Vagalume: Portugiesisch für „Glühwürmchen“ (Photinus pyralis)

 

Vaga = Wenig, Lume =Licht

 

    Was ist Biolumineszenz?

 

   

Als Biolumineszenz bezeichnet man in der Biologie die Fähigkeit von Lebewesen, selbst oder mit Hilfe von Symbionten Licht zu erzeugen. Der Name stammt von griechisch bíos »Leben« und lateinisch lumen »Licht«. Sie ist das Ergebnis von biochemischen Reaktionen in Zellen, bei denen die chemische Energie in Form von Lichtquanten abgegeben wird (sog. kalte Emission durch Chemolumineszenz). Derartig erzeugtes Licht ist monochromatisch, denn es wird bei einem diskreten Elektronen-übergang abgestrahlt, kann aber durch sekundäre Leuchtfarbstoffe (z.B. fluoreszierende Proteine bei Leuchtquallen der Gattung Aequora) in längerwellige Spektralbereiche verschoben werden.

Bei diesem Phänomen bildet Luciferin und ein Enzym (Luciferase) mit ATP in Gegenwart von Mg2+-Ionen einen Enzym-Luciferin-AMP-Komplex und anorganisches Pyrophosphat. Diese Komplex wird durch Sauerstoff oxidiert, dabei geht er in einen angeregten Zustand über, wobei CO2 freigesetzt wird. Der so angeregte Komplex zerfällt beim Übergang in den Grundzustand, wobei Licht in der Wellenlänge von 490-630 nm (blau-grün bis rot) emittiert wird. Unterschiedliche Wellenlängen der einzelnen Leuchtkäfer-Arten beruhen wahrscheinlich auf unterschiedliche Luciferasen, einen unterschiedlichen Bau der Leuchtorgane und dem pH-Wert in den Leuchtzellen.

 

   

   
    Welche Tier- und Pilz-Arten?

 

   
Die bekanntesten Beispiele sind Leuchtkäfer ("Glühwürmchen"), Leuchtquallen und Einzeller, die für das Meeresleuchten verantwortlich sind (Ceratium, Gonyaulax, Noctiluca). Dazu gibt es interessante Beispiele für Symbiosen, bei denen höhere Lebewesen die Biolumineszenz von Einzellern für ihre Zwecke nutzen, so z.B. in den Leuchtorganen vieler Tiefseefische. In der Meerestiefe zwischen 200 und 1000 m (Mesopelagial) leuchten rund 90% aller Lebewesen. Man weiss heute aber, dass viele Vorgänge in Zellen mit der Emission von Licht verbunden sind. Bei der DNA-Replikation (einem universellen biochemischen Prozess) wird beispielsweise UV-Licht abgestrahlt.

Tiere mit Biolumineszenz sind zum Beispiel: Leuchtkäfer, Krill (Leuchtkrebs) - Euphausia superba, Polychaeten (Eusyllis blomstrandi -> Helgoland), Fische, Tintenfische sowie Quallen (Aequorea victoria) und Korallen (Renilla reniformis). Zu den ca. 40 biolumineszenten Pilzarten weltweit zählen der Hallimasch (Armillaria sp.), der Ölbaumpilz (Omphalotus olearius) und einige Arten der Gattungen Panellus, Pleurotus und Mycena. Biolumineszente Pflanzen sind nicht bekannt.

 

Hier einige Tierarten erläutert:
    - Vagalume (Photinus pyrallis)

 

Das Glühwürmchen ist der wohl bekannteste und bestuntersuchteste Vertreter der biolumineszierenden Lebewesen. Sein zoologischer Name Photinus pyrallis lässt bereits vermuten, dass es Leuchterscheinungen zeigt. Es besitzt im Abdomen einen biolumineszierenden Stoff, das Luciferin, welches bei Ausschüttung eines Enzyms, der Luciferase die Leuchtreaktion auslöst. Das Luciferin/Luciferase-System der amerikanischen Firefly, einer Abart des europäischen Glühwürmchens ist bereits isoliert und wird in der Medizin eingesetzt.

