Rätsel der Natur: Biolumineszenz

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Zuletzt bearbeitet: 2023-12-16 16:01

Biolumineszenz ist die Fähigkeit lebender Organismen, mit ihren eigenen Proteinen oder mit Hilfe symbiotischer Bakterien zu leuchten.

Heute sind etwa 800 Arten leuchtender Lebewesen bekannt. Die meisten von ihnen leben im Meer. Dies sind Bakterien, einzellige Flagellatenalgen, Radiolarien, Pilze, Plankton- und angehängte Coelenterate, Siphonophore, Seefedern, Ctenophore, Stachelhäuter, Würmer, Weichtiere, Krebstiere, Fische.

Einige der am hellsten leuchtenden Tiere sind Pyrosomen (Feuerkäfer). Unter den biolumineszenten Süßwasserarten sind die neuseeländische Schneckenmolluske Latia neritoides und eine Reihe von Bakterien bekannt. Unter den terrestrischen Organismen leuchten bestimmte Arten von Pilzen, Regenwürmern, Schnecken, Tausendfüßlern und Insekten.

Auf der Mikrokosmosebene ist ein sehr schwaches Leuchten, das wir nur mit Hilfe hochempfindlicher Photometer registrieren können, ein Nebeneffekt der Neutralisation reaktiver Sauerstoffspezies durch Enzyme, die zwar notwendig, aber für Zellen, die an der Entstehung beteiligt sind, toxisch sind der Glukoseoxidationsprozess. Sie liefern auch die für die Chemilumineszenz erforderliche Energie an verschiedene Phosphorproteine.

Eine der ersten Bakterienlampen – eine Flasche mit einer Kultur leuchtender Bakterien – wurde vor mehr als hundert Jahren von dem niederländischen Botaniker und Mikrobiologen Martin Beijerinck unterhalten. 1935 beleuchteten solche Lampen sogar den großen Saal des Pariser Ozeanologischen Instituts, und während des Krieges erleuchtete der sowjetische Mikrobiologe A. A. Egorova benutzte leuchtende Bakterien für prosaische Zwecke - um das Labor zu beleuchten.

Und Sie können ein ähnliches Experiment durchführen: Legen Sie rohen Fisch oder Fleisch an einen warmen Ort, warten Sie ein oder zwei Wochen und kommen Sie dann nachts (von der Luvseite!) das Nährmedium wird in einem jenseitigen Licht leuchten. Bakterien, hauptsächlich der Gattungen Photobacterium und Vibrio, und vielzellige planktonische Organismen (im Bild) leuchten im Meer, aber die Hauptlichtquelle ist eine der größten (bis zu 3 mm!) und komplexen einzelligen Organismen - Flagellaten der Nacht hell.

Bei Bakterien sind Phosphorproteine in der gesamten Zelle verstreut, bei einzelligen eukaryontischen Organismen (mit Zellkern) befinden sie sich in von einer Membran umgebenen Vesikel im Zytoplasma. Bei mehrzelligen Tieren wird Licht normalerweise von speziellen Zellen - Photozellen, die oft in spezielle Organe gruppiert sind - Photophoren emittiert.

Photocyten von Coelenteraten und anderen primitiven Tieren sowie Photophoren, die durch symbiotische Photobakterien funktionieren, leuchten nach mechanischer oder chemischer Stimulation kontinuierlich oder für mehrere Sekunden. Bei Tieren mit einem mehr oder weniger entwickelten Nervensystem steuert es die Arbeit der Photozyten, indem es sie als Reaktion auf äußere Reize oder wenn sich die innere Umgebung des Körpers ändert, ein- und ausschaltet.

Neben der intrazellulären gibt es bei Tiefseegarnelen, Oktopussen, Tintenfischen und Tintenfischen eine sekretorische Art des Glühens: Eine Mischung von Sekretionsprodukten zweier verschiedener Drüsen wird aus dem Mantel oder unter der Schale ausgestoßen und breitet sich im Wasser wie eine leuchtende Wolke, die den Feind blendet.

