Tierisches Leuchten

Die Geheimnisse der Fluoreszenz

Vonseiten der Wissenschaft längere Zeit vergleichsweise wenig beachtet, häuften sich zuletzt die Nachweise fluoreszierender Lebewesen. So wurden in wenigen Jahren etliche Fisch-, Frosch-, Molch-, Salamander- und Schildkrötenarten mit diesem Merkmal erfasst. Ebenso fluoreszieren lichtinduziert viele Vertreter niederer Tiergruppen wie Skorpione, Insekten, Quallen und Korallen nebst diversen Einzellern oder Pilzen.

Ein besonders prägnantes Beispiel ist der in der Wüste Namib lebende Gecko Pachydactylus rangei. Begegnungen des Nachts erscheinen fast surreal angesichts des Eindrucks, es würde ein Textmarker an einem vorbeihuschen. Mit seinen hell fluoreszierenden Hautstreifen an den Körperseiten und um die Augen wirkt er perfekt in Szene gesetzt. Der Gecko, bei Tag unscheinbar mit dem sandigen Hintergrund verschmolzen, nimmt bei seinen nächtlichen Wanderungen durch die riesige Wüste Namibias den blauen Anteil des Mondlichts auf und strahlt es als heller wirkendes, neon-grünes Licht wieder ab: „Und zwar in einer für Landlebewesen bis dato ungewöhnlichen, nicht gekannten Leuchtkraft“, konstatiert David Prötzel, der das Phänomen beim Gecko entdeckt hat. Daher lag die Vermutung nahe, dass bei den Wüstengeckos ein neuer Mechanismus zum Einsatz kommt. Und in der Tat zeigte sich: Spezielle, in die Haut eingelagerte Pigmentzellen, sogenannte Iridophoren, ermöglichen das kräftige neon-grüne Fluoreszieren der Muster. Die Forscher vermuten, dass der Gecko damit in den Weiten der dunklen Namib-Wüste von Artgenossen aus möglichst großer Ferne erkannt werden will.

Es hat sich gezeigt, dass Fluoreszenz besonders für jene landlebenden Tiere von Bedeutung ist, die in der Dämmerung aktiv sind  –  also zu Zeiten, in denen blaues Licht vorherrscht. Blau dominiert als Farbe ansonsten vor allem dort, wo Licht weitaus stärker gefiltert wird als in der Luft: unter Wasser. Rot- und Gelbspektren werden schon wenige Meter unter der Oberfläche absorbiert. Blau- und Grüntöne dringen dagegen etwas tiefer vor. Viele Meerestiere nehmen daher blaues, energiereiches Licht auf und geben es durch Fluoreszenz als energieärmeres rotes, gelbes, orangenes oder grünes Leuchten wieder ab.

Leuchten in Symbiose

Bis in die Tiefsee dringt aber selbst das blaue und grüne Licht nicht vor. Dort müssen die Tiere ihr Licht also selbst erzeugen: Etwa 90 Prozent der Lebewesen dort unten nutzen Biolumineszenz. Doch strenggenommen stammt das Licht vieler Tiefseebewohner gar nicht von den Tieren selbst. Vielmehr wird die Lichtproduktion von Bakterien übernommen, die in einer engen Symbiose mit dem Tier leben, was als „sekundäre Biolumineszenz“ bezeichnet wird. Das wohl bekannteste Beispiel hierfür ist der weibliche Anglerfisch, der ein mit Bakterien gefülltes Leuchtorgan als Köder an einer vorn am Kopf aussprossenden Angel vor sich herträgt. Die abgeschlossen in dieser Kugel mit dem Tiefseefisch symbiotisch lebenden Einzeller vermögen alle gleichzeitig ihr Licht einzuschalten. Im tiefen Dunkel der Ozeane werden die Beutetiere davon angezogen und schwimmen ihrem Feind direkt vor die Nase.

Doch auch näher an der Oberfläche lassen sich Tiere finden, die mithilfe symbiotisch lebender Bakterien leuchten. Der nachtaktive Korallenfisch Photoblepharon etwa beherbergt sie in Leuchtorganen unter seinen Augen. Da sie permanent Licht produzieren, hat der Fisch lichtundurchlässige Lider entwickelt, mit denen er den Lichtfluss nach außen reguliert. So kann er sie in der Dunkelheit gleichzeitig zur Orientierung und Partnersuche sowie zum Ködern von Beute nutzen.

Und auch im Innern des Zwergtintenfischs Euprymna scolopes leben stark leuchtende Bakterien. Fast schon paradoxerweise dient ihr Blinken jedoch der Tarnung. Die Kopffüßler jagen nachts an der Wasseroberfläche bei oft klarem Himmel. Gegen den hellen Mondschein würde sich ihre dunkle Unterseite an der Wasseroberfläche aus der Tiefe betrachtet gut sichtbar abzeichnen. Doch zahlreiche auf der unteren Körperseite platzierte Lichtkammern schlucken den Schatten und bewirken, dass sich die Silhouette an der Oberfläche tummelnder Tintenfische optisch auflöst  –  eine perfekte Tarnung, die sie für von unten zur Wasseroberfläche emporgleitende Raubfische praktisch unsichtbar macht.

Bald Pflanzen als Nachttischlampe?

