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Biolumineszenz: Glow in the dark

Glow in the dark

Von STEPHAN FINSTERBUSCH
Bild: WILDLIFE/B.Cole

31.10.2017 · Wenn Tiere leuchten, kann es gefährlich werden. Biolumineszenz ist aber auch eine große Chance, zum Beispiel für Lichtquellen ohne Elektrizität.

W as mit SM U-34 geschah, ist bis heute ein Rätsel. Als das deutsche U-Boot in den letzten Tagen des Ersten Weltkriegs die Kämpfe im Mittelmeer einstellte und Kurs auf den Heimathafen in Kiel nahm, musste es durch die Straße von Gibraltar. Dort aber lagen die Engländer mit ihren Kanonenbooten. Kapitän Johannes Klasing ließ alle Lichter an Bord löschen, die lauten Dieselmaschinen herunter- und die leisen Elektromotoren hochfahren. U-34 tauchte ab – und wurde nie wieder gesehen.

Im Jahr 1966 wird das U.S. Naval Oceanographic Office schreiben, das Meer habe geglüht, als die Deutschen auf Tauchgang gingen, wie eine tauchende Fackel. Das Licht im Meer ließ die Engländer binnen einer halben Stunde zielgenau und verheerend zuschlagen, wie Vincent Pieribone und David Gruber in ihrem Buch „A Glow in the Dark“ schrieben. Das letzte deutsche U-Boot im Ersten Weltkrieg war schnell versenkt.

Röhrenwurm (Branchiomma sp.) Bild: Getty

Im Dezember 1997 machten sich drei französische Meeresforscher auf und gingen dem geheimnisvollen Licht nach. Vor Gibraltar erkundeten sie das Phänomen, das die Deutschen einst enttarnt hatten. Mit einem Forschungsschiff fuhren sie an den westlichen Rand des Mittelmeers. Zwischen dem spanischen Almería und dem algerischen Oran maßen sie die Temperatur und den Salzgehalt des Wassers, loteten Strömungen aus und fischten tonnenweise Plankton aus den Fluten. Plankton setzt sich aus Milliarden winziger Organismen zusammen: Kiesel-, Blau- und Grünalgen, Kokken und Stäbchen, Borstenwürmer, Fischlarven, Panzergeißler und vor allem Dinoflagellaten. Die sind kaum größer als eine einzelne lebende Zelle, treten in mehr als 1000 Arten auf und haben eine erstaunliche Fähigkeit: Sie haben eine Art inneres Licht und können von sich aus leuchten. Und damit sind die Dinoflagellaten nicht mal allein.

Bei Jens Hellinger an der Ruhr-Universität Bochum steht im Keller ein großes Aquarium. Darin schwimmen Anomalops katoptrons, Blitzlichtfische. Der Zoologe erforscht im Team von Stefan Herlitze, warum Tiere leuchten. Die Forscher fragen sich: Wie machen die Tiere das? Warum machen sie das? Kann man das adaptieren? Der Blitzlichtfisch lebt eigentlich im Pazifik. Deutsche Forscher hatten ihn dort schon vor etwas mehr als 100 Jahren entdeckt. Aber nun erst geht man dem geheimnisvollen Phänomen auf den Grund.

Peitschenanglerfisch (Gigantactis vanhoeffeni) mit Beute Bild: Wilflife/NWU

Ein bisschen Licht haben sie schon in die Dunkelheit geworfen. Der Blitzfisch lebt in Partnerschaft mit leuchtenden Bakterien. Die sitzen in drehbaren Organen unter den Augen der Fische und werden von ihnen für Blinksignale bei der nächtlichen Futtersuche eingesetzt, als eine Art Scheinwerfer. Wie die Forscher in „Plos One“ schreiben, können die Fische damit 90 Mal in der Minute blinken oder ein konstantes Leuchten erzeugen. Viele Tiere können in der Tiefsee Licht generieren, sagt Hellinger. Die sagenhafte Fähigkeit der Lumineszenz haben auch Pilze, Käfer, Würmer und Korallen. Die Tiefsee leuchtet.

Und nicht nur die. Forscher des Naturkundemuseums Buenos Aires haben in den Wäldern des Amazonas gerade den ersten leuchtenden Laubfrosch entdeckt. In den Bergen von Virginia fand Paul Marek vom College of Agriculture and Life Sciences der Hochschule Virginia Tech vor zwei Jahren eine neue Art leuchtender Tausendfüßler. In den Wassern der Antarktis orientiert sich der Südliche Seeelefant bei seinen Tauchgängen an leuchtenden Kleinsttieren. Unter anderem weisen dem neun Meter langen und fast eine Tonne schweren Seeelefanten die kaum stecknadelkopfgroßen Dinoflagellaten den Weg.

