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Biolumineszenz

Leuchtorgane

In den Leuchtzellen an der Bauchseite des Hinterleibes der Glühwürmchen findet eine biochemische Reaktion statt, bei der die freiwerdende Energie fast ausschliesslich in Licht umgesetzt wird. Eine reflektierende Schicht aus Salzkristallen dahinter und glasartige Fenster darüber sorgen für eine optimale Abstrahlung des Lichtsignals.

Verteilung der Leuchtorgane (weiss) bei Käfern verschiedener Familien (R. A. Crowson: The Biology of the Coleoptera, Academic Press 1981, p 314)
Verteilung der Leuchtorgane (weiss) bei Käfern verschiedener Familien (R. A. Crowson: The Biology of the Coleoptera, Academic Press 1981, p 314)

 

Ausser von Leuchtkäfern ist Biolumineszenz bekannt von einigen andern Käferfamilien, in Höhlen und Wäldern lebenden Pilzmückenlarven, marinen Bakterien und Einzellern, Quallen, Krebsen sowie zahlreichen Tiefseeorganismen, Fischen und Tintenfischen.

Ansichtskarte aus New Zealand: leuchtende Pilzmückenlarven als touristische Attraktion.
Ansichtskarte aus New Zealand: leuchtende Pilzmückenlarven als touristische Attraktion.

Heidy Baggenstos und Andreas Rudolf beschäftigen sich in ihrer künstlerischen Arbeit seit Jahren intensiv mit natürlichen Prozessen und Phänomenen - nicht zuletzt mit biolumineszenten Organismen. Die Abbildung zeigt Leuchtholz: Holzstücke, die von Hallimasch-Pilzen zum Leuchten gebracht werden.

 

Chemie

Die Biolumineszenz kommt im Zusammenspiel verschiedener Substanzen zustande. Neben Sauerstoff und dem Energielieferanten ATP (Adenosintriphosphat) sind beim Glühwürmchen an der biochemischen Leucht-Reaktion vor allem Luciferin und Luciferase beteiligt.

Während Luciferin, das eigentliche Leuchtmolekül, nur aus wenigen Dutzend Atomen besteht, handelt es sich beim Protein Luciferase, welches die Leuchtreaktion katalysiert, um eine Kette von über 10´000 Atomen. Diese Kette ist so aufgewickelt, dass das Luciferase-Enzym eine ganz bestimmte dreidimensionale Form einnimmt, in deren Hohlräumen Luciferin und die weiteren Reaktionspartner zueinander ideal in Position gebracht werden: Luciferin wird durch den Energieträger ATP aktiviert und in einem weiteren Schritt durch Sauerstoff oxydiert. Bei der abschliessenden Reduktion des oxyidierten Luciferins zurück in den Grundzustand wird Licht abgegeben.

Die Lichtausbeute bei der Leuchtkäfer-Biolumineszenz beträgt - je nach Art - 40 bis 60 %, man spricht von "kaltem" Licht. Eine Glühbirne wird dagegen durch Erhitzen zum Glühen gebracht. Die Lichtausbeute beträgt dabei nur fünf Prozent, der Rest geht als Wärme verloren.

Luciferinmolekül und O2 (Modell). Farben der Atome: Kohlenstoff schwarz, Wasserstoff weiss, Sauerstoff rot, Stickstoff blau, Schwefel gelb (Stefan Ineichen).
Luciferinmolekül und O2 (Modell). Farben der Atome: Kohlenstoff schwarz, Wasserstoff weiss, Sauerstoff rot, Stickstoff blau, Schwefel gelb (Stefan Ineichen).

 

Steuerung

Die Leuchtreaktion kann vom Organismus gesteuert, an- und ausgeschaltet werden. Störungen, Wahrnehmung von Licht und Dunkelheit und die innere Uhr der Käfer können bewirken, dass über Nervenleitungen aktivierende oder bremsende Impulse an die Leuchtorgane weitergegeben werden. Bei einer von einem US-Forschungsteam untersuchten Leuchtkäferart spielt dabei Stickstoffmonoxid (NO) eine zentrale Rolle (Science 2001, Bd. 292, S. 2486):

Am Rande der über die Tracheen (Luftröhren) mit Sauerstoff versorgten Lichtzellen befinden sich viele Mitochondrien. Mitochondrien - die "Kraftwerke" und ATP-Produzenten der Zellen - brauchen wie die Leuchtreaktion Sauerstoff. Sind die Mitochondrien aktiv, wird der Sauerstoff für die Leuchtreaktion knapp. Die Lichtzellen sind nur fähig zu leuchten, wenn die Mitochondrien ruhen. Sobald die Mitochondrien nun mit NO in Berührung kommen, stoppen diese Zellorganellen ihren Sauerstoffverbrauch. NO zur Steuerung der Lichtreaktion wird mit Hilfe von Proteinen produziert, direkt neben den Luciferin-Produktionskammern in den Lichtzellen.