Während die Biolumineszenz sich in der Tierwelt also durchaus etablieren konnte, sind höherentwickelte Pflanzen mit dieser Fähigkeit, wie sie etwa in James Camerons Film „Avatar“ zu sehen sind, auf der Erde nicht bekannt. Doch auch sie könnten mithilfe gentechnischer Methoden bald Realität werden. Vor Kurzem gelang es sowohl Bio-Ingenieuren eines US-amerikanischen Unternehmens als auch einem russischen Forscherteam, mithilfe von Genmanipulation und biolumineszierenden Enzymen selbstleuchtende Pflanzen zu züchten. Im Fall der USForschenden soll es gelungen sein, in das Chloroplastengenom der Ziertabak-Art Nicotiana alata das für das Leuchten relevante Erbgut mariner Bakterien zu integrieren. Diese produzieren im Rahmen ihres induzierten Stoffwechsels auf natürlichem Weg Licht. Ziel der Entwicklungen war es, eine saubere, nachhaltige und bezahlbare pflanzliche Alternative für Lichtquellen zu generieren – sei es als Alleebaum an der Straße oder als Nachttischlampe.

Das Leuchten entschlüsselt

Dass so etwas heutzutage möglich ist, liegt nicht zuletzt daran, dass inzwischen weitgehend geklärt ist, wie das Leuchten auf molekularer Ebene entsteht. Senden Organismen fluoreszierendes Licht aus, ist ein spezifisches Protein beteiligt, das nach Anregung durch die Biolumineszenz-Reaktion kalt leuchtet. Das Prinzip ist stets das gleiche: Das Enzym Luziferase spaltet den Leuchtstoff Luciferin in zwei Teile („luci-fer“ bedeutet „lichttragend“). Dabei wird Energie in Form von Licht frei. Auf Basis dieses Ablaufs entwickelte jeder Organismus seine Variante der Biolumineszenz. Verschiedene Arten von Luciferinen und zahlreiche Varianten der Luziferase sind daher aus biochemischer Perspektive der Grund, warum biolumineszente Lebewesen in so vielen Farben erstrahlen.

Bei der Leuchtqualle Aequorea victoria kommen gleich zwei Proteine für denselben Zweck zum Einsatz. Während das Luciferin nach der Reaktion erst einmal „aufgebraucht“ ist, verfügt das Weichtier mit dem Protein Aequorin über ein weiteres in den Prozess eingreifendes Molekül. Es ist recyclebar und kann mit Hilfe von Calcium-Ionen ent- und wieder geladen werden und ist damit nahezu unbegrenzt wiederverwendbar. Die Energieproduktion wird also permanent am Laufen gehalten – ein Vorteil im Wettstreit um Nahrung.

Die Beispiele zeigen, wie hochspezifisch die Prozesse bei jeder Art ablaufen. Und zugleich ist es ein Hinweis darauf, dass das Phänomen der Biolumineszenz im Laufe der Evolution wohl zigfach unabhängig voneinander entstanden ist. Darauf verweisen auch Besonderheiten rund um Meeresbewohner wie die Seefedernart Renilla reniformis. Für ihr typisch grünes Leuchten ist ein zweistufiger Prozess verantwortlich: Zunächst wird das Substrat von einem spezifischen Enzym, der Renilla-Luciferase, umgesetzt. Das dabei abgegebene blaue Licht wird anschließend unmittelbar von einem weiteren Eiweiß absorbiert. Dieses „Grün-fluoreszierende Protein (GFP)“ strahlt grünes Licht aus  –  ein als „Biolumineszenz-Resonanzenergietransfer“ bezeichneter Vorgang.

Anwendung der Biolumineszenz

Das Grün-fluoreszierende Protein ist mittlerweile auch in der biomedizinischen Forschung angekommen und dient dort zur Markierung von Zellen: Solche Farbmarkierungen nutzt man zum Beispiel, um Detailfragen zur Genregulation zu klären oder zelluläre Signalwege aufzuschlüsseln. Zudem kann eine modifizierte Luciferase-Reaktion als Nachweis- und Quantifizierungsmethode für verschiedene Zustände von Körperzellen dienen. Und sie kommt in der Ökotoxikologie bei der Analyse von Umweltgiften zum Einsatz  –  beispielsweise, um Bakterienfilme auf Oberflächen oder die Wasserqualität zu untersuchen.

So haben Forschende der Universität Regensburg um Jost Borcherding (inzwischen Universität zu Köln) eine Technik zur Serienreife entwickelt, mit der sich Wasserqualität überwachen lässt. Sie nutzt die biologische Sensibilität der biolumineszenten Mikroorganismen und koppelt diese mit einer empfindlichen, auf Schadstoffe gerichteten Nachweisreaktion. Gibt man nun zu einer Gewässerprobe das „Test-AlgenSystem“ hinzu und sinkt die Leuchtkraft der Pflanze daraufhin unter einen bestimmten Wert, weil sich etwa eine große Menge Pflanzenschutzmittel im Wasser befindet, löst ein Computer Alarm aus. Nach dem gleichen Prinzip wurde auch ein Test mit Leuchtbakterien entwickelt.

Ein über tausendjähriger, enger Forschungs- und Anwendungsbezug tritt damit in seine nächste Phase ein, denn bereits im Mittelalter kam die Biolumineszenz in Form von „Bakterienlampen“ zum Einsatz. Ebenso gab es Anleitungen, Buchstaben zu malen, die nachts leuchten und bei Tag unsichtbar sind – wie es die Glühwürmchen seit Abertausenden von Jahren vormachen.