Filigrane Zylinderrose (Cerianthus filiformis) Bild: Getty

In ihrem Aufsatz „Planktonic bioluminescence measurements“ in der Zeitschrift „Oceanological Acta“ berichten die französischen Mittelmeerforscher um Anne-Sophie Cussatlegras von ihrer Fahrt vor Gibraltar im Jahr 2001, dass eine besondere Art von Dinoflagellaten unter bestimmten Bedingungen nicht nur leuchtet, sondern geradezu glüht. Sie reagieren auf Druck, wie er etwa von stark brechenden Meereswellen ausgeht. Die Wellen verformen die Membran der Zellen der Tierchen. Das führt zu biochemischen Prozessen, bei denen ein oxidierendes Enzym geringe Mengen an Energie freisetzt, die in Form von blaugrünem Licht strahlt. Seefahrer haben es seit alters Meeresleuchten genannt, Wissenschaftler sprechen heute von Biolumineszenz.

S chon Plinius der Ältere beschrieb, wie er auf einer Wanderung durch die Bucht von Neapel seinen Stock in den glühenden Schleim einer Qualle stach. Der Schleim blieb am Stock kleben und ließ den Stecken hell wie eine Fackel leuchten. Plinius war begeistert. Rund anderthalbtausend Jahre später legte der irische Chemiker Robert Boyle 1665 ein paar Glühwürmchen unter sein Mikroskop. Unter dem Vergrößerungsglas erkannte er, dass die Tierchen an Leuchtkraft verlieren, wenn er ihnen die Luft entzog. Sie verloschen wie ein Feuer ohne Sauerstoff.

Im 19. Jahrhundert steckten Bergleute in den englischen Midlands eingefangene Glühwürmchen in eine leere Glasflasche, verschlossen sie, stachen winzige Löcher in den Verschluss und beleuchteten unter Tage so die Gänge durch die finsteren Stollen. Der Laie, so schrieb Edmund Newton Harvey in seinem 1920 erschienenen Standardwerk „The Nature of Animal Light“, darf sich darüber wundern, der Wissenschaftler aber muss sich fragen: Wie kommt das?

Lederkoralle (Alcyoniidae) Bild: Getty

Mittlerweile weiß man, dass in höheren Organismen Licht durch spezielle Organe, in Einzellern durch abgegrenzte Zellbereiche und in Bakterien im Zellplasma erzeugt werden kann. Im Inneren vieler dieser Lebewesen läuft ein komplizierter biochemischer Prozess ab. Dabei tritt ein Enzym als Katalysator auf, das auch als Luciferase bezeichnet wird. Unter Verbrauch von Sauerstoff setzt es ein Lichtpigment namens Luciferin um. Dabei gelangt das oxidierte Luciferin erst in einen elektronisch angeregten Zustand und dann binnen Nanosekunden wieder in die Ausgangslage zurück. Bei diesem Rückfall gibt es Energie ab, in Form eines Lichtquants, das Tiere und Pflanzen wie von selbst erstrahlen lässt.

So halten es viele, aber nicht alle selbstleuchtenden Organismen. Der Tintenfisch Watasenia scintillans hat am Körper so etwas wie Photoporen. Die leuchtfähigen Poren werden durch ein Enzym in Gang gesetzt, das in der Leber des Tiers zusammengebraut und in den Körper geschickt wird. Bei Glühwürmchen reagiert Luciferin unter Anwesenheit des Katalysator-Enzyms Luciferase mit dem körpereigenen Energiespeicher namens Adenosintriphosphat (ATP) und Sauerstoff. Auch das setzt Energie frei, die in Form von Photonen abgegeben wird. Diese Photonen lassen den Unterteil des Hinterleibs leuchten.

Qualle (Aequorea victoria) Bild: vario images

Ein ganz besonderes natürliches Lichtwunder ist eine Qualle. Aequorea victoria lebt im Pazifischen Ozean, ist so groß wie ein Kochtopf und besitzt am Rand ihres Schirms Hunderte kleine Leuchtorgane. Sie enthalten Aequorin-Photoproteine. Kalziumionen bringen sie zum Leuchten. Dabei kann folgender Effekt auftreten: Die biolumineszierenden Photoproteine der Qualle erstrahlen eigentlich blau, manchmal auch grün. Dieser Farbwechsel wird durch einen Prozess ermöglicht, dem Wissenschaftler den schönen Namen Förster-Resonanzenergietransfer gegeben haben. Dabei wird die Energie eines Farbstoffs strahlungsfrei auf einen anderen Farbstoff übertragen, findet sich in den Leuchtorganen des Quallenschirms neben Aequorin doch auch das Grün Fluoreszierende Protein (GFP). Dank des effizienten Energietransfers vom Aequorin auf das GFP leuchtet die Qualle mal blau, mal grün, mal blaugrün. Für das Farbspiel gibt es im Japanischen ein eigenes Wort – Aoi.

Um diesen Lichteffekt und den Farbwechsel in der Natur zu studieren, fischte der japanische Biochemiker Osamu Shimomura 1961 vor der Küste von Vancouver zweieinhalb Tonnen Quallen aus dem Meer. Er sezierte sie, gewann nach wochenlanger Arbeit fünf Milligramm des lupenreinen Leuchtstoffs und nannte ihn Aequorin. Nach weiteren Analysen, die zehn Jahre dauerten, konnte er den mühsam gewonnenen Stoff auch künstlich herstellen. Eine bahnbrechende Arbeit. Im Jahr 2008 erhielt Shimomura mit zwei Kollegen den Nobelpreis für Chemie. Sie hatten als erste herausgefunden, was man mit dem Farbspiel alles machen kann.

