötzel zusammen mit Kollegen einen Artikel über die Fluoreszenz bei Chamäleons.

Seitdem boomt das Thema so richtig. Hobbyforscher und Wissenschaftler bestrahlen Tiere in Terrarien und Präparate in Museen mit UV-Licht. Reihenweise erscheinen Fachartikel, in denen von fluoreszierenden Lebewesen berichtet wird. Ob die Fluoreszenz bei Tieren an Land immer einen biologischen Zweck hat, weiß man noch nicht genau. Bei Säugetieren wohl nicht, wie eine im Mai 2022 veröffentlichte Studie belegt: Ein internationales Forscherteam hat Fellproben aus der Sammlung des Museums für Naturkunde Berlin untersucht, etwa von Schnabeltieren, Opossums, Igeln und Flughörnchen. Die Tiere lagern in ihren Haaren überschüssige Porphyrine ab. Das sind Bausteine für lebenswichtige Proteine, deren Überproduktion allerdings zu Hautverletzungen führen kann. Sie sorgen für das Leuchten der Tiere – doch nur vorübergehend, bis das Sonnenlicht die Moleküle abgebaut hat. Ähnlich verhält es sich bei Skorpionen. Schon lange ist bekannt, dass sie hellblau fluoreszieren. In Südeuropa und Afrika sucht man deshalb Zimmer mit UV-Lampen nach den unliebsamen Bewohnern ab. „Wir sind uns recht sicher, dass die Fluoreszenz auch bei Skorpionen keine Funktion hat“, sagt Prötzel. „Sie rührt offensichtlich von Abfallstoffen her, die die Tiere an der Körperoberfläche ablagern, ehe sie sich häuten.“

Bei seinen Chamäleons ist das anders. Hier könnte die Fluoreszenz eine Rolle bei der Partnersuche spielen. Hinter den Augen und am Rücken vieler Chamäleons sind bläulich fluoreszierende Punkte zu sehen, die wie winzige Sterne leuchten. Durch mikroskopische Untersuchungen der Chamäleon-Haut hat Prötzel herausgefunden, dass die Knochen an diesen Stellen kleine Auswüchse bilden. Diese sogenannten Tuberkel ragen weit hervor und sind nur mehr von einer dünnen Hautschicht bedeckt, die transparent ist. Bestrahlt man die Chamäleons mit UV-Licht, dringt das Licht bis zu den Tuberkeln vor und löst dort Fluoreszenz aus. „Es ist die Knochensubstanz selbst, die leuchtet. Daher sprechen wir bei den Chamäleons von Knochenfluoreszenz“, sagt Prötzel. Um genauer zu untersuchen, welche Funktion sie hat, müsse man Verhaltensexperimente machen. Doch eine einleuchtende These hat Prötzel bereits. Er hat herausgefunden, dass vor allem jene Chamäleons fluoreszieren, die in schattigen Regenwäldern leben, manche von ihnen gar am besonders dunklen Waldboden. Viele Wellenlängen des sichtbaren Lichts werden durch das Blätterdach reflektiert oder geschluckt. UV-Licht hingegen wird gestreut und kommt bis zum Waldboden durch. Tiere, die im UV-Licht leuchten, geben damit im Halbdunkel ein markantes Farbsignal ab. Der Effekt wird dadurch verstärkt, dass viele der Wald-Chamäleons blau fluoreszieren. Im grünen Dickicht fällt ein solcher Farbklecks besonders auf. Noch ist unklar, ob das Blau die Männchen für die Weibchen besonders attraktiv macht oder eher Nebenbuhler abschrecken soll.

