Luciferin

Luciferin ist ein Naturstoff, der Glühwürmchen zum Leuchten bringt. Aber er dient nicht nur den Glühwürmchen, sondern auch zahlreichen anderen Käfer-, Quallen-, Krebs- und Tintenfischarten. Sein Entdecker, ein französischer Pharmazeut, benannte das Molekül einst nach Lucifer, dem Erzengel, der aus dem Licht ins Dunkel stürzte noch vor Beginn der Schöpfung. Von Nutzen ist uns Luciferin heute unter anderem in der Erbgut-Analyse (siehe weiter unten).

 

 

 

 

 

 

 

Anekdote

Es ist eines der faszinierensten Naturschauspiele der Erde, direkt vor unserer Haustür: Jeden Sommer verwandeln Millionen Glühwürmchen Parks und Gärten in rhythmisch blinkende Liebeswiesen. Romantik Pur? Nicht ganz. Die Leuchtsignale der Weibchen sind das Letzte, was die Männchen in ihrem kurzen Leben sehen.

Hier einige Fakten zu diesem Schauspiel:

  • 250 BILDER PRO SEKUNDE: Wie alle Insekten haben Glühwürmchen zwei Komplexaugen, die aus hunderten Einzelaugen bestehen. DIe Käfer nehmen damit etwa 250 Bilder pro Sekunde wahr (zum Vergleich: Ein Mensch kommt auf 14-16)
  • 168 STUNDEN, UM EINE PARTNERIN ZU FINDEN: Tagsüber ruhen Leuchtkäfer-Männchen, nachts gehen sie fliegend auf Partnersuche. Ihre Zeit ist jedoch begrenzt: Eine Woche bleibt ihnen nur, dann ist die Lebensuhr eines Glühwürmchens abgelaufen.
  • 95 PROZENT LICHT: Glühwürmchen produzieren Licht, indem sie zwei Stoffe (siehe weiter unten) und Sauerstoff in ihrem Leuchtorgan reagieren lassen ein Enzym und den Leuchtstoff Luciferin. Kein anderes Landtier hat eine solche Energiemaschine im Körper integriert.
  • 8-STUNDEN-SCHICHT: Sobald in den Sommermonaten die Dämmerung einsetzt, beginnen in den Wiesen die Lichtspiele der Glühwürmchen. Sie enden erst bei Tagesanbruch.
  • KEIN ESSEN, NUR SEX: In der Paarungszeit nehmen die Männchen keine Nahrung zu sich. Sie haben nur ein Ziel: eine Partnerin zur Fortpflanzung zu finden....

Drei Jahre musste der Leuchtkäfer auf diesen Moment warten. Drei Jahre krebste er als flugunfähige Larve zwischen den Grashalmen herum, erlegte mit gezielten Giftbissen Schnecken und kämpfte gegen Spinnen. Nun beginnt die Woche der Wahrheit für das Glühwürmchen - es ist die letzte seines Lebens. Der Leuchtkäfer weiss: Ihm bleiben maximal sieben Nächte, um eine Partnerin zu finden und sich fortzupflanzen. Da reicht es nicht, als unscheinbarer 08/15-Käfer durch das Unterholz zu krabbeln. Die Natur hat ihn daher mit einer einzigartigen Fähigkeit ausgestattet: Er kann Energie als Licht abstrahlen. Und auch die weiblichen Leuchtkäfer tun alles dafür, dass sie in den Sommernächten nicht unerkannt bleiben....

2000 Glühwürmchenarten kennt die Erde, drei davon leben in Deutschland. Auch die weiblichen Glühwürmchen können Licht erzeugen. Im Gegensatz zu den männlichen Tieren sind sie jedoch nach der dreijährigen Larvenphase nicht flugfähig. Dafür haben sie mehr Zeit, um einen Partner zu finden. Tatsächlich können weibliche Leuchtkäfer wochenlang auf einem Grashalm sitzen und mit Leuchtsignalen umherfliegende Männchen anlocken. Ganze Wiesen und Felder werden so zu rhythmisch blinkenden Dating-Clubs. Erst wenn sie den richtigen Partner gefunden haben und ihre Eier auf dem Boden ablegen, endet auch für sie das Glühwürmchenleben. Die fliegenden Casanovas sterben bei den meisten Arten umgehend nach der Paarung. Es klingt paradox, aber sowohl für die weiblichen wie auch für die männlichen Leuchtkäfer gilt: Je erfolgreicher die Partnersuche, desto eher sterben sie!