Dreiwarzen-Seeteufel (Cryptopsaras couesii) Bild: Picture Press/Norbert Wu

Das GFP ist aus der Wissenschaft heute nicht mehr wegzudenken. Mitte der achtziger Jahre hatte der amerikanische Molekularbiologe Douglas Prasher sich daran gemacht, das Gen für GFP erst zu isolieren, dann zu sequenzieren und es schließlich als Marker für andere Proteine zu benutzen. Da GFP für die meisten lebenden Zellen gut verträglich ist, kann es für die Untersuchung von biologischen Prozessen in lebenden Zellen eingesetzt werden.

Schon im Jahr 1901 hatte der russische Physiologe Iwan Tarchanow biolumineszierende Bakterien in die Lymphe seiner Versuchsfrösche eingebracht, um das erleuchtete Innere der Tiere zu studieren. 1967 sammelten Ellis Ridgway und Christopher Ashley von der Universität Oregon die Photoproteine Tausender Quallen und spritzten sie ins Muskelsystem von Rankenfußkrebsen. Die Muskeln der Krebse setzen genau jene Kalzium-Ionen frei, die das Aequorin der Quallen zum Leuchten bringen. Und wirklich: Die Krebse leuchteten. Das machte Schule.

D as Beleuchtungsverfahren der Natur wird heute von Medizinern, Stadtplanern, Landwirten und Militärs angewendet. In Paris hat sich das Start-up-Unternehmen Glowee darangemacht, mit dem Gel von Millionen biolumineszierenden Bakterien nachts einen Straßenzug zu beleuchten. Die britische Biotechfirma Lumora rüstete Pflanzensamen mit dem Katalysator-Enzym Luciferase aus, um das Innere eines Samens zu belichten und so dessen Zustand zu überwachen. Forscher der Universität von Tokio stellten 2016 eine Methode vor, bei der modifizierte Glühwürmchen-Enzyme gefährliche Krebszellen aufspüren und ihren Fang per Licht anzeigen können.

Drachenfisch (Idiacanthius antrostomus) Bild: Seatops

Und an der Technischen Universität Dresden machten sich Forscher um Elly Tanaka daran, dem Geheimnis des mexikanischen Schwanzlurchs auf die Spur zu kommen. Biologisch ist der Axolotl ein kleines Wunder: Gliedmaßen, Organe und sogar Teile seines Gehirns können bei Verlust voll funktionstüchtig und rasch nachwachsen. Die Wissenschaftler brachten fluoreszierende GFP-Proteine ins Erbgut eines Axolotls ein und verfolgten die Arbeitsweise einzelner Zelltypen während der Regeneration. Sie sahen, wie sich nach einer Amputation über der Wunde ein Deckgewebe bildete, das tieferliegendes Gewebe zur Heilung anregen konnte. Nach wenigen Tagen bildete sich an der Stelle der verlorenen Körperteile eine Art Knospe, aus der das neue Körperteil kam. Die Erneuerung eines verlorenen Organs, im genetischen Bauplan angelegt.

Ohne das Phänomen der Biolumineszenz wäre man diesem Plan der Natur nicht auf die Spur gekommen. Marc Zimmer vom Connecticut College stellte die erleuchtenden Proteine daher schon vor zehn Jahren auf eine Stufe mit der Erfindung der Mikroskope. Sie machten sichtbar, was dem menschlichen Auge einst eigentlich verborgen geblieben war. Zimmer nennt die Biolumineszenz daher das „Mikroskop des 21. Jahrhunderts“.

Anemonen-Pilzkoralle (Heliofungia actiniformis) Bild: Getty

Besonders genau schaut das Militär auf die Biolumineszenz. Im Zweiten Weltkrieg rüsteten die Japaner ihre Marine mit Lampen aus, die durch Muschelkrebse erleuchtet wurden. Während des Ost-West-Konflikts, schrieb Kapitän Michael McHugh 1998 im Magazin „Undersea Warfare“, wurden selbstleuchtende Organismen gegen potentielle Angriffe durch feindliche U-Boote eingesetzt. McHguh war einst Manager des Programms der US Navy zur Abwehr strategischer Risiken für die U-Boot-Flotte. Er machte Plankton und Muschelkrebse zu Signalwaffen.

Was aber in den letzten Tagen des Ersten Weltkriegs mit dem deutschen Unterseeboot SM U-34 wirklich geschah, ist bis heute nicht ganz klar. Engländer und Amerikaner nehmen an, dass die Deutschen damals durch selbstleuchtendes Plankton tauchten, die winzigen Organismen durch die Bugwelle in Panik gerieten und heftig glühten. Das besiegelte das Schicksal des U-Boots. Denn die Engländern zögerten nicht und feuerten aus allen Rohren.

Quelle: Frankfurter Allgemeine Magazin

Veröffentlicht: 31.10.2017 12:18 Uhr