Biolumineszenz
Biolumineszenz ist die Fähigkeit von Lebewesen, Licht zu erzeugen. Häufig geschieht dies durch Symbiose. Dabei enthält der größere Organismus, oft in einem speziellen Organ, Mikroorganismen, die das Licht erzeugen. Eukaryoten-Protisten haben spezielle Organellen, und einige Bakterien produzieren ebenfalls Licht. Biolumineszenz ist das Ergebnis chemischer Prozesse, bei denen die erzeugte Energie als sichtbares Licht freigesetzt wird. Biolumineszenz ist im Laufe der Evolution schon viele Male aufgetreten.
ATP (Adenosintriphosphat), die biologische Energiequelle, reagiert mit Luciferin mit Hilfe des Enzyms Luciferase unter Bildung eines Zwischenkomplexes. Dieser Komplex verbindet sich mit Sauerstoff zu einer hoch chemilumineszierenden (hell leuchtenden) Verbindung.
Die Rolle der Gamma-Proteobakterien bei der Lichterzeugung wird in Nachschlagewerken ausführlich diskutiert. Die Fähigkeit zur Lichterzeugung ist eine Erweiterung des normalen Stoffwechsels: Alle chemischen Reaktionen erzeugen einige wenige Photonen. Sichtbares Licht wird erzeugt, wenn die Photonenproduktion zunimmt. Im Falle von Bakterien bestand die ursprüngliche Funktion der Reaktion wahrscheinlich darin, überschüssigen Sauerstoff zu entgiften.
Fliegender und glühender Photinus pyralis, ein Glühwürmchen.
Omphalotus nidiformis
Beispiel einer biolumineszierenden Pilzart...
...die bei ausgeschaltetem Licht glühen.
Die Ozeane
Biolumineszenz ist hauptsächlich ein marines Phänomen.
"Sie ist die vorherrschende Lichtquelle im größten Teil des bewohnbaren Volumens der Erde, dem tiefen Ozean. Im Gegensatz dazu ist Biolumineszenz im Süßwasser (mit wenigen Ausnahmen) im Wesentlichen nicht vorhanden, auch nicht im Baikalsee".
Biolumineszenz findet sich im Meer auf allen Ebenen: planktonische, pelagische und benthische Organismen. Einige planktonische Gruppen, wie z.B. Dinoflagellaten und Ctenophoren (Kammquallen), verwenden sie bei den meisten Arten. Die meisten Meereslebewesen der Tiefsee nutzen Biolumineszenz in der einen oder anderen Form. Gewöhnlich gehört die marine Lichtemission in das blaue und grüne Lichtspektrum, die Wellenlängen, die am leichtesten durch das Meerwasser übertragen werden können.
Funktionen der Biolumineszenz
Eine Liste finden Sie auf der Biolum-Webseite.
Tarnung durch Gegenbeleuchtung
Bei einigen Tintenfischarten wird bakterielle Biolumineszenz zur Gegenbeleuchtung verwendet, so dass das Tier dem von unten gesehenen Umgebungslicht von oben entspricht. Bei diesen Tieren steuern die Lichtorgane den Kontrast dieser Beleuchtung, um eine optimale Anpassung zu erreichen. Normalerweise sind diese Lichtorgane von dem Gewebe getrennt, das die biolumineszierenden Bakterien enthält.
Anziehungskraft
Biolumineszenz wird als Köder verwendet, um Beute von mehreren Tiefseefischen wie dem Seeteufel anzulocken. Ein am Kopf des Fisches baumelnder Köder lockt kleine Tiere in Schlagdistanz zu ihm. Einige Fische verwenden jedoch einen nicht-biolumineszierenden Köder.
Der Keksausstecher-Hai nutzt Biolumineszenz zur Tarnung, aber ein kleiner Fleck auf seinem Unterbauch bleibt dunkel und erscheint großen Raubfischen wie Thunfisch und Makrele, die unter ihm schwimmen, als kleiner Fisch. Wenn diese Fische versuchen, die "kleinen Fische" zu verzehren, werden sie von dem Hai gebissen, der aus seinen Wirten kleine kreisförmige "Ausstecher"-Fleischstückchen herausmeißelt.
Dinoflagellaten haben eine interessante Wendung in diesem Mechanismus. Wenn ein Raubtier des Planktons durch Bewegung im Wasser wahrgenommen wird, leuchten die Dinoflagellaten auf. Dies wiederum zieht noch größere Raubtiere an, die das vermeintliche Raubtier der Dinoflagellaten verzehren.
Das Anziehen von Partnern ist eine wichtige Funktion der Biolumineszenz. Dies zeigt sich bei Glühwürmchen, die in der Paarungszeit mit periodischen Blitzen im Abdomen ihre Partner anlocken. In der Meeresumwelt ist dies nur bei bestimmten kleinen Ostracoden-Krebsen gut dokumentiert, kann aber recht häufig vorkommen.
Abstoßung
Bestimmte Tintenfische und kleine Krustentiere verwenden Biolumineszenz, so wie viele Tintenfische Tinte verwenden. Eine Lumineszenzwolke wird ausgestoßen und verwirrt oder stößt ein potentielles Raubtier ab, während sich der Tintenfisch oder das Krebstier in Sicherheit bringt. Jede Glühwürmchenart hat Larven, die leuchten, um Raubtiere abzuwehren.
Weibchen von Lampyris noctiluca, dem Glühwürmchen.
