Evolution des Biolichts - Biolumineszenz – als das Leben leuchten lernte

Leuchtendes Leben ist überall. In der Luft, auf der Erde und unter Wasser erzeugen Organismen ihr eigenes Licht.

Plankton zeichnet fluoreszierende Teppiche ins Wasser. Quallen gleiten geheimnisvoll schimmernd durch dunkle Ozeane. Lumineszierende Algen entfachen ein magisches, blaugrünes Meeresleuchten. Bakterien schimmern auf frischen Fleischstücken und menschlichen Wunden. Tausendfüssler und Pilze funkeln im Dunkeln und Glühwürmchen tanzen flackernd durch die Lüfte.

Angel’s Glow – das Leuchten der Kriegswunden

Die Geschichte ist traurig, schaurig und tröstlich zugleich. Im amerikanischen Bürgerkrieg ereignete sich nach der Schlacht von Shiloh im Jahr 1862 etwas bisher Ungesehenes. Die verwundeten Soldaten hatten zwei Tage auf dem verregnet schlammigen Schlachtfeld auf medizinische Hilfe gewartet. Da bemerkten einige, dass ihre Wunden in der Nacht bläulich schimmerten. Viele Soldaten sind gestorben. Unter jenen, die überlebt hatten, waren viele, deren Wunden geleuchtet hatten.

Das musste etwas Göttliches sein, davon waren die Menschen damals überzeugt. Daher die Bezeichnung Angel’s Glow. Engelsleuchten.

Was da geleuchtet hatte, waren aber nicht magische Kräfte, sondern Leuchtbakterien. Diese Leuchtbakterien (Photorhabdus luminescens) verhinderten, dass sich in den Wunden giftige Bakterien festsetzten und Komplikationen wie Wundbrand auslösten.

Es gibt keine zeitgenössischen Berichte über ähnliche Phänomene. Darum wurden diese Erzählungen aus dem 19. Jahrhundert bisweilen als Mythos abgetan. Doch die Bedingungen, die damals herrschten – tiefe Temperaturen, Nächte ohne Lichtverschmutzung, grosse Mengen an Blut, Regen, Feuchtigkeit und das lange Warten – rücken die These von den Leuchtbakterien durchaus in den Bereich des Möglichen.

Die Fähigkeit, selbst oder in Kooperation mit anderen Lebewesen Licht zu erzeugen, ist uralt. Bereits vor 267 Millionen Jahren produzierten Ostrakoden, eine Gruppe von winzigen Krebstieren, ihr eigenes Licht. Sie galten als die ältesten Selbstleuchter. Eine neue Studie legt nun nahe, dass Oktokorallen schon viel früher am Schalter waren. Oktokorallen sind achtstrahlige Korallen und gehören zu den Blumentieren.

Sie knipsten ihr Biolicht bereits vor über einer halben Milliarde Jahren an – im Erdzeitalter des Kambrium. Das hat die Rekonstruktion der Evolutionsgeschichte dieser Blumentiere aus einem riesigen Gendatensatz und spärlichen Fossilienfunden ergeben.

Hundertmal erfunden

Biolumineszenz wurde im Verlauf der Evolution mindestens hundertmal von verschiedensten Arten unabhängig voneinander entwickelt. Gut möglich, dass das schon vor den Oktokorallen geschah. Das erste Leben erwachte auf einer sauerstofffreien Erde. Als mit der Photosynthese der Sauerstoff in die Welt kam, musste sich das Leben arrangieren. Für die meisten Lebewesen war Sauerstoff giftig. Es kann sein, dass die Organismen damals das Gasgemisch per chemischem Vorgang der Biolumineszenz schlicht abfackelten. Aber vielleicht war auch alles anders.

Licht brauen – die Chemie der Biolumineszenz

Das DIY-Licht kommt aus dem eigenen Chemiebaukasten. Leuchtfähige Wesen vermischen in ihrem Organismus chemische Stoffe. Diese reagieren miteinander und gehen in einen energieärmeren Zustand über. Die frei werdende Energie wird in Form von Licht abgegeben, ohne dass dabei Wärme entsteht. So fliesst die ganze Energie allein ins helle, kalte Leuchten.