   
         
     

 

- Krill (Euphausia superba)

Krill ist ein norwegisches Wort und bedeutet Walnahrung. Im engeren Sinne bezeichnet Krill Euphausiden, das sind Kleinkrebse, die Teil des Planktons (Zooplanktons) sind und zu den Garnelen-ähnlichen Krebstieren der Ordnung Euphausiacea gehören.

Die bekannteste Art ist der Antarktische Krill (Euphausia superba). Krill formt riesige Schwärme. Die Biomasse wird auf 100-800 Millionen Tonnen geschätzt, damit ist E. superba wahrscheinlich die erfolgreichste Tierart der Welt (Weltfischerei-Ertrag ca. 100 Millionen Tonnen pro Jahr zum Vergleich). Sie bildet die Grundlage für das Ökosystem der Antarktis und ist die Hauptnahrung vieler Wale, Robben, Eisfische, Tintenfische, Pinguine, Albatrosse und anderer Vögel. Krill wird bis zu sechs Zentimeter lang, zwei Gramm schwer und wahrscheinlich bis zu sechs Jahre alt. Der "Magen" schimmert grün durch die transparente Haut, Anzeichen dafür, dass E. superba sich überwiegend von Phytoplankton, besonders Kieselalgen ernährt, die er mit seinem faszinierenden Fangkorb aus dem Wasser filtert. Er wandelt die Primärproduktion direkt in ein relativ grosses Tier um. Krill kann auch Algen von der Unterseite des Packeises abernten.  Der Gesamtfang von E. superba beträgt etwa 90 000 Tonnen pro Jahr. Krill wird auch Leuchtgarnele oder Leuchtkrebs genannt, da er an den Augen und am Körper Leuchtorgane besitzt, die ein gelbgrünes Licht aussenden (Biolumineszenz).

   
   

   
     

 

- Plankton (Ceratium und Gonyaulax)

Für das Meeresleuchten  (Plankton) sind einzellige Mikroorganismen im Plankton, vor allem Algen (Dinoflagellaten der Gattung Ceratium und Gonyaulax) verantwortlich. Sie kommen im Salz- und Brackwasser auf der ganzen Erde vor, sind aber nur bei massenhaftem Auftreten zu beobachten.

Die grösste Artenvielfalt tritt in warmen Meeren auf. Unter Idealbedingungen kommt es zur Massenvermehrung, die gefährlich für andere Lebewesen werden kann: Die Art Gonyaulax catenella z.B. verursacht manchmal vegetative Färbungen von Küstengewässern ("red" oder "yellow tide") und kann sehr starke Gifte absondern (Dinoflagellatentoxine).

   
   

   
     

 

- Anglerfisch (Melanocetus)

Der Anglerfisch, oder Melanocetus, wie sein zoologisches Taxon lautet, ist ein Tiefseefisch, der die Biolumineszenz zum Nahrungserwerb benutzt. Dazu hat er kurz vor seinem Maul ein biolumineszierendes Organ. In der Tiefsee reagieren die Beutetiere mit einer Phototaxis, also mit einer lichtsuchenden Instinktreaktion auf die Lichtquelle zu, und erleben meist eine unerfreuliche Überraschung der endgültigen Art..

   
   

   
     

 

- Beilfisch (Argyopelecus)

Der Beilfisch, oder Argyopelecus hat sich die Biolumineszenz zu Nutze gemacht, um Frassfeinde auf sehr raffinierte Weise zu täuschen. Er besitzt an den Körperseiten Streifen von intensitätsregulierbaren biolumineszierenden Schuppen. An der Körperunterseite befinden sich ebenfalls solche Schuppen. Der Beilfisch ist ein Tropenfisch, der in Oberfächengewässern vorkommt. Durch seine biolumineszierenden Streifen simuliert er ins Wasser eintretende Sonnenstrahlen, so dass er aus einiger Entfernung fast nicht zu erkennen ist. Auch von unten ist er durch die hellere Bauchseite perfekt auf die Wasseroberfläche abgestimmt