Eine kleine Sensation lieferte Prötzel vor einiger Zeit, als er in einem Fachmagazin den ersten fluoreszierenden Gecko der Welt vorstellte – den Palmatogecko aus Namibia. Das feingliedrige Wesen mit schwarzen Kulleraugen hat als einziger Gecko weltweit Schwimmhäute zwischen den Zehen. Damit gräbt er sich, sobald die Sonne über der Namib-Wüste aufgeht, in den Sand ein. Gut geschützt überdauert er so die Hitze des Tages. Die Tiere kommen erst im Dunkel hervor – und erstrahlen im Mondlicht gelbgrün. In der ansonsten nachtgrauen Wüste ist das ein auffälliges, optisches Signal. Interessanterweise leuchten die Geckos nur an der Seite – an ihrer Flanke und an einem Ring um ihre Augen. „Worin der Zweck der Fluoreszenz besteht, wissen wir auch in diesem Falle noch nicht“, sagt Prötzel. Wie bei den Chamäleons spielen vermutlich Signale eine Rolle, die Weibchen anlocken oder Rivalen abschrecken sollen. Der Rücken der Geckos hingegen reflektiert nicht – wahrscheinlich um zu verhindern, dass Räuber aufmerksam werden.

Offensichtlich ist Fluoreszenz eine recht pfiffige und sichere Methode, um optische Signale zu senden. Denn viele Tiere – und auch der Mensch – können Fluoreszenz nur eingeschränkt wahrnehmen. Das Mondlicht etwa ist für uns Menschen so hell, dass es die Fluoreszenz einfach überstrahlt. Wie gut Menschen Fluoreszenz sehen können, hängt zudem von der Wellenlänge ab, weil das Auge des Menschen verschiedene Frequenzen unterschiedlich gut wahrnimmt. Für grünes Fluoreszenz-Licht ist es relativ unempfindlich, während Palmatogeckos dieses offenbar besonders gut wahrnehmen. „Die starke neongrüne Fluoreszenz des Palmatogeckos ist ein spektakuläres Beispiel dafür, was es alles noch zu entdecken gibt – selbst bei sehr bekannten Arten wie dieser, die mitunter auch in Terrarien gezüchtet wird“, sagt Prötzel.

Es gibt noch andere spektakuläre Beispiele für Fluoreszenz im Tierreich, die Biologen erst kürzlich entdeckt haben. Laurence Paul und Robert Mendyk vom Audubon Zoo in New Orleans haben herausgefunden, dass Grubenotter vor allem als Jungtiere stark fluoreszierende Schwanzspitzen haben. Man weiß schon länger, dass die Schwanzspitze kleine Beutetiere, vor allem Echsen und Vögel, anlockt. Die Schwanzspitze gaukelt ihnen eine Schmetterlingsraupe vor. „Da manche Schmetterlingsraupen fluoreszieren, könnte die Fluoreszenz der Schwanzspitze ein besonders starker Reiz sein“, schreiben die beiden Autoren. Weiter heißt es bei Paul und Mendyk, dass auch die Klapper von Klapperschlangen unter UV-Licht fluoresziert. Dies könne eine zufällige Eigenschaft der Hornschuppen sein oder – wie die beiden betonen – eine biologische Funktion haben: Sie haben beobachtet, dass Schlangen ihre Klapper oft in die Nähe ihres Mauls halten, wenn sie auf der Lauer liegen. Auch die Klapper könnte dazu dienen, Nagetiere anzulocken, da sie unter UV-Licht den Ähren bestimmter Präriegräser ähnelt, die ebenfalls fluoreszieren. Noch müssen diese Hypothesen mit Studien zum Verhalten überprüft werden.

