Glühwürmchen senden in warmen Sommernächten grünliche Lichtsignale aus. In der Tiefsee lockt ein Anglerfisch seine Beute mit einer leuchtenden „Angel“ an. Und manchmal beginnen sogar ganze Wellen blau zu funkeln. So unterschiedlich diese Erscheinungen aussehen, haben sie eines gemeinsam: Das Licht wird von Lebewesen erzeugt.
Dieses Naturphänomen heißt Biolumineszenz. Es ist weder ein Leuchten durch Hitze noch bloß reflektiertes Licht. Hinter dem sichtbaren Schein steckt eine chemische Reaktion, die im Körper eines Organismus oder mithilfe darin lebender Mikroorganismen abläuft.
Doch wie funktioniert Biolumineszenz genau? Welche Lebewesen können leuchten – und warum hat sich diese außergewöhnliche Fähigkeit im Laufe der Evolution immer wieder entwickelt?
Was ist Biolumineszenz?
Biolumineszenz ist die Fähigkeit eines lebenden Organismus, durch eine chemische Reaktion Licht zu produzieren und auszusenden. Der Begriff setzt sich aus dem griechischen Wort bios für Leben und dem lateinischen lumen für Licht zusammen. Vereinfacht bedeutet Biolumineszenz also „lebendes Licht“.
Die Fähigkeit kommt bei sehr unterschiedlichen Organismen vor: bei Bakterien, einzelligen Planktonorganismen, Pilzen, Würmern, Krebstieren, Quallen, Tintenfischen, Fischen und Insekten. Besonders verbreitet ist sie im Meer. Dort findet man biolumineszente Lebensformen von der Wasseroberfläche bis hinab zum Meeresboden.
Nicht alle Mitglieder einer Organismengruppe leuchten. Es gibt beispielsweise sowohl biolumineszente als auch nicht leuchtende Pilze, Fische und Dinoflagellaten. Zudem ist nicht jedes sichtbare Leuchten eines Lebewesens automatisch Biolumineszenz.
Biolumineszenz, Fluoreszenz und Phosphoreszenz: Was ist der Unterschied?
Bei der Biolumineszenz entsteht das Licht durch eine chemische Reaktion im lebenden System. Eine äußere Lampe ist dafür nicht nötig.
Fluoreszenz funktioniert anders: Ein Stoff nimmt Licht einer bestimmten Wellenlänge auf und gibt einen Teil der Energie beinahe sofort als Licht einer anderen Wellenlänge wieder ab. Wird die anregende Lichtquelle ausgeschaltet, endet auch die Fluoreszenz nahezu unmittelbar. Manche Korallen erscheinen unter blauem oder ultraviolettem Licht deshalb intensiv grün, orange oder rot – sie produzieren dieses Licht aber nicht auf dieselbe Weise wie ein biolumineszenter Organismus.
Bei der Phosphoreszenz wird zuvor aufgenommene Lichtenergie zeitverzögert wieder abgegeben. Ein bekanntes Beispiel sind künstliche Sterne, die nach dem Ausschalten der Zimmerbeleuchtung noch eine Weile nachleuchten.
Biolumineszente Lebewesen benötigen dagegen keine vorherige „Aufladung“ im Sinne eines phosphoreszierenden Materials. Manche Arten brauchen natürlich Licht für Photosynthese oder nutzen einen Tag-Nacht-Rhythmus. Die sichtbare Lichtreaktion selbst entsteht jedoch durch Biochemie.
Wie entsteht biologisches Licht?
Es gibt nicht nur eine einzige Form der Biolumineszenz. Die beteiligten Moleküle und Reaktionswege unterscheiden sich zwischen den Organismengruppen. Ein häufiges Grundprinzip lässt sich trotzdem vereinfacht beschreiben:
Ein lichtbildender Stoff namens Luciferin wird in Gegenwart von Sauerstoff chemisch umgesetzt. Häufig unterstützt ein Enzym – die Luciferase – diese Reaktion. Dabei entsteht ein energiereicher Zustand. Wenn das angeregte Molekül wieder in einen energieärmeren Zustand zurückkehrt, wird ein Teil der Energie als sichtbares Licht abgegeben.