Ein weiteres klassisches Beispiel für Biolumineszenz ist Holzfäule. In ihnen leuchtet nicht der Baum selbst, sondern das Myzel eines gewöhnlichen Honigpilzes.

Und bei den höheren Pilzen der Gattung Mycena, die ebenfalls auf einem faulenden Baum wachsen, aber in warmen Regionen wie Brasilien und Japan glühen Fruchtkörper - sogenannte Pilze (obwohl Schimmelpilze, Hefen und andere Pilze auch Pilze sind, nur niedere)). Eine der Arten dieser Gattung heißt M. lux-coeli, "mycene - himmlisches Licht".

Die auffälligste Anwendung der Biolumineszenz ist die Schaffung transgener Pflanzen und Tiere. Die erste Maus, bei der das GFP-Gen in Chromosomen eingefügt wurde, wurde 1998 geschaffen.

Glühende Proteine werden benötigt, um Techniken zum Einbringen fremder Gene in die Chromosomen verschiedener Organismen zu erarbeiten: Leuchtet sie, bedeutet dies, dass die Methode funktioniert, man kann damit ein Zielgen in das Genom einbringen. Die ersten leuchtenden Fische - der transgene Zebrafisch (Brachydanio rerio) und der japanische Medaka-Reisfisch (Orizias latipes) - kamen 2003 auf den Markt.

Leuchtendes Meer

Wer das Glück hat, nachts im glühenden Meer zu schwimmen, wird sich ein Leben lang an diesen bezaubernden Anblick erinnern. Ursache für das Leuchten sind meistens die Flagellaten-Algen des Nachtlichts (Noctiluca). In manchen Jahren nimmt ihre Zahl so stark zu, dass das ganze Meer glüht. Wenn Sie Pech haben und sich zur falschen Zeit an den Ufern warmer Meere befinden, versuchen Sie, Meerwasser in ein Glas zu gießen und dort etwas Zucker hinzuzugeben.

Noktylisten reagieren darauf, indem sie die Aktivität des Luciferin-Proteins erhöhen. Schütteln Sie das Wasser auf und bewundern Sie das bläuliche Leuchten. Und wenn Sie anhalten, um zu bewundern, können Sie sich daran erinnern, dass Sie eines der ungelösten Geheimnisse der Natur betrachten: Der Mangel an Klarheit über die evolutionären Mechanismen der Entstehung der Leuchtfähigkeit verschiedener Taxa wurde in einem separaten Kapitel von " The Origin of Species" von Darwin, und seitdem konnten Wissenschaftler diese Frage nicht mehr klären, ist das Licht der Wahrheit.

Lumineszenz könnte sich in Organismen entwickelt haben, die bei guten Lichtverhältnissen leben, basierend auf Pigmentverbindungen, die eine Lichtschutzfunktion erfüllen.

Aber die allmähliche Anhäufung eines Merkmals - ein Photon pro Sekunde, zwei, zehn - sowohl für sie als auch für ihre nachtaktiven und Tiefsee-Verwandten konnte die natürliche Selektion nicht beeinträchtigen: Ein so schwaches Leuchten wird selbst von den empfindlichsten Augen nicht wahrgenommen, und die Das Erscheinen von vorgefertigten Mechanismen des intensiven Leuchtens an der nackten Stelle sieht auch unmöglich aus. Und selbst die Funktionen des Glühens bleiben bei vielen Arten unverständlich.

Warum leuchten sie?

Leuchtende Bakterienkolonien und Pilze ziehen Insekten an, die Keime, Sporen oder Myzel verbreiten. Insektenfressende Larven der neuseeländischen Mücke Arachnocampa weben ein Fangnetz und beleuchten es mit ihrem eigenen Körper, um Insekten anzuziehen.

Lichtblitze können Raubtiere von Quallen, Kammquallen und anderen hilflosen und sanften Kreaturen abschrecken. Aus demselben Grund leuchten Korallen und andere Kolonialtiere, die im flachen Wasser wachsen, als Reaktion auf mechanische Reize, und auch ihre Nachbarn, die niemand berührt hat, beginnen zu flackern. Tiefseekorallen wandeln das schwache kurzwellige Licht, das sie erreicht, in Strahlung mit längerer Wellenlänge um, möglicherweise um den symbiotischen Algen, die ihr Gewebe bewohnen, die Photosynthese zu ermöglichen.

Angelrute mit Glühbirne

Die Ordnung der Seeteufel (Lophiiformes) ist die vielfältigste (16 Familien, über 70 Gattungen und über 225 Arten) und vielleicht die interessanteste der Tiefseefische. (Viele kennen Meeresangler nicht aus dem Zoologie-Lehrbuch, sondern aus dem Cartoon "Finding Nemo").

Angler-Weibchen sind Raubtiere mit großen Mündern, kräftigen Zähnen und einem stark dehnbaren Magen. Manchmal findet man tote Seeteufel auf der Meeresoberfläche, die an Fischen ersticken, die mehr als doppelt so groß sind: Der Räuber kann ihn aufgrund der Struktur seiner Zähne nicht freigeben. Der erste Strahl der Rückenflosse verwandelt sich in eine "Angelrute" (illicium) mit einem leuchtenden "Wurm" (eska) am Ende. Es ist eine mit Schleim gefüllte Drüse, die biolumineszierende Bakterien enthält. Durch die Ausdehnung der Wände der Arterien, die den Escu mit Blut versorgen, können die Fische willkürlich die Lumineszenz von Bakterien, die dafür eine Sauerstoffzufuhr benötigen, verursachen oder stoppen, indem sie die Gefäße verengen.

Normalerweise tritt das Leuchten in Form einer Reihe von Blitzen auf, die für jede Art individuell sind. Illicium der Art Ceratias holboelli kann sich nach vorne bewegen und in einen speziellen Kanal auf dem Rücken zurückziehen. Dieser Angler, der Beute anlockt, bewegt den leuchtenden Köder nach und nach zu seinem Maul, bis er die Beute verschluckt. Und Galatheathauma axeli hat den Köder direkt im Maul.

Die Lage der Leuchtstoffe und sogar die Art des Blinkens der leuchtenden Punkte können der Kommunikation dienen – zum Beispiel um einen Partner anzuziehen. Und die Weibchen des amerikanischen Glühwürmchens Photuris versicolor beginnen nach der Paarung, den Morsecode von Weibchen einer anderen Art zu "schlagen", und ziehen ihre Männchen nicht zu Liebeszwecken, sondern zu gastronomischen Zwecken an.

Vor der Küste Japans feiern die Umitoharu (Meeresglühwürmchen) – winzige, 1-2 mm lange Krebstiere der Gattung Cypridina – und der Tintenfisch Watasenia scintellans Massenhochzeiten. Vatazenia-Körper von etwa 10 cm Länge sind zusammen mit Tentakeln mit photophoren Perlen übersät und beleuchten eine Fläche von 25-30 cm Durchmesser - stellen Sie sich vor, wie das Meer mit einem ganzen Schwarm dieser Tintenfische aussieht!

Bei vielen Tiefseekopffüßern ist der Körper mit einem Muster aus mehrfarbigen Lichtflecken bemalt, und die Photophoren sind sehr komplex, wie ein Suchscheinwerfer, der nur in die richtige Richtung mit Reflektoren und Linsen (manchmal doppelt und farbig) leuchtet.

Viele planktonische Tiefseegarnelen haben die Fähigkeit zu leuchten. An den Gliedmaßen, an den Seiten und an der Bauchseite des Körpers haben sie bis zu 150 Photophoren, die manchmal mit Linsen bedeckt sind. Die Position und Anzahl der Photophoren für jede Art ist streng konstant und hilft in der Dunkelheit der Meerestiefen den Männchen, Weibchen zu finden und alle zusammen - in Schwärmen zu sammeln.