 

   
   

   
     

 

- Springschwänze (Entognatha Collembola)

Die Springschwänze (Springtails) oder auch Collembolen stellen die grösste Ordnung innerhalb der Gruppe der Urinsekten dar. Es sind kleine, primär flügellose Tiere, die durch eine charakteristische Sprunggabel (Furca) auf der Unterseite des Körpers gekennzeichnet sind. Mit deren Hilfe können sie, bezogen auf ihre Körpergrösse, grosse Strecken überspringen. Die Springschwänze werden mit den Protura und Diplura zu den Entognatha zusammengefasst. Bei Collembolen handelt es sich um kleine Tiere (0.2-10 mm, meist 1-2 mm). Ihr Körper ist langgestreckt walzenförmig oder gedrungen kugelig.

   
   

   
         
    Hier zwei Pilzarten erläutert:    
  - Der Gemeine Hallimarsch (Armillaria mellea)

Der Gemeine Hallimasch ist im Herbst einer der häufigsten Pilze. In den Alpenregionen wurde er Halamarsch oder Halawatsch genannt und soll als Heilmittel gegen Hämorrhoiden genutzt worden sein. Von der Verwendung als Heilmittel leitet sich auch sein Name ab der eine Verkürzung von "Heil im Arsch" darstellt. In manchen Jahren tritt er massenhaft auf. Da er meist um den 28. September herum erscheint, dem Namenstag von Wenzel, bezeichnet man ihn in manchen Landstrichen auch als "Wenzelspilz". Der Gemeine Hallimasch gedeiht vor allem an Baumstümpfen, auf versteckten Wurzeln und an Bäumen. Für die bedeutet das den sicheren Tod, da er ein gefährlicher Baumschädling ist. Seine schnürsenkelähnlichen schwarzen Hyphenstränge, sog. Rhizomorphen, infizieren die Baumwurzel und bilden unter der Borke ein weissliches Fächermyzel. Er wird auch Kambiumkiller genannt, weil er das Kambium des Baumes zerstört. Er lebt von ihnen solange als Parasit bis sie abgestorben sind, kann sich aber auch als Saprobiont von bereits totem Holz ernähren. In bestimmten Wachstumsphasen bringt er das Holz, auf dem er gedeiht, im Dunkeln zum Leuchten (Biolumineszenz). Neben dem Wurzelschwamm (Heterobasidion annosum) ist der Hallimasch einer der ökonomisch bedeutendsten Krankheitserreger in Wäldern der gemässigten Zone. Der Hallimasch ist weltweit verbreitet.

Im September 2004 wurde im Nationalpark der Schweiz ein mehr als 1000 Jahre alter Hallimasch entdeckt. Mit einer Länge von 800 Metern und einer Breite von 500 Metern ist er wahrscheinlich der grösste Pilz Europas. Es handelt sich bei diesem Pilz um einen Dunklen Hallimasch (Armillaria ostoyae). Das Myzel einer Hallimaschart (Armillaria ostoyae, in Amerika Honey Mushroom genannt) im Malheur National Forest ist mit einer Ausdehnung von 900 Hektar und 2400 Jahren das grösste und älteste bekannte Lebewesen der Erde.

 
   

   
     

 

- Panellus Stipticus (Basidiomycetes)

Die Gattung Panellus P. Karst. gehört zu den Ständerpilzen. Sie umfasst einige dutzend Arten. In Mitteleuropa treten P. mitis Singer, P. serotinus Kühner und P. stipticus P.Karst auf. Bemerkenswert ist die nur bei nordamerikanischen Stämmen des Bitterscharfen Zwergknäuelings (P. stipticus) auftretende starke Biolumineszenz, Mycel und Fruchtkörper leuchten intensiv grünlich.