Die Namen Luciferin und Luciferase bezeichnen keine überall identischen Stoffe. Verschiedene Organismen verwenden unterschiedliche Luciferine und Luciferasen. Bei einigen Arten übernehmen sogenannte Photoproteine eine zentrale Rolle. Manche Tiere stellen die benötigten Substanzen selbst her, andere nehmen Vorstufen über ihre Nahrung auf. Wieder andere leuchten mithilfe symbiotischer Bakterien, die in besonderen Lichtorganen leben.
Da bei dieser Reaktion vergleichsweise wenig Energie als Wärme verloren geht, wird Biolumineszenz oft als kaltes Lichtbezeichnet. Das ist entscheidend: Ein Glühwürmchen könnte kein Licht erzeugen, indem es sein Gewebe wie den Draht einer Glühlampe erhitzt.
Welche Farbe hat Biolumineszenz?
Biolumineszenz kann je nach Organismus grün, gelb, blau oder in selteneren Fällen rötlich erscheinen. Im Meer dominiert blaues bis blaugrünes Licht. Diese Wellenlängen können sich im Wasser besonders gut ausbreiten und sind für viele Meeresbewohner gut wahrnehmbar.
An Land ist beispielsweise das gelblich-grüne Licht vieler Glühwürmchen besonders bekannt. Die Farbe hängt unter anderem von der Struktur der beteiligten Moleküle, dem Enzym, der chemischen Umgebung und möglichen Farbfiltern im Gewebe ab.
Ein leuchtendes Tier kann das erzeugte Licht außerdem durch spezielle Organe lenken, abschirmen oder reflektieren. Dadurch entstehen Punkte, Linien und Muster, die wie biologische Scheinwerfer oder Signallampen wirken.
Welche Lebewesen können leuchten?
Glühwürmchen: Lichtsignale an Land
Glühwürmchen sind eigentlich Käfer. Ihre Leuchtorgane befinden sich am Hinterleib. Viele Arten nutzen artspezifische Blinkmuster, um mögliche Partner zu finden. Zeitpunkt, Rhythmus und Dauer der Lichtsignale helfen den Tieren dabei, Angehörige der eigenen Art zu erkennen.
Bereits ihre Larven können leuchten. Das Licht kann bei ihnen auch als Warnsignal verstanden werden: Es macht mögliche Fressfeinde auf ihre Ungenießbarkeit aufmerksam.
Leuchtende Pilze
Auch einige Pilzarten erzeugen sichtbares Licht. Bei ihnen können Fruchtkörper oder Pilzgeflechte grünlich leuchten. Warum sich diese Fähigkeit entwickelt hat, ist nicht bei allen Arten abschließend geklärt. Diskutiert wird unter anderem, dass das Licht nachtaktive Tiere anziehen kann, die anschließend zur Verbreitung von Sporen beitragen.
Leuchtende Bakterien
Biolumineszente Bakterien können frei im Meer vorkommen oder mit Tieren zusammenleben. Einige Fische und Tintenfische beherbergen solche Bakterien in spezialisierten Lichtorganen. Der tierische Wirt bietet ihnen geeignete Lebensbedingungen; im Gegenzug kann er ihr Licht beispielsweise zur Tarnung oder Kommunikation verwenden.
Quallen, Krebse und Tintenfische
Unter den wirbellosen Meerestieren gibt es besonders viele Formen der Biolumineszenz. Manche Quallen erzeugen leuchtende Muster, kleine Krebstiere senden Blinksignale aus und bestimmte Tintenfische können leuchtendes Material abgeben. Eine helle Wolke im dunklen Wasser kann einen Angreifer verwirren – ähnlich wie eine Tintenwolke, nur mit Licht.
Tiefseefische
In der Tiefsee fehlt das Sonnenlicht. Trotzdem ist die Umgebung keineswegs vollständig ohne visuelle Signale. Viele Tiefseefische besitzen Leuchtorgane, sogenannte Photophoren. Diese können der Partnersuche, Arterkennung, Jagd oder Tarnung dienen.
