Wie leuchtende Tiefseefische der Medizin weiterhelfen: Nicht nur Leuchtkäfer, sondern auch viele Fische und Quallen haben ein eigenes Beleuchtungssystem. Im Meer sind diese Bio-Lampen vor allem dazu da, um Feinde hinters Licht zu führen oder Beute anzulocken. Immer mehr Chemiker, Gentechniker und Umwelt-Ingenieure setzen die Biolumineszenz für ihre Zwecke ein.
Fünf Uhr, ein kühler Morgen im Januar. An der sizilianischen Küste zwischen Faro und Ganzirri schlagen die Wellen hart gegen den Strand. Das vom Wind aufgepeitschte Meer schwemmt alte Plastikflaschen und Holzstücke an. Drei Männer trotzen dem Sturm: Es sind Forscher der Université de Louvain bei Brüssel. Mit Taschenlampen suchen sie den Strand nach Leuchtfischen ab, die sonst in den Tiefen der Meere verborgen sind. Eile ist geboten, denn sowie der Tag anbricht, fallen Vögel über das Strandgut her.
Den Belgiern hilft ein Naturphänomen: Bei jeder Springflut sind die Strömungen in der Meeresenge zwischen Sizilien und Kalabrien – der Straße von Messina – so stark, daß die Fische aus der Tiefe nach oben gerissen werden. Bläst außerdem ein starker Südwind, so werden Hunderte dieser bizarren Tiere an den Strand bei Ganzirri getrieben. “Sofort nach dem Fang untersuchen wir die Leuchtorgane in dem nur wenige Kilometer entfernten Institut unserer italienischen Kollegen”, sagt Prof. Fernand Baguet von der Université de Louvain. “Ohne diese ,Scheinwerfer`, die ganz einzigartig aus Stoffwechsel-Energie Licht erzeugen, könnten die Tiere dort unten gar nicht leben.”
Das Reich der ewigen Finsternis – das sogenannte Bathypelagial – ist bezaubernd und furchterregend zugleich. Denn bis hierhin dringt kein Sonnenstrahl, und kein einziges Pflänzchen wächst. Es herrscht absolute Ruhe. Tote Tiere und abgestorbene Algen sinken herab. Um unter diesen rauhen Bedingungen zu leben, besitzen viele Tiefsee- Fische wie der Schuppendrachenfisch ein eigenes Beleuchtungssystem. Die meisten Leuchtorganismen gibt es jedoch in der etwas weniger dunklen Ozeanschicht, dem Mesopelagial, in Tiefen zwischen 200 und 1000 Metern. Hier leuchten rund 90 Prozent aller Lebewesen.
Die Tiefen der Ozeane stecken voller Leben – es blitzt, blinkt und funkelt von allen Seiten: “Verliebte” Fische morsen sich Lichtsignale zu, eine wütende Rippenqualle sprüht ihrem Feind eine lumineszierende Wolke ins Gesicht, ein Tiefsee-Vampir trägt seine Leuchtflekken zur Schau und ein auf der Flucht befindlicher Schlangenstern wirft – um seinen Verfolger zu verwirren – eine leuchtende Tentakel-Spitze ab. Lethargisch zieht dagegen das Tiefseeangler-Weibchen mit weit aufgerissenem Maul durch die ewige Nacht. Ihr Ziel: Mit einer Leuchtkugel an der Angelspitze über dem Kopf will sie kleine Fische, Krebse, Kalamare oder Würmer anlocken. Damit die Tiere gut in der Falle landen, sind ihre Zähne direkt angestrahlt.
Raffiniert ist auch der Silberbeilbauch: An den Seiten und am Bauch ahmen seine Leuchtorgane das diffuse bläuliche Restlicht nach, das gerade noch durch die oberen Wasserschichten dringt. Seine Silhouette verschmilzt dadurch mit dem Hintergrund. “Ein Räuber, der unter ihm schwimmt und nach oben sieht, kann ihn so nicht mehr anhand des Schattens erkennen”, erklärt der britische Meeresbiologe Prof. Peter Herring von der University of Southampton. “Das ist eine sehr geschickte Tarnmethode.”
Nur wer gute Täuschungsmanöver kennt oder spezielle Leuchtköder besitzt, kann in diesen unwirtlichen Ozeanschichten überleben. So hat auch der Zungenkiemer die Biolumineszenz als Überlebensstrategie gewählt: Er ist stolzer Besitzer eines rot leuchtenden “Privat-Senders”, mit dem er heimlich auf einer sonst nicht üblichen Wellenlänge mit seinen Artgenossen kommunizieren kann. Da kaum ein Tiefsee-Bewohner rotes Licht erkennt, setzt er es obendrein noch als Scheinwerfer bei der Futtersuche ein.