   
         
         
    Wieso denn?    
    Die Leuchtsignale werden hier zur Partnerwerbung, Täuschung und als Köder eingesetzt. Auch Glühwürmchen und Leuchtkäfer nutzen die Lichtsignale zur Partnersuche. Die Bedeutung des Leuchtens von Bakterien, Pilzen und einzelligen Algen ist dagegen unklar. Es wird vermutet, dass es zur Koordination von vielen Einzel-Individuen einer grossen Population eingesetzt wird oder eine Art biologische Uhr darstellt. Auch bei Biolumineszenzen spielt Sauerstoff eine zentrale Rolle. Die Leuchterscheinung von Lebewesen wurde eigentlich nur entwickelt, um das frühere Stoffwechselgift Sauerstoff zu vernichten. Die Biolumineszenz erfüllt verschiedene Funktionen im Tier- und Pflanzenreich:
  • Anlocken von Beute oder Partnern
  • Kommunikation
  • Warn- oder Drohfunktion
  • Abschreckungs- oder Ablenkungsfunktion
  • Tarnung durch Gegenbeleuchtung

 

 

   
    Physikalische und Chemische Grundlagen:    
    Licht wird grundsätzlich durch den Übergang von Elektronen aus Orbitalen höherer Energie auf Orbitale niedrigerer Energie freigesetzt. Die Energiedifferenz bestimmt die Wellenlänge des emittierten Lichtquantums. Für diese Orbital-übergänge gelten allerdings quantenmechanisch begründete Auswahlregeln, d.h. sie finden mit unterschiedlicher Wahrscheinlichkeit statt. Bei den meisten chemischen Reaktionen durchlaufen die Elektronen quasi spontan ein Kontinuum von kleinen Übergängen, bei denen die Energie in Form von Wärmestrahlen abgegeben wird. Bei sogenannten "verbotenen Übergängen" kommt es dagegen zu einer Anreicherung von Elektronen in einem angeregten Zustand mit vergleichsweise langer Lebensdauer. Aus diesem Zustand kann ein einheitlicher Elektronenübergang erfolgen (daher monochromatisch !) - eine Voraussetzung für das Ent-stehen von Chemolumineszenz. Reaktionen mit Sauerstoff führen aufgrund seiner besonderen Elektronenkonfiguration (-O-O- ist ein Diradikal !) häufig zu diesem Effekt. Eine weitere Voraussetzung ist eine tiefe Reaktionstemperatur, d.h. man benötigt typischerweise Redox-Katalysatoren (Reaktionsbeschleuniger).

Luciferin (ein Benzothiazolderivat) dient als Substrat und wird durch Luciferase (Katalysator) mit MgATP adenyliert und dann mit Sauerstoff oxidiert:

 

   
    Nutzen in der Technik:    
   

Biolumineszenz wird heute in der Technik vielfältig genutzt, z.B. in Form von Bio-Indikatoren für Umweltverschmutzung oder in der Biochemie zum empfindlichen Nachweis von Proteinen, zur Quantifizierung bestimmter Verbindungen oder als sogenannte "Reporter" bei der Untersuchung zellulärer Gen-Regulation. Biophotonenanalyse ist ein neuartiges Analyseverfahren, das jede relevante Veränderung des biologischen oder physiologischen Zustandes eines Lebewesens als Änderung der Biophotonenemission nachweist.

 

Bei der Biophotonenanalyse wird die Lichtabgabe nach definierter Lichtanregung gemessen. Dazu haben Professor Fritz-Albert Popp und Mitarbeiter eines der lichtempfindlichsten Messgeräte(10-17 Watt) entwickelt. Das ganz spezielle Abklingverhalten des Lichts ermöglicht umfassende Rückschlüsse auf die Qualität eines Lebensmittels. So kann die Biophotonenanalyse die visuelle Beurteilung von Qualität objektiv und sinnvoll ersetzen. Die Anwendung beruht auf 25-jähriger Erfahrung. Die Methode wird bereits von einigen bedeutenden Unternehmen der Lebensmittelindustrie und staatlichen Forschungseinrichtungen mit grossem Nutzen eingesetzt.Diese sogenannte "verzögerte Lumineszenz" (delayed luminescence)und ihr enger Zusammenhang zur "Biophotonenemission" sowie zu allen biologischen Eigenschaften der untersuchten Objekte einschliesslich intra- und interzellulärer Kommunikation wurde von Popp erstmals aufgedeckt und vollständig beschrieben. Diese Phänomene sind zur Zeit intensiver Forschungs-und Enticklungsgegenstand der international führenden Wissenschaftler auf dem Gebiet der Biophotonik. Die Methode

