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Natürliches Licht: Was genau ist Biolumineszenz und wie funktioniert es?

Das ist alles einem Molekül zu verdanken, das Licht emittiert.

Biolumineszierende Flut am Scripps Pier. Quelle: slworking2/Flickr

Biolumineszenz ist das Phänomen, bei dem lebende Organismen als Ergebnis einer chemischen Reaktion Licht erzeugen. Es ist eine Form von Chemilumineszenz, in denen zwei oder mehrChemikalien reagieren, um ein angeregtes hochenergetisches Zwischenprodukt zu bilden, das dann zerfällt und einen Teil seiner Energie als Lichtphotonen freisetzt, um seinen Grundzustand zu erreichen. Die freigesetzte elektromagnetische Strahlung kann sichtbares, ultraviolettes oder infrarotes Licht sein.

Bei der Biolumineszenz erzeugen jedoch weniger als 20% des Lichts WärmeStrahlung oder Hitze.

Natürlich sind wir besser mit der sichtbaren Biolumineszenz vertraut, die wir beispielsweise im Licht eines Glühwürmchens sehen können, aber viele andere Arten – sogar Menschen – emittieren Licht der einen oder anderen Art.

Also, wie passiert es?

Was verursacht Biolumineszenz?

Hier müssen wir anhalten und uns erinnernder zweite Hauptsatz der Thermodynamik. Dieses Gesetz besagt, dass die Entropie in geschlossenen Systemen immer zunimmt. Dies liegt daran, dass kein thermodynamischer Prozess 100% effizient ist — es gibt immer eine bestimmte Menge an Energie, die nicht in Arbeit umgewandelt werden kann. Diese „nutzlose“ Energie wird freigesetztin Form von Wärme an die Umgebung abgegeben, wodurch die molekulare Unordnung die Entropie des Systems erhöht wird.

Aber die Umwandlung von chemischer Energie in Licht, die bei der Biolumineszenz stattfindet, ist so effizient, dass nur sehr wenig Wärme an die Umgebung abgegeben wird. Deshalb wird es „Biolumineszenz“ genannt – weil Lumineszenz ist die Emission von Licht durch bestimmte Materialien, wenn sie relativ kühl sind. Das kann man sich also als "kaltes Licht" vorstellen.

Und wie produzieren Lebewesen dieses Licht? Es hängt von der Spezies ab.

Die chemische Reaktion, die im Allgemeinen zu Biolumineszenz führt, erfordert zwei Chemikalien: Luciferin und entweder Luciferase oder Photoprotein. Luziferin ist die Verbindung, die Licht erzeugt, und die genaue erzeugte Farbe ist das Ergebnis der Anordnung der Luciferin-Moleküle.

Einige biolumineszierende Organismen könnensynthetisierenLuciferin allein, während andere es durch andere Organismen aufnehmen, entweder indem sie sie als Nahrung konsumieren oder in a symbiotisch Beziehung mit einem Luciferin-produzierenden Organismus. Tintenfische zum Beispiel haben eine symbiotische Beziehung mit Biolumineszenz Bakterien die leben in den Lichtorganen des Tintenfisches.

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Das Enzym Luciferase interagiert mit oxidiertem Luciferin, um ein Nebenprodukt namens Oxyluciferin zu erzeugen, und es ist diese chemische Reaktion, die Licht erzeugt.

Während die meisten biolumineszenten Reaktionen Luciferin und Luciferase beinhalten, beinhalten einige eine Chemikalie namens a Photoprotein. Das Photoprotein verbindet sich mit Luciferinen und Sauerstoff, zusammen mit einem anderen Wirkstoff wie KalziumIon, um Licht zu erzeugen.

Das Kristallgelee, eine Art Hydromedusa, die an der Westküste Nordamerikas lebt, verwendet ein Photoprotein namens Aequorin, das durch Kalziumionen aktiviert wird. Das Kalzium erzeugt die Katalyse und ist so schnell, dass es sehr kurze Lichtblitze erzeugt.

Kristallgelee im Monterey Bay Aquarium, Monterey, CA. Quelle: Adam Fagen/Flickr

Andererseits kombinieren Glühwürmchen – vielleicht die berühmtesten biolumineszenten lebenden Organismen – Sauerstoff mit Kalzium, Adenosintriphosphat ATP und Luciferin in Gegenwart von Luciferase, um Licht zu erzeugen. Diese Reaktion findet speziell statt Organe in ihrem Bauch.

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Es gibt auch Bakterien, die Licht emittieren. Diese kommen am häufigsten in der Meeresumwelt vor. Einzellige Lebewesen, die Dinoflagellaten genannt werden, sind planktonische Oberflächenbewohner, die für die Produktion von a verantwortlich sind.funkelnder oder milchiger Effekt auf der Meeresoberfläche.

Milky Seas-Effekt am Dog Beach, San Diego, CA. Quelle: slworking2/Flickr

Biolumineszierende Dinoflagellaten erzeugen Licht durch eine Luciferin-Luciferase-Reaktion. Die in Dinoflagellaten vorkommende Luciferase ist mit der grünen Chemikalie verwandt.Chlorophyll in Pflanzen gefunden.