Bei vielen Arten wird das Molekül Luciferin durch das Enzym Luciferase aufgespaltet. Dieser biochemische Leuchtvorgang ist eine durch Luciferase katalysierte Oxidation, bei der der Leuchtstoff Luciferin verbraucht wird.

Andere Tiere brauen ihr Licht mit anderen Chemikalien. Der Reaktionsmechanismus ist immer derselbe, aber die Leuchtenzyme unterscheiden sich.

Der Sinn des Lichts

Am häufigsten kommt Biolumineszenz in der Tiefsee vor. Dort im Stockdunkeln sollen fast 90 Prozent aller Lebewesen selbstleuchtend sein. Macht Sinn. Einige nutzen ihr Licht als Scheinwerfer oder Lockmittel auf der Suche nach Beute. Andere lähmen ihre Opfer mit Lichtblitzen oder schrecken Feinde damit ab.

Fällt gleich ins Auge: die Iridogorgia, eine Gattung biolumineszierender Tiefseekorallen. Die spiralförmig wachsende Koralle kann eine Gesamtlänge von bis zu 7 Metern erreichen.

NOAA Office of Ocean Exploration and Research

Das Anglerfischweiben leuchtet seinen Opfern mit einer Art Angel auf seiner Stirn den Weg Richtung Maul. Der daumengrosse Zwergtintenfisch Euprymna scolopes lässt leuchtende Bakterien in seinen Organen leben. Zur Tarnung. Schwimmt er in mondhellen Nächten an der Wasseroberfläche, schluckt das Leuchten seinen eigenen verräterischen Schatten und macht ihn unsichtbar für Fressfeinde.

Glühen für die Erotik

Das DIY-Licht eignet sich auch prima zum Daten. Glühwürmchen blinken, um eine Partnerin oder einen Partner zu finden. Sie suchen sich unter den vielen potenziellen Anwärtern jenes Tier aus, das im selben Rhythmus flackert.

Glühwürmchen blinken, um eine Partnerin oder einen Partner zu finden. Die Blütezeit der Glühwürmchen dauert etwa zwei Wochen.

Keystone / ADAM LAU

Erotisches Leuchten funktioniert auch unter Wasser. Der kleinste Hai der Welt, der Laternenhai Etmopterus lailae, ist ganz gross darin. Er illuminiert ungehemmt und straight forward seine eigenen Fortpflanzungsorgane.

Forschen mit dem Licht der Natur

Forschende nutzen Biolumineszenz oder Biofluoreszenz häufig, um sich den Weg zum Wissen zu leuchten.

Biolumineszenz ist heute eine verbreitete Markierungsmethode in der Molekularbiologie und hat das Fach revolutioniert. Der Chemie-Nobelpreis 2008 ging an drei Forschende, die das grün fluoreszierende Protein GFP einer Qualle entdeckt hatten. Zellen, die mit GFP markiert sind, beginnen unter blauem und ultraviolettem Licht grün zu leuchten.

Auf diese Weise lässt sich zum Beispiel beobachten, wie Tumore wachsen, krankmachende Bakterien sich vermehren oder Alzheimer sich entwickelt. Das leuchtende Protein macht verborgenes Leben sichtbar.

Hier spricht das Licht

Nicht immer ist klar, warum gewisse Arten Biolumineszenz entwickelten. Vermutlich aber ist Biolumineszenz eine der ältesten Formen der Kommunikation. Das Licht spricht: «Hallo, ich bin hier drüben.» Mal in freundlicher, mal in manipulativer Absicht.

Die Tiefseekorallen, die vor 540 Millionen Jahren das Leuchten für sich entdeckten, erwischten jedenfalls einen guten Zeitpunkt. Sie wurden gesehen. Damals nämlich entwickelten die ersten Tierarten Augen.