  • ist nicht-invasiv,

  • ermöglicht die schnelle und sichere Feststellung von Qualitätsänderungen und -unterschieden von Rohstoffen, Zwischen- und Endprodukten;
  • kann kleinste Qualitätsänderungen und -unterschiede erfassen, selbst wenn keine stofflichen Unterschiede nachweisbar sind;
  • ermöglicht die Qualitätssicherung durch Vereinheitlichung der Qualität der Chargen;
  • ermöglicht die Analyse des Frischezustands von Lebensmitteln;
  • ermöglicht den Nachweis mikrobieller Infektion;
  • ermöglicht als bisher einziges Verfahren die qualitative Unterscheidung von Tumorgewebe und Normalgewebe;
  • lässt die nichtinvasive Diagnose und ein wirklich fundiertes Verständnis von Krankheiten zu.

 

   
    Quellenangaben:    
   

Diese Texte und Bilder wurden den folgenden aufgeführten Quellen entnommen und zusammengefasst:

 

(Erstellt zwischen 20. November und 2. Dezember 2004)

   
         
    Weitere Biologische Faszinationen: Zitteraale und Zitterrochen    
   

- Zitteraal (Electrophorus electricus)

Zitteraale sind ganz besondere Fische: Vier Fünftel ihres Körpers bestehen aus dem Schwanzmuskel, der zu einem elektrischen Organ umgebildet ist. Damit können die aalförmigen Fische gewaltige elektrische Schläge austeilen. Diese Stromschläge erreichen eine Spannung von bis zu 700 Volt.
Mit ihren Stromstößen töten oder lähmen Zitteraale ihre Beutetiere: Dabei können sie sich mit Hilfe des langen Schwanzes fast unbemerkt an ihre Opfer heranpirschen. Innerhalb von zwei bis drei Tausendstel Sekunden können sie vier bis acht Stromstöße erzeugen. In einer Stunde kann ein Zitteraal sogar bis zu 150 Stromstöße von sich geben.

 

   
           
   

 

 

- Zitterrochen (Torpedinidae)

Die Zitterrochen zeichnen sich durch einen fast runden, bei manchen Arten ovalen, scheibenförmigen Körper aus, von dem der Schwanzstiel mit breiten Bauchflossen deutlich abgesetzt ist. Die kleinen Augen sind bei einigen Tiefseearten verkümmert oder fehlen sogar ganz. Die etwa 40 Arten werden 3 Familien zugeordnet: Die Echten Zitterrochen (Familie Torpedinidae) tragen auf dem Schwanzstiel 2 Rückenflossen, während die Familie der Narcidae nur eine und die Familie der Temeridae gar keine Rückenflosse haben.

Elektrische Organe Die Muskulatur der bei anderen Rochen flügelartig vergrößerten beiden Brustflossen ist bei den Zitterrochen zu elektrischem Gewebe umgebildet worden. Damit können einzelne Arten Stromschläge mit einer Spannung von 200-220 Volt erzeugen, wodurch Beutetiere, etwa Plattfische, betäubt oder getötet werden. Bei der Abwehr von Feinden sind die Stromstöße eine wirksame Waffe. Für den Menschen sind die Entladungen sehr schmerzhaft, aber nicht lebensgefährlich. Im alten Rom verwendete man Zitterrochen bei der Behandlung von Gichtkranken zu einer Art »Elektroschock-Therapie«.

   

 

 

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