Der praktische Einsatz von Biolumineszenz

Aber warum strahlen Lebewesen Licht aus? Vielleicht haben Sie gehört, dass Glühwürmchen ihr Licht nutzen, um Partner anzuziehen, aber sie sind nicht die einzigen biolumineszenten Arten, die dies tun. Einige Würmer und winzige Krebstiere ziehen auch auf diese Weise Partner an. MännchenOstrakoden zum Beispiel eigentlich biolumineszierender Schleim erbrechen um ihre Weibchen zu beeindrucken.

Andere Tiere verwenden Biolumineszenz zum Jagen Beute, verteidigen gegen Raubtiers, und führe andere auslebenswichtig Aktivitäten.

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Das Sonnenlicht beleuchtet den Ozean für eine Tiefe von etwa 200 m, bevor es nicht weiter in das Wasser eindringen kann. Diese erste vom Sonnenlicht bedeckte Schicht wird als photische Zone bezeichnet und dort befindet sich der Großteil – etwa 90% derMeereslebewesen bewohnen.

Wenn wir tiefer und tiefer gehen, wird der Ozean immer dunkler. Bald sehen wir viele der verbleibenden Meereslebewesen, die unglaubliche Anpassungen an die permanente, fast vollständige Dunkelheit ihres Lebensraums gezeigt haben. Eine dieser Anpassungen ist die Fähigkeitum Licht zu erzeugen, um ihre Beute anzulocken.

Einige Arten verwenden Biolumineszenz, um Angreifer zu verwirren. Viele Tintenfischarten erschrecken zum Beispiel Raubtiere, indem sie sie blitzen lassen. Der Tintenfisch nutzt die momentane Verwirrung seines Angreifers für eine schnelle Flucht.

Es gibt mehrere Arten – wie den Glühwürmchen-Tintenfisch –, die bakterielle Biolumineszenz zur Gegenbeleuchtung verwenden. Dies ist eine Art aktive Tarnmethode, bei der die Tiere Licht verwenden, um die Helligkeit und die Wellenlängen des Hintergrunds nachzuahmen, um eine Art Tarnung zu erzeugenwirken dort, wo sie sich in ihre Umgebung einfügen.

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Gegenbeleuchtungs-Tarnung des Glühwürmchen-Tintenfisches. Quelle: Ian Alexander/WikimediaCommons

Auf diese Weise bleiben sie unsichtbar oder erscheinen größer oder kleiner als sie tatsächlich sind, verwirren Raubtiere und / oder stellen Fallen für ihre Beute auf. Dies ist am häufigsten in der Mittelwasserzone, wo noch etwas schwaches Licht übrig ist.

Hatchetfish ist ein weiteres Tier, das Gegenbeleuchtung verwendet. Seine lichterzeugenden Organe zeigen nach unten. Durch Anpassen der Lichtmenge, die von seiner Unterseite kommt, kann er die Intensität des von oben kommenden Lichts anpassen, um für alle darunter befindlichen Raubtiere praktisch unsichtbar zu werden.

Biolumineszenz beim Menschen

Eine aktuelle Studie ergab, dass die meisten Tiere tatsächlich etwas Licht aussenden – auch der Mensch. Wir können es nur nicht sehen, weil es 1.000 Mal weniger intensiv ist als das, was wir mit bloßem Auge wahrnehmen können.

In aIn einer Studie des Tohoku Institute of Technology im Jahr 2009 baten Wissenschaftler fünf Freiwillige, in eine lichtdichte Kammer zu kommen und beobachteten sie mit einer hochempfindlichen Kamera, die einzelne Photonen einfangen konnte. Auf diese Weise entdeckten sie, dass die Freiwilligen rhythmisch leuchtetenwährend des Tages.

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Die Lichtemissionen hatten um 16:00 Uhr einen Höhepunkt und nahmen zur Nacht hin ab. Die Wissenschaftler kamen zu dem Schluss, dass das Phänomen mit der inneren Uhr des menschlichen Körpers zusammenhängt. Sie überprüften es, indem sie die Schlafmuster der Freiwilligen störten, was schließlich das Leuchten des Lichts störteZyklus auch.

Die meisten Photonen wurden im Gesicht verteilt, wie in den Bildern unten aus der Originalstudie gezeigt:

Quelle: PlosOne

Wissenschaftler wissen nicht genau, warum dies geschieht, aber die Verbindung mit den zirkadianen Rhythmen des Körpers lässt sie glauben, dass es mit dem Stoffwechsel des Körpers zusammenhängt.

Es ist wahrscheinlich, dass diese Biolumineszenz eine Nebenwirkung von Stoffwechselreaktionen ist, da hochreaktive freie Radikale, die durch die Zellatmung produziert werden, mit frei schwebenden Lipiden und Proteinen interagieren. Die resultierenden "erregten" Moleküle können mit Chemikalien reagieren, die Fluorophore genannt werden, um Photonen zu emittieren.Diese Stoffwechselreaktionen sind nachts weniger häufig oder intensiv, sodass dann weniger Licht emittiert wird.

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Der Forscher Hitoshi Okamura, ein Biologe an der Universität Kyoto, sagt, dass in diesem Fall das Erkennen der Lichtemissionen des menschlichen Körpers eines Tages helfen könnte, medizinische Zustände zu erkennen.

Werden die hochempfindlichen Kameras in Zukunft zu einem Diagnosewerkzeug? Die Zeit wird es zeigen.

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