Bei vielen Leuchtkäferarten kann das An- und Abschalten innerhalb von Sekundenbruchteilen erfolgen. Südasiatische Leuchtkäfer blinken in riesigen Schwärmen synchron. Bäume an Flussufern leuchten von Tausenden von Käfern auf und erlöschen wie Weihnachtsbäume in der Einkaufstrasse. 

Der in Zürich lebende Künstler Francesco Mariotti nahm 2002 in seiner Installation Danse nuptiale des lucioles in Genf auf diese synchron blinkenden südasiatischen Käferchen Bezug. Die wild blinkenden LEDs begannen dabei gleichzeitig zu leuchten, wenn die Strassenbahn vorbeifuhr. Mariotti befasst sich seit langer Zeit intensiv mit Leuchtkäfern und hat sich – oft in Zusammenarbeit mit Klaus Geldmacher – in zahlreichen Lichtobjekten in Peru, Japan, Italien, Deutschland usf. mit den lucciole/Glühwürmchen/lucioles auseinandergesetzt. Francesco Mariotti beteiligte sich an den beiden Glühwürmchen Festivals in Zürich in den Jahren 2005 und 2016.

 

Entstehung und Funktion des Käferleuchtens

Luciferine, die Leuchtsubstanzen biolumineszenter Tiere, lassen sich auch in den Zellen von Organismen nachweisen, die nicht über die Fähigkeit der Biolumineszenz verfügen. Ihre ursprüngliche Funktion scheint die Beseitigung reaktionsfreudiger, aggressiver Sauerstoffverbindungen zu sein, sogenannter freier Radikale. Freie Radikale stellen ein notwendiges Übel im Zellstoffwechsel dar: Sie entstehen etwa in den Mitochondrien (Zellkraftwerken) während der lebenswichtigen Zellatmung, scheinen aber generell für Verschleisserscheinungen und Alterungsprozesse mitverantwortlich zu sein. Kein Wunder, dass sich auch die Kosmetikbranche mit Luciferinen beschäftigt.

Damit jedoch sichtbare Lichtmengen gezielt abgegeben werden können, braucht es spezielle Leuchtorgane und Steuerungsmechanismen. Wie macht sich der kostspielige Aufbau solcher Strukturen für den Organismus bezahlt? Was ist die biologische Funktion des Käferleuchtens?

 

Paarungsignale

Die klassische Erklärung des Leuchtkäferlichts bezieht sich auf die Signalfunktion bei der Partnersuche: Paarungsbereite Glühwürmchenweibchen sitzen leuchtend im Gras, die Männchen fliegen durch die Nacht und lassen sich recht zielsicher auf die potentielle Partnerin fallen. In Nordamerika, wo mehrere Leuchtkäferarten die gleichen Lebensräume besiedeln können, kommunizieren die möglichen Partner mit artspezifischen Antwortsignalen. In Mitteleuropa kommen höchstens zwei Leuchtkäferarten am gleichen Ort vor, die Verwirrung hält sich also in Grenzen. Beim Grossen Glühwürmchen hat das Männchen die Fähigkeit zu leuchten verloren.

Die Funktion des Lichtes bei der Paarung ist unbestritten, darauf basiert auch die Methode, Männchen mit LED-Fallen zu fangen. Damit bleibt jedoch unbeantwortet, weshalb auch Larven und sogar schon Eier von Glühwürmchen leuchten.

 

Feindabwehr

Untersuchungen der Evolution des Lichtes bei Leuchtkäfern ergaben, dass bei ursprünglichen Arten der Leuchtkäferfamilie nur die Larven leuchteten (John Tyler: The Glow-worm S. 26). Auch bei der in Europa fehlenden Käferfamilie der amerikanischen "Glowworms" (Phengodidae) leuchten nur die Larven.

Die mögliche Erklärung dafür ist, dass Feinde durch das Licht der Käferlarven ähnlich wie durch die schwarzgelben Streifen der Wespen gewarnt werden vor einer gefährlich unappetitlichen Beute (aposemantischer Schutz). Leuchtkäfer schmecken bitter und sind - was für verschiedene Arten nachgewiesen ist - für gewisse Tiere giftig bis tödlich. Eidechsen und Frösche sind in Experimenten nach der Fütterung mit einem oder mehreren Leuchtkäfern umgekommen. Von sonst nicht als wählerisch geltenden Tieren wie Waldameisen, Rotkehlchen und verschiedenen Kleinsäugern ist bekannt, dass sie sich weigern, Leuchtkäferlarven zu vertilgen.

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