Das wohl bekannteste Beispiel ist der Anglerfisch: Eine leuchtende Struktur vor seinem Maul lockt Beutetiere in Reichweite. Andere Fische tragen Reihen kleiner Leuchtorgane an ihrer Unterseite und gleichen deren Helligkeit an das schwache Licht von oben an. Dadurch wird ihre Silhouette für einen von unten blickenden Räuber schwerer erkennbar.
Dinoflagellaten und leuchtende Wellen
Bestimmte Dinoflagellaten erzeugen bei mechanischer Reizung kurze blaue Lichtblitze. Wenn sich sehr viele dieser einzelligen Organismen im Oberflächenwasser befinden, können Wellen, schwimmende Tiere oder ein Boot sichtbare Leuchtspuren auslösen.
Arten wie Pyrocystis lunula folgen dabei einem inneren Tag-Nacht-Rhythmus. Ihre Leuchtbereitschaft ist vor allem auf die biologische Nacht abgestimmt. Wie aus vielen winzigen Lichtblitzen ein leuchtendes Meer entsteht, erklären wir ausführlich im Beitrag „Warum leuchtet das Meer?“.
Warum erzeugen Lebewesen Licht?
Biolumineszenz ist kein Selbstzweck. Licht kann Informationen übertragen, einen Gegner ablenken oder die Überlebenschancen eines Organismus auf andere Weise verbessern. Allerdings ist die genaue Funktion nicht bei jeder Art vollständig erforscht.
Beute anlocken oder finden
Eine leuchtende Struktur kann wie ein Köder funktionieren. Der Anglerfisch lockt damit kleinere Tiere unmittelbar vor sein Maul. Andere Organismen nutzen Licht möglicherweise, um ihre Umgebung oder potenzielle Beute sichtbar zu machen.
Partner finden und kommunizieren
Im Dunkeln können Lichtsignale über größere Entfernungen auffallen als Körperformen oder Farben. Blinkmuster helfen beispielsweise Glühwürmchen bei der Partnersuche. Auch manche Krebstiere und Würmer verwenden charakteristische Leuchtsignale im Zusammenhang mit der Fortpflanzung.
Feinde abschrecken und verwirren
Ein plötzlicher Lichtblitz kann einen Angreifer erschrecken oder seine Aufmerksamkeit umlenken. Manche Meerestiere stoßen leuchtende Substanzen aus, während andere abtrennbare, weiterleuchtende Körperteile einsetzen. Das verschafft ihnen möglicherweise die entscheidenden Sekunden zur Flucht.
Eine weitere Erklärung wird häufig als „Einbrecheralarm“ beschrieben: Das Licht eines angegriffenen Organismus kann einen größeren Räuber auf den ursprünglichen Angreifer aufmerksam machen. Der Jäger wird dadurch selbst zum möglichen Gejagten.
Unsichtbar werden
Licht kann paradoxerweise auch der Tarnung dienen. In mittleren Meerestiefen fällt von oben noch schwaches Licht ein. Ein Tier, das von unten betrachtet wird, würde sich als dunkle Silhouette abzeichnen. Einige Meeresbewohner erzeugen an ihrer Unterseite ein passendes Gegenlicht. Diese Gegenbeleuchtung lässt ihre Konturen mit dem Hintergrund verschmelzen.
Warnen
Leuchtsignale können möglichen Fressfeinden anzeigen, dass ein Organismus giftig, ungenießbar oder wehrhaft ist. Ähnlich wie auffällige Warnfarben am Tag kann Licht in der Dunkelheit eine deutliche Botschaft senden.
Warum ist Biolumineszenz im Meer so verbreitet?
Im offenen und tiefen Meer herrschen andere Lichtverhältnisse als an Land. Mit zunehmender Tiefe verschwindet das Sonnenlicht, während Gerüche, Farben und Körperformen über größere Entfernungen schwer wahrnehmbar sein können. Selbst erzeugtes Licht eröffnet dort einen zusätzlichen Kommunikationskanal.
Es kann gezielt ein- und ausgeschaltet, in eine Richtung gelenkt oder in bestimmten Mustern ausgesendet werden. Gleichzeitig breitet sich blaugrünes Licht im Wasser besonders gut aus. Diese Eigenschaften machen Biolumineszenz für Jagd, Schutz, Tarnung und Kommunikation außerordentlich vielseitig.
