Biolumineszenz erklärt: Die Chemie leuchtender Organismen

Glühwürmchen, die über einem Sommerfeld blinken, und leuchtende Wellen, die an einem dunklen Strand brechen, sind beide Beispiele desselben zugrunde liegenden Prozesses: Ein lebender Organismus erzeugt sein eigenes Licht durch Chemie statt durch Wärme. Wissenschaftler nennen dies Biolumineszenz, und es ist eine der verbreitetsten Formen der biologischen Lichterzeugung auf der Erde.

Die chemische Reaktion: Luziferin, Luziferase und Sauerstoff

Nach dem Natural History Museum in London tritt Biolumineszenz auf, wenn ein Molekül namens Luziferin mit Sauerstoff reagiert und Energie in Form von Licht freisetzt. Die Reaktion benötigt normalerweise ein Enzym, Luziferase, das den Prozess beschleunigt, oder in einigen Organismen ein verwandtes Protein namens Photoprotein, das stattdessen mit Kalziumionen zusammenarbeitet.

Die U.S. National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) vermerkt, dass obwohl jeder biolumineszierende Organismus auf einer Reaktion zwischen einem Enzym und einem Substrat basiert, verschiedene Arten unterschiedliche chemische Kombinationen verwenden. NOAA besagt, dass diese Vielfalt darauf hindeutet, dass die Fähigkeit zur Lichterzeugung unabhängig mehrmals entstanden ist, anstatt von einem einzigen gemeinsamen Vorfahren.

Die Farbe des Lichts hängt von der genauen Struktur des Luziferins und der umgebenden Proteine ab. Das Natural History Museum und National Geographic Education vermerken beide, dass die meisten Meeresorganismen blau oder grün leuchten, da diese Wellenlängen am weitesten durch Meerwasser reisen, während Glühwürmchen an Land gelbliches Licht erzeugen und eine kleine Anzahl von Tiefseefischen, wie der Großmaul-Drachenfisch, seltenes rotes Licht aussenden, das die meisten anderen Tiere in der Tiefe nicht sehen können.

Warum Organismen Licht erzeugen

Forscher der NOAA und des Natural History Museums unterteilen die Verwendungen der Biolumineszenz in wenige Hauptkategorien: Nahrungssuche, Anlockung oder Signalisierung an Partner und Verteidigung gegen Raubtiere. Einige Arten kombinieren mehrere dieser Funktionen.

• Jagd: Der Tiefseeangler baumelt einen leuchtenden Köder namens Esca vor seinem Mund, um neugierige Beute anzulocken, laut National Geographic Education.
• Paarung: Männliche Glühwürmchen blitzen artspezifische Muster, um Weibchen zu signalisieren, berichtet National Geographic Education.
• Verteidigung: Beilbauchfische nutzen ‚Gegenbeleuchtung' und gleichen schwaches Licht auf ihrer Unterseite dem schwachen Glanz von oben an, sodass Raubtiere, die nach oben schauen, ihre Silhouette nicht sehen können, laut National Geographic Education.
• Erschrecken von Raubtieren: Einige Tintenfische blitzen plötzlich, um einen Angreifer zu erschrecken, und der Vampirtintenfisch wirft stattdessen leuchtenden Schleim statt Tinte aus, laut National Geographic Education.

Wo Biolumineszenz am häufigsten vorkommt

NOAA gibt an, dass 80 Prozent der Tiere, die zwischen 200 und 1.000 Metern (656 und 3.280 Fuß) tief im Ozean leben, biolumineszent sind. Das Natural History Museum gibt eine höhere Schätzung für eine andere Zone an und besagt, dass bis zu 90 Prozent des Lebens in der Dämmerungszone des Ozeans in irgendeiner Form Licht erzeugen. An Land ist Biolumineszenz vergleichsweise selten und am besten bekannt von Glühwürmchen, einigen Glühwürmchen und etwa 75 Pilzarten, die einen schwachen grünen Glanz abgeben, laut Natural History Museum.

Die Seite mit Ozeanfakten der NOAA weist auf eine offene wissenschaftliche Frage hin: Forscher haben noch nicht vollständig erklären können, warum Biolumineszenz in Meeresumgebungen so verbreitet ist, aber in Süßwasserseen und Flüssen im Wesentlichen fehlt, noch haben sie genau eingegrenzt, wie viele Male oder wie das Merkmal unabhängig über verschiedene Abstammungslinien hinweg entstanden ist.

Bemerkenswerte Beispiele

Neben Glühwürmchen und Anglerfischen illustrieren mehrere andere Fälle die Vielfalt des biolumineszenten Lebens. Dinoflagellaten — einzellige Plankton — erzeugen Blitze von blaugrünem Licht, wenn sie durch Wellen oder Bewegung im Wasser gestört werden, ein Effekt, der manchmal als funkelnde Brandung in der Nacht sichtbar ist, laut National Geographic Education. Große, anhaltende Flecken dieses Glanzes, die von Kolonien luminöser Bakterien erzeugt werden, sind als ‚milky seas' bekannt und sind gelegentlich hell genug, um von Satelliten in tropischen Gewässern erkannt zu werden, berichtet National Geographic Education. Einige Arten, wie der Hawaii-Pfeilkalmar, erzeugen das Licht überhaupt nicht selbst; sie beherbergen Kolonien biolumineszenter Bakterien, darunter Vibrio fischeri, in einer symbiotischen Beziehung, die vom Natural History Museum beschrieben wird.

In all diesen Fällen ist die zugrunde liegende Chemie ähnlich — ein Luziferin, das mit Sauerstoff reagiert, katalysiert durch Luziferase oder ein Photoprotein — aber die spezifischen Moleküle, Farben und biologischen Zwecke unterscheiden sich von einer Abstammungslinie zur anderen, was die vielen separaten Ursprünge dieses Merkmals widerspiegelt, die von NOAA und dem Natural History Museum identifiziert wurden.