Aber wie funktioniert das mysteriöse Blinken überhaupt? Als der Mensch das Feuer entdeckte, leuchteten Glühwürmchen bereits seit 100 Millionen Jahren. Biolumineszenz (siehe unten) nennen Wissenschaftler die Fähigkeit von Lebewesen, Licht zu erzeugen. Eine Fähigkeit, die eigentlich nur Pilzen, Bakterien und Meeresbewohnern   vorbehalten ist. Das einzige an Land lebende Tier, das die Kunst der Biolumineszenz beherrscht, ist der Leuchtkäfer. Im Gegensatz zu den Tiefseebewohnern, die das Licht benutzen, um Beutetiere anzulocken oder einander zu warnen, werben Leuchtkäfer mit ihrem Licht um die Liebe. Dabei produzieren die Glühwürmchen den neongelben Schein, indem sie zwei Stoffe in ihrem hinteren Körperteil mit Sauerstoff reagieren lassen. (siehe dazu auch das Experiment "Luminol") - ein Enzym und den Leuchtstoff Luciferin. Diese Energieumwandlung ist um ein Vielfaches effektiver als alles, was der Mensch mithilfe von Hightech entwickelt hat. So wandeln die Käfer Energie zu 95 Prozent in Licht um. Zum Vergleich: Bei einer Glühbirne sind es gerade einmal fünf Prozent, der Rest wird als Wärme abgegeben. Daher nennt man Biolumineszenz auch kaltes Licht. Damit die verschiedenen Glühwürmchen-Arten in dem Geflimmer der Wiesen nicht durcheinanderkommen und sich beim Flirten versehentlich einem artfremden Partner nähern, passen die Weibchen einer Art ihren Leuchtrhythmus einander an. So gibt es hunderte verschiedene Rhythmen, manche Arten blinken, andere senden Dauerlicht aus. Bei einigen Glühwürmchen-Arten synchronisieren alle Käfer der Umgebung ihre Blinksignale, sodass ganze Busch- oder Baumreihen im gleichen Takt glimmen. Ganz verschwindet das Leuchten der Glühwürmchen jedoch selbst nach der Paarung und dem Ableben der Eltern nicht. Denn ihr strahlendes Licht geben die Glühwürmchen an die neue Generation weiter. 60 bis 90 Eier bilden dann winzige, leuchtende Punkte in der Sommerwiese. Bis die unscheinbaren Käferlarven nach wenigen Wochen schlüpfen und durch die Wiesen krabbeln. Als Single - auf der Suche nach der nächsten Schnecke.....

Biolumineszenz

Es ist eine beliebte Touristenattraktion: Urlauber der Karibikinsel Puerto Rico lassen sich zum nächtlichen Bad in die Moskito Bay fahren. Vom Boot aus springen sie in die dunklen Fluten – und tauchen plötzlich in eine Welt des Lichts. Bei jeder Schwimmbewegung der badenden Urlauber erstrahlt das Wasser blau-grün. Dieses geheimnisvolle Licht stammt von Milliarden Einzellern, mikroskopisch kleinen Algen, die hier in besonders hoher Konzentration vorkommen. Werden sie durch Wellen oder einen Schwimmer äußerlich gereizt, beginnen sie zu leuchten. Unterwasseraufnahme: Schwarze Korallen und Leuchtfische (Rechte: Interfoto) 

Meeresleuchten

Als Biolumineszenz bezeichnet man die Lichterzeugung durch Lebewesen. Die Biolumineszenz an der Meeresoberfläche wird hauptsächlich durch winzige, einzellige Algen, den sogenannten "Dinoflagellaten" erzeugt. Sie tragen so schöne Namen wie, zum Beispiel, "Noctiluca miliaris" (deutsch: Nachtlaternchen), das auch als Glühwürmchen des Meeres bekannt ist.