Glühwürmchen-Larve
Biotechnologie
Biolumineszierende Organismen sind ein Ziel für viele Forschungsbereiche. Luziferase-Systeme sind im Bereich der Gentechnik weit verbreitet. Sie wurden auch in der biomedizinischen Forschung eingesetzt, um einigen Zellen sichtbare Markierungen zu geben. Luziferin kann Molekülen und Zellen zugesetzt werden, um sie unter dem Mikroskop sichtbar zu machen. "Dieser Markt hat heute einen Wert von etwa 20 Milliarden Pfund. Wenn Sie in ein Krankenhaus gehen und einen Bluttest machen lassen, bei dem virale Proteine, Krebsproteine, Hormone, Vitamine, bakterielle Proteine und Medikamente gemessen werden, wird diese Technik mit ziemlicher Sicherheit angewendet werden".
Die Struktur von Photophoren, den lichterzeugenden Organen in biolumineszierenden Organismen, wird von Industriedesignern untersucht.
Künstlerische Darstellung des biolumineszenten Antarktischen Krills
Biolumineszierende Organismen
Dies ist eine Liste von Organismen, die eine sichtbare Biolumineszenz aufweisen:
Terrestrische Organismen
Die Tiere:
- Arthropoden
- Glühwürmchen
- Schnellkäfer
- Glühwürmchen
- Eisenbahnwürmer
- bestimmte Mycetophilid-Fliegen
- bestimmte Tausendfüßler, wie zum Beispiel Geophilus carpophagus.
- bestimmte Tausendfüßler wie Motyxia.
- eine terrestrische Molluske (eine tropische Landschnecke)
- Quantula-Schichten
- Anneliden
- Pilze - Insgesamt 71 Arten sind biolumineszent, darunter Arten von Armillaria, Omphalotus, Mycena, Gerronema, Pleurotus.
- Pilze (siehe Foxfire)
- Jack-O'-Lantern-Pilz (Omphalotus olearius)
- Geisterpilz (Omphalotus nidiformis)
- Honig-Pilz
- Panellus stipticus
Fisch
- Seeteufel
- Keksausstecher-Hai
- Taschenlampe Fisch
- Schlangenaal
- Lanternfisch
- Marine Beilbauchfisch
- Mittschiffer-Fisch
- Kiefernzapfenfisch
- Viperfisch
Glühwürmchen
Trotz ihres Namens sind Glühwürmchen eigentlich Käfer, die eine enzymatische Reaktion mit einer chemischen Verbindung namens Luciferin nutzen, um ihr typisches grünliches Blinklicht zu erzeugen. Neben der möglichen Warnung der Raubtiere vor ihrer Toxizität wird angenommen, dass der Hauptzweck ihres blinkenden Abdomens darin besteht, Partner anzuziehen.
Wirbellose Meerestiere
- viele Nesseltiere
- Seeställe
- Korallen
- Aequorea victoria, eine Qualle
- bestimmte Ctenophoren oder "Kammgummis".
- bestimmte Stachelhäuter (z.B. Ophiurida)
- bestimmte Krustentiere
- Ostrakoden
- Copepoden
- krill
- zwei Arten von Chaetognathen
- bestimmte Mollusken
- bestimmte Muscheln und andere Muscheln
- bestimmte Nacktschnecken, Seeschnecken
- Oktopoden
- Bolitaenidae
- Befehl Teuthida
- Kolossaler Tintenfisch
- Mastigoteuthidae
- Sepiolidae
- Funkelnder Enope-Tintenfisch
- Vampir-Tintenfisch
Mikroorganismen
- Dinoflagellaten (z.B. Noctiluca scintillans, Pyrodimium bahamense).
- Vibrionaceae (z.B. Vibrio fischeri, Vibrio harveyi, Vibrio phosphoreum)
- Mitglieder der Familie der Meeresbakterien Shewanellaceae, Shewanella hanedai und Shewanella woodyi sind biolumineszent.
Fragen und Antworten
F: Was ist Biolumineszenz?
A: Biolumineszenz ist die Erzeugung von Licht durch Lebewesen.
F: Wie funktioniert die Biolumineszenz?
A: Biolumineszenz funktioniert durch chemische Prozesse, bei denen die erzeugte Energie als sichtbares Licht freigesetzt wird.
F: Welche Organismen erzeugen biolumineszentes Licht?
A: Eukaryote Protisten haben spezielle Organellen, die biolumineszentes Licht erzeugen, und auch einige Bakterien erzeugen diese Art von Licht.
F: Woher stammt die Fähigkeit, biolumineszentes Licht zu erzeugen?
A: Die Fähigkeit, biolumineszentes Licht zu erzeugen, ist eine Erweiterung des normalen Stoffwechsels. Bei allen chemischen Reaktionen werden auf natürliche Weise einige Photonen erzeugt, und wenn die Photonenproduktion zunimmt, kann man sichtbares Licht sehen.
F: Was war die ursprüngliche Funktion der Produktion von biolumineszentem Licht in Bakterien?
A: Die ursprüngliche Funktion der Produktion von bioluminiszierendem Licht in Bakterien war wahrscheinlich die Entgiftung von überschüssigem Sauerstoff.
F: Was sind Luciferin und Luciferase?
A: Luciferin und Luciferase sind Komponenten, die an der Reaktion zwischen ATP (Adenosintriphosphat) und Sauerstoff beteiligt sind und eine stark chemilumineszente (hell leuchtende) Verbindung erzeugen.
