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Chemi- und Biolumineszenz

Chemilumineszenz/Biolumineszenz

Chemilumineszenz und Biolumineszenz
Chemilumineszenz ist die durch chemische Reaktionen bewirkte Aussendung von Licht ohne wesentliche Temperaturerhöhung. Wird Chemilumineszenz von lebenden Organismen betrieben, so spricht man von Biolumineszenz. Bei den damit verbunden biochemischen Vorgängen spielt Sauerstoff eine zentrale Rolle.

Vermutlich wurde die Leuchterscheinung von Lebewesen entwickelt, um das frühere Stoffwechselgift Sauerstoff zu vernichten. Vor etwa 3 Milliarden Jahren, als sich das erste Leben auf der Erde entwickelte, hatte die Atmosphäre eine andere Zusammensetzung. Es gab so gut wie keinen freien Sauerstoff, dafür aber die Gase Stickstoff, Kohlendioxid, Kohlenmonoxid, diverse Schwefel- und Stickstoffoxide, sowie Edelgase. Das erste Leben auf diesem Planeten war also zwangsläufig anaerob. Die Organismen konnten den Sauerstoff nicht metabolisieren; er war ein Gift, welches die empfindlichen Stoffwechselprozesse zerstörte. Als sich vor etwa 2,5 Milliarden Jahren die ersten photosynthetischen Lebewesen, die Cyanobakterien (oder auch Blaualgen oder Cyanophyceen) entwickelten, waren alle anderen Lebewesen von der Oxidation durch den entstehenden Sauerstoff bedroht. Es entwickelten sich Stoffwechselwege, die dieses schädliche Gas im Zellinneren vernichteten, eine Möglichkeit ist die Erzeugung von Biolumineszenz. Dabei wird ein Substrat mit Hilfe von Sauerstoff zu einem Reaktionsprodukt oxidiert, welches für kurze Zeit einen energetisch angeregten Zustand einnimmt: geht dieses Übergangsprodukt zum energetischen Grundzustand des Reaktionsproduktes über, wird Licht emittiert.

Abb.1
Das energetische Prinzip der Emission von Licht

Obwohl die meisten Lebewesen den Sauerstoff mittlerweile für die Atmung benötigen, gibt es die Biolumineszenz noch immer und wird für andere Zwecke eingesetzt. Zahlreiche Arten erzeugen ihr eigenes Licht und setzen dieses zur Tarnung, zum Beutefang oder zur Kommunikation, beispielsweise bei der Partnererkennung ein. Einige Tiere erzeugen ihr Licht selbst und können es selbst an und abschalten. Andere gehen eine Symbiose mit lichterzeugenden Bakterien ein, die in dafür vorgesehenen Taschen sitzen. Um das Licht abzuschalten, werden diese Taschen verdeckt, bzw. abgedunkelt.

Beispiel

Das Glühwürmchen ist der wohl bekannteste und der am besten untersuchte Vertreter der biolumineszierenden Lebewesen. Sein zoologischer Name Photinus pyralis weist bereits auf die Erzeugung von Licht hin. Das Tier 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 Glühwürmchenart, ist bereits isoliert und wird als Nachweisverfahren in der Molekularbiologie eingesetzt.

Abb.2
Glühwürmchen
Abb.3
Anglerfisch
Abb.4
Beilfisch

Anglerfische (z.B. Melanocetus johnsoni oder Linophryne arborifera) sind Tiefseefische, die die Biolumineszenz zum Nahrungserwerb benutzen. Kurz vor dem Maul sitzt ein biolumineszierendes Organ. In der Tiefsee reagieren die Beutetiere mit einer Phototaxis, bewegen sich also mit einer lichtsuchenden Instinktreaktion auf die Lichtquelle zu.

Der Beilfisch (Argyopelecus) hat sich die Biolumineszenz zu Nutze gemacht, um Fraßfeinde 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.

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