Doch nicht alle Tiere dort unten strahlen aus eigener Kraft: Statt selbst Licht zu erzeugen, haben manche Meeresbewohner – wie der Tiefseeangler – ein ganzes Heer von Leuchtbakterien dienstverpflichtet. Die lumineszierenden Bakterien, die zu Millionen bestimmte Zellen, Gewebe oder Organe besiedeln, erhalten im Gegenzug für ihre Arbeit lebenswichtige Nährstoffe. Da diese Mikroorganismen ständig leuchten, kann der Blitzlichtfisch, der des Nachts in den oberen Wasserschichten auf Jagd geht, sein Leuchtorgan schnell mit einer “Jalousie” verdecken: Ist er auf der Flucht, verwirrt er den Angreifer durch Lichtblitze an verschiedenen Orten.
Die Evolution hat in der marinen Welt nicht nur eine bemerkenswerte Vielfalt unterschiedlicher Lichtspiele hervorgebracht, sondern gleichzeitig auch verschiedene Arten von “Lampen”, die mit unterschiedlichen Chemikalien-Cocktails leuchten. Zwar senden alle Biolumineszenz-Systeme aufgrund einer enzymatischen Oxidation Lichtteilchen aus, doch die Struktur der beiden beteiligten Substanzen – das Leuchtmolekül Luciferin sowie das die Lichtreaktion katalysierende Enzym Luciferase – variiert.
So kann allein das Leuchtmolekül aus völlig unterschiedlichen Pyrazin- Derivaten bestehen, die aufgrund ihrer sehr komplex aufgebauten Ringstrukturen stark voneinander abweichen. Aber auch exotische Molekülstrukturen wie ein Sesquiterpen, das ein Gerüst aus 15 Kohlenstoff-Atomen besitzt, kann Licht ins feuchte Naß bringen. Für das aufsehenerregende Meeresleuchten der Dinoflagellaten sind dagegen Luciferine verantwortlich, die mit den Gallenfarbstoffen chemisch verwandt sind.
Auch bei den chemischen “Lichtschaltern”, die Leuchtreaktionen an- und ausknipsen, hat die Natur verschiedene Modelle entworfen: Wie die belgischen Wissenschaftler von der Université de Louvain herausgefunden haben, lassen sich beispielsweise die Lichter des Silberbeilbauchs oder des Viperfischs nur durch den Neurotransmitter Adrenalin anschalten. Die Lichtmaschine anderer Meeresbewohner springt dagegen erst bei einem veränderten Säuregehalt oder bei einer bestimmten Konzentration an Kalzium-Ionen an.
Lumineszierende Lebewesen auf dem Land arbeiten mit nochmals anderen Schaltersystemen: Der Lichtertanz der berühmten Glühwürmchen – tatsächlich gibt es etwa 2000 verschiedene Leuchtkäfer-Arten – kommt nur in Gang, wenn der Energielieferant Adenosintriphosphat (ATP) und eine gewisse Menge an Magnesium-Ionen vorhanden ist.
Je mehr die Forscher die Mechanismen des geheimnisvollen Leuchtens der verschiedenen Organismen im Meer und auf dem Land entschlüsseln, um so besser können Chemiker die biologischen Beleuchtungssysteme nachbauen und für ihre Zwecke einsetzen – etwa zum Nachweis von äußerst geringen Konzentrationen bestimmter biologischer Moleküle.
Solche künstlichen Lumineszenz-Systeme, bei denen eine spezifische Lichtreaktion durch das Andocken an die zu untersuchende Substanz ausgelöst wird, stellen bisherige Verfahren der Spuren-Analytik in den Schatten: Sie sind um einige Zehnerpotenzen empfindlicher als die sogenannten Radio-Immuno-Assays, die auf der Aussendung von ionisierender Strahlung beruhen. “Um beispielsweise Hormone im Blut nachzuweisen, reichen bereits wenige Moleküle aus”, schwärmt der Chemiker Prof. Waldemar Adam von der Universität in Würzburg, der verschiedene Lumineszenz-Sonden herstellt. “Dies ist nicht zu übertreffen.”