 

Die Dinoflagellaten gehören zum Phytoplankton und sind im Salz- und Brackwasser auf der ganzen Erde zu finden. Wirklich sehen kann man sie aber nur, wenn sie in großen Massen auftreten. Zu bestimmten Zeiten und wenn das Nähstoffangebot stimmt, bilden die Einzeller Kolonien von bis zu 100.000 Zellen pro Liter Wasser. Zu den schönsten biolumineszenten Buchten der Erde gehört die Moskito Bay auf der Karibikinsel Puerto Rico. Experten sind sich sicher, dass in keiner anderen Bucht der Welt so viele biolumineszente Lebewesen vorkommen. Die mikroskopisch kleinen Algen werden von der Meeresströmung dort festgehalten. Dazu kommt ein außerordentliche Nährstoffangebot. Direkt über dem Salzwasser hängen Mangrovenblätter. Wenn sie herunterfallen und im Wasser verrotten schaffen sie ideale Lebensbedingungen für die Dinoflagellaten. Doch es gibt noch weitere Faktoren, die die Einzeller beeinflussen. Je intensiver am Tag die Sonneneinstrahlung war, um so stärker leuchten die Algen bei Nacht. Das Licht der Dinoflagellaten dient dem eigenen Schutz. Sie beleuchten herannahende Feinde und locken auf diese Weise deren Feinde an. In früheren Zeiten schrieben die Menschen das Leuchten dunklen Mächten zu. Heute weiß man, dass es auf einer einfachen chemischen Reaktion beruht.

 

Die Chemie stimmt

Die winzigen Einzeller reagieren auf jede Störung von Außen mit Lichtstößen, die nur Bruchteile einer Sekunde andauern. Jede einzelne Alge arbeitet wie ein kleines Chemielabor. Das Licht entsteht durch eine einfache chemische Reaktion zweier biologischer Substanzen. Das lichtgebende Substrat heißt Luciferin. Es reagiert mit Ein 'Photoblepharon palpebratus' (Rechte: Mauritius)dem Enzym Luciferase. Dabei nimmt es Sauerstoff auf und wird in einen energiereicheren Zustand versetzt. Diese zusätzliche Energie wird als Licht wieder abgegeben.Mit diesem Mechanismus beträgt die Lichtausbeute fast 100 Prozent. Nur zwei Prozent der gewonnen Energie werden als Wärme abgegeben. Man spricht daher auch von sogenanntem "kalten Licht". Zum Vergleich: Eine Glühbirne wird durch Erhitzen zum Glühen gebracht. Die Lichtausbeute beträgt dabei gerade mal fünf Prozent, der Rest geht als Wärme verloren.

Der Photoblepharon leuchtet mit Hilfe symbiontischer Bakterien

Für die Reaktion setzt eine Luciferase das Substrat D-Luciferin (LH2), ein Benzothiazol, unter Verbrauch von Sauerstoff um. Die Arbeiten von William D. McElroy Ende der 1940er Jahre haben gezeigt, dass für die Reaktion ATP und Magnesiumionen als Cofaktoren benötigt werden:

 

 

 

Im Vergleich zu Luciferinen anderer Systeme ist das Luciferin aus Leuchtkäfern eine relativ stabile Verbindung. Der Schmelzpunkt liegt bei 205–210 °C. Sein molarer Extinktionskoeffizient bei 328 nm beträgt ε = 18.200 M−1·cm−1. Luciferin fluoresziert und zeigt ein Emissionsmaximum bei λmax = 537 nm.

Die Luciferase der Leuchtkäfer hat eine Molekularmasse von ca. 60–62 kDa, bei P. pyralis genau 61 kDa und ist aus 550 Aminosäuren aufgebaut. Sie katalysiert die oxidative Decarboxylierung von Luciferin zu Oxyluciferin. Die Reaktion läuft in den Peroxisomen der Lichtorganzellen ab. Die Struktur der Luciferase aus P. pyralis wurde erstmals 1956 mit einer Auflösung von 2,0 Å dargestellt. Für diese Analyse wurden große Mengen an Leuchtkäfern durch hilfsbereite Kinder gesammelt, die für jedes abgelieferte Exemplar einen Cent Belohnung erhalten hatten.