Die Fähigkeit ist im Laufe der Evolution nicht nur ein einziges Mal entstanden. Unterschiedliche Organismengruppen entwickelten unabhängig voneinander eigene chemische Systeme und Lichtorgane. Das erklärt, warum biologisches Licht heute in so vielen Formen vorkommt.
Wie nutzt der Mensch Biolumineszenz?
Die Mechanismen hinter dem lebenden Licht sind auch für die Forschung wertvoll. Luciferasen können als biologische Marker eingesetzt werden. Koppelt man ihre Aktivität an bestimmte Vorgänge in einer Zelle, lassen sich diese über ein Lichtsignal sichtbar machen. So können Forschende beispielsweise untersuchen, wann Gene aktiv sind oder wie sich Zellen verändern.
Biolumineszente Reaktionen kommen außerdem in verschiedenen Nachweisverfahren zum Einsatz. Das Licht ist dabei nicht nur schön anzusehen, sondern ein empfindliches messbares Signal. Die Erforschung leuchtender Organismen hat deshalb Erkenntnisse und Werkzeuge für Zellbiologie, Medizin, Umweltforschung und Biotechnologie hervorgebracht.
Biolumineszenz zu Hause beobachten
Viele biolumineszente Tiere leben in schwer erreichbaren Regionen oder benötigen hochspezialisierte Lebensbedingungen. Bestimmte Dinoflagellaten lassen sich dagegen als lebende Kultur halten. Bei passendem Tag-Nacht-Rhythmus kann ihre natürliche Lichtreaktion nach Einbruch der Dunkelheit sichtbar werden.
Dabei handelt es sich nicht um eine Lampe und nicht um einen künstlichen Leuchteffekt. Die Organismen leben und reagieren auf Licht, Bewegung und ihre Umwelt. Deshalb kann sich die Intensität von Tag zu Tag unterscheiden.
Wer diese besondere Form der Biolumineszenz selbst erleben möchte, findet bei unserem Meeresleuchten in der Flaschelebende Dinoflagellaten der Art Pyrocystis lunula. Informationen zu ihrem Rhythmus und ihrer Haltung stehen in unserer FAQ zu den Leuchtalgen.
Licht als Sprache des Lebens
Biolumineszenz zeigt, wie erfinderisch die Evolution sein kann. Ein chemischer Vorgang wird zum Köder, Warnsignal, Tarnanzug oder Ruf nach einem Partner. Was für uns wie ein kleines Naturwunder wirkt, erfüllt für die beteiligten Lebewesen oft eine ganz praktische Aufgabe.
Vom Glühwürmchen im Garten bis zum Dinoflagellaten im Meer hat lebendes Licht viele verschiedene Formen angenommen. Jede davon erzählt eine eigene Geschichte darüber, wie Organismen in der Dunkelheit überleben, kommunizieren und wahrgenommen werden.
Quellen und weiterführende Literatur
Du recherchierst für eine Facharbeit, ein Referat oder ein Studium? Die folgenden Quellen bieten wissenschaftliche und weiterführende Informationen. Bitte beachte für direkte Zitate und Literaturangaben die Zitierregeln deiner Schule oder Hochschule.
-
Haddock, S. H. D., Moline, M. A. & Case, J. F. (2010): Bioluminescence in the Sea. Annual Review of Marine Science, 2, 443–493. Link
-
Widder, E. A. (2010): Bioluminescence in the Ocean: Origins of Biological, Chemical, and Ecological Diversity.Science, 328(5979), 704–708. Link
-
Valiadi, M. & Iglesias-Rodriguez, M. D. (2013): Understanding Bioluminescence in Dinoflagellates—How Far Have We Come? Microorganisms, 1(1), 3–25. Link
-
Jalaal, M. et al. (2020): Stress-Induced Dinoflagellate Bioluminescence at the Single Cell Level. Physical Review Letters, 125, 028102. Link
-
NOAA National Ocean Service: What is bioluminescence? Link
-
Smithsonian Ocean: Bioluminescence Link