Die Mainzer Tumor-Forscher Prof. Wolfgang Müller-Klieser und Dr. Stefan Walenta machen sich die biologischen Lichter zunutze, um bessere Prognosen für den individuellen Krankheitsverlauf von Krebspatienten zu erstellen. Dazu untersuchen sie die Menge und Verteilung von Stoffwechselprodukten wie Laktat in Gewebeproben von Tumoren, die sie vorher mit den Leuchtsubstanzen lumineszierender Bakterien beschichtet haben. Das Prinzip: Da Tumorzellen beim Abbau von Laktat das spezifische “Lichtschalter-Molekül” der Bakterien freisetzen, leuchtet die Probe je nach der Laktat-Konzentration unterschiedlich stark. Nach einer Studie an Tumorgewebe von Gebärmutterhalskrebs wird eine auffällig große Menge an Laktat nur bei bösartigen Tumoren gebildet, bei denen bereits Tochtergeschwulste entstanden sind. Derzeit überprüfen die Mainzer, inwieweit die Methode auch bei anderen Tumorgeweben eine sichere Aussage über den Krankheitsverlauf erlaubt.
Auch Gentechniker arbeiten mit der Biolumineszenz: Das Beleuchtungssystem der Qualle Aequoria victoria und das der Leuchtkäfer ist längst zu einem alltäglichen Handwerkszeug der Forscher geworden. Um mehr Licht ins Dunkel des Genoms bestimmter Pflanzen zu bringen, koppeln sie das Gen des Leucht-Enzyms an das zu untersuchende Pflanzen-Gen: Die dadurch in der Pflanze produzierte Luciferase verrät, wo das Pflanzen-Gen biologisch aktiv wird. Zuvor müssen die Gentechniker allerdings die Pflanze in eine Luciferin-Lösung tauchen, da nur durch das Zusammenspiel von Enzym und Substrat Licht entsteht.
Damit nicht genug: Amerikanische Forscher des Albert Einstein College of Medicine in Bronx setzen das spektakuläre Leuchtphänomen ein, um gefährliche Tuberkulose-Erreger schnell zu identifizieren. Denn mit dem biologischen Licht läßt sich statt in mehreren Wochen bereits in zwei bis drei Tagen herausfinden, gegen welches der vielen Antibiotika die Bakterien noch nicht resistent sind.
Um dies festzustellen, schleusen sie ins Erbgut der Tuberkulose-Erreger wiederum das Gen des Leucht-Enzyms. Anschließend geben sie auf die gentechnisch veränderten Krankheitserreger das noch fehlende Luciferin sowie das zu testende Medikament: Tötet das Antibiotikum die Bakterien nicht ab, bildet sich in ihnen weiterhin der molekulare Lichtschalter Adenosintriphosphat. Das Leuchten der Probe weist also darauf hin, daß die Bakterien noch leben – und das Antibiotikum nicht gewirkt hat. Die US-Forscher hoffen, daß ihr rascher Leuchttest die Zahl der vielen an Tuberkulose sterbenden Menschen, bei denen die Behandlung zu spät begonnen hat, in Zukunft drastisch reduziert.
Die faszinierenden Lichtfabriken der Natur haben die Phantasie der Forscher geradezu beflügelt. So züchtet der britische Gentechniker Prof. Anthony Trewavas von der University of Edinburgh mit einem aus Quallen isolierten Gen manipulierten Tabak, der bei mechanischem Streß – etwa durch Wind – zu leuchten beginnt.
Der Trick: Da Quallen Kalzium als Lichtschalter benötigen und Tabakpflanzen bei mechanischer Belastung erhöhte Mengen davon ausstoßen, läßt sich mit dem neuen Streß-Indikator problemlos herausfinden, wie Wind die Chemie in den Zellen der Pflanzen beeinflußt – und wie sich dies später auf das Wachstum der Pflanzen auswirkt. Mit der Leuchtmethode läßt sich außerdem ein Kälteschock oder Schädlingsbefall feststellen.
Auch zur Kontrolle der Wassergüte sind die “Bio-Lampen” nützlich. Umwelt-Ingenieure benutzen häufig das Bakterium Vibrio fischeri, das normalerweise im Gewebe des nachtaktiven Tintenfischs Euprymna scolopes strahlt: Ist das Wasser in einer Kläranlage stark mit Schadstoffen belastet, vermindert sich die Leuchtkraft des Bakteriums. “Dank der leuchtenden Mikroorganismen läßt sich die Wirkung aller Chemikalien im Abwasser schnell und kostengünstig auf einmal erfassen”, sagt der Ingenieur Lothar Vigelahn vom Institut für Hygiene an der TU Berlin.
Ob Leuchtbakterien, Leuchtgene oder künstliche Leuchtsysteme – immer häufiger erstrahlen die Lichtfabriken der Natur in einer fremden Umgebung. Während die originellen Beleuchtungssysteme neues Licht in die Labors der Medizin- und Gentechnik sowie der Umweltanalytik bringen