Fluoreszenz-Mechanismen

Weiter ist die Forschung inzwischen, wenn es darum geht, die Mechanismen der Fluoreszenz aufzuklären. Beim fluoreszierenden Tupfenlaubfrosch, den Carlos Taboada 2017 der Welt präsentierte, wird die Fluoreszenz durch das Molekül Hyloin erzeugt, das in der Lymphe enthalten ist. Das Hyloin wird durch UV-Strahlung angeregt und gibt dann knallgrünes Fluoreszenz-Licht ab. Dabei läuft die Anregung der Moleküle wie bei jedem anderen Fluoreszenz-Phänomen ab: Das energiereiche UV-Licht regt Elektronen an und hebt diese auf ein höheres Energieniveau. In Sekundenbruchteilen fallen die Elektronen wieder auf ihr altes Energieniveau zurück, wobei sie energieärmeres Licht in Form von Fluoreszenz abgeben. Nicht immer braucht es dafür UV-Licht. So eignet sich beispielsweise auch energiereiches blaues Licht, um energieärmere rote Fluoreszenz zu erzeugen.

Einen weiteren Fluoreszenz-Mechanismus hat David Prötzel bei seinen Palmatogeckos entdeckt, die er zu Hause im eigenen Terrarium hält. Tief in der Haut der Geckos liegen mikroskopisch kleine Plättchen, wie sie auch von der Fisch- oder Schlangenhaut bekannt sind. Diese Plättchen, die sogenannten Iridophoren, lassen Tierhäute faszinierend schillern. Die Iridophoren der Geckos aber sind besonders, weil sie nicht nur schillern, sondern auch fluoreszieren. Sie sind aus winzigen Kristallen aufgebaut, die aus der Substanz Guanin bestehen, jenem Stoff, den man sonst als Baustein des Erbgutstrangs DNA kennt. Offensichtlich erzeugen diese Guanin-Kristalle eine sehr starke Fluoreszenz.

„Entscheidend bei der Fluoreszenz ist die Quantenausbeute“, sagt Prötzel – also das Maß dafür, wie gut eine Substanz auftreffende Lichtteilchen, sogenannte Photonen, in Fluoreszenzlicht-Photonen umwandelt. Dazu teilt man die Zahl der auftreffenden Photonen durch die Anzahl der abgegebenen Photonen. Je höher der Wert, desto mehr Photonen werden wieder abgegeben und desto heller fluoresziert die Substanz. Für die Guanin-Kristalle liegt die Quantenausbeute bei 12,5 Prozent. „Das ist einer der höchsten je gemessenen Werte bei Landlebewesen“, so der Experte.

In den vergangenen zehn Jahren haben die Wissenschaftler weltweit mehr über die Mechanismen der Fluoreszenz herausgefunden als in vielen Jahrzehnten zuvor. Verhaltensexperimente könnten künftig dabei helfen, den Zweck der verschiedenen Fluoreszenz-Phänomene besser zu verstehen – zum Beispiel auch jenes, das Chemiker von der Universität Innsbruck um Bernhard Kräutler vor gut zehn Jahren weltweit bekannt gemacht hat: die blau leuchtende Banane. Die Gruppe von Bernhard Kräutler hatte herausgefunden, dass Bananen blau fluoreszieren, wenn sie reifen. Die Fluoreszenz nimmt mit dem Reifegrad zu. Damit scheinen die Früchte im Halbschatten der tropischen Vegetation ein deutliches optisches Signal zu geben: „Hallo, hier bin ich. Ich bin zum Verzehr geeignet!“ Wären die Früchte einfach nur gelbgrün, fielen sie im Gehölz kaum auf.

Die Innsbrucker Forscher fanden heraus, dass es sich bei den blau fluoreszierenden Stoffen um Abbauprodukte des grünen Pflanzenfarbstoffs Chlorophyll handelt. „Dieses blau fluoreszierende Abbauprodukt wird in Pflanzenzellen normalerweise gleich weiter abgebaut“, erklärt Kräutler. „Doch bei den Bananen wird das chemisch verhindert, sodass sich diese fluoreszierende Substanz in der Bananenschale anreichert.“ Das scheint ein echter Service für alle jene Waldbewohner zu sein, die gerne Bananen essen – und ein klarer Hinweis darauf, dass es in Sachen Fluoreszenz noch viel zu entdecken gibt: nicht nur im Tierreich, sondern auch bei Pflanzen.