Ohne gebundenes Substrat liegt die Luciferase in einer offenen Konformation vor; ein großer N-terminaler und ein kleiner C-terminaler Bereich bilden eine tiefe Furche. Bei Substratbindung führt eine Konformationsänderung zum Schließen der Furche. Mitte der 1980er Jahre konnte Luciferase erfolgreich in das Genom des Bakteriums E. coli eingebaut und dort exprimiert werden. Luciferasen aus Leuchtkäfern der Familie Lampyridae sind sehr ähnlich aufgebaut. Die Unterschiede bestimmen aber die Farbe des emittierten Lichts. Je nach Art liegt das Emissionsmaximum λmax des freigesetzten Lichts zwischen 530 nm (grün) und 635 nm (rot).

Die Reaktion läuft in vitro am besten bei einem pH-Wert von 7,8 und bei Temperatur von 23–25 °C ab. In vivo ist die Farbe des emittierten Lichts gelbgrün bis gelb (552–582 nm). Im Labor zeigt die Reaktion einen größeren Farbbereich. Im sauren Milieu erscheint das Licht rötlich (615 nm), im neutralen Milieu grün-gelb.

 

Leuchtendes Beispiel

In der Tiefsee ist Biolumineszenz weit verbreitet. Die Fähigkeit Licht zu erzeugen hilft vielen Lebewesen zu überleben. Trotzdem ist die biologische Bedeutung des Leuchtens nur teilweise bekannt. Meist werden die Leuchtsignale eingesetzt, um Partner anzulocken. Aber auch zur Täuschung und als Köder wird es genutzt.So wie beim nachtaktiven Korallenfisch "Photoblepharon". Er leuchtet mit Hilfe symbiontischer Bakterien, die er in Leuchtorganen unter seinen Augen beherbergt. Außerhalb dieses Leuchtorganes könnten die Bakterien nicht überleben.

Da sie ununterbrochen leuchten hat der Fisch lichtundurchlässige "Augenlider" mit denen er den Lichtfluss nach Außen regulieren kann. Der Korallenfisch setzt seine Leuchtkraft sehr vielseitig ein. Sie dient ihm zum Anlocken der Beute, als Signalgeber zur Partnerwerbung, zur Feindabwehr durch plötzliches Aufblinken und sogar als "Scheinwerfer" für den eigenen Sehvorgang. Garnelen oder Tintenfische stoßen Wolken eines leuchtenden Stoffes aus, um damit ihre Feinde zu blenden und abzulenken.Der Anglerfisch nutzt die Biolumineszenz, zum Beutefang. Sein Leuchtorgan sitzt kurz vor seinem Maul. In der Tiefsee werden die Beutetiere von dem Licht angezogen und schwimmen ihrem Feind direkt vor die Nase.

Die Fähigkeit, das eigene Licht zu erzeugen hebt die Bewohner der Tiefe wohl am deutlichsten von denen an Land ab. An Land gibt es nur wenigen Arten, die diese Fähigkeit besitzen.Das wohl bekannteste biolumineszente Lebewesen außerhalb des Wassers ist das Glühwürmchen "Photinus pyralis", eine Käferart. In warmen Frühsommernächten kann man teilweise ganze leuchtende Schwärme von ihnen beobachten. Ihr Leuchtorgan liegt im Hinterleib. In der Dunkelheit senden sie ihre Lichtsignale zur Partnerwerbung aus. Weltweit gibt es rund 2000 Glühwürmchenarten. Und jede Art verfügt über ihre eigenen speziellen Blinksignale. So wird vermieden, dass es zur Paarung zwischen den verschiedenen Arten kommt.

 

 

Quellen: Welt der Wunder (März 2012);  Planet Wissen ; Wikipedia

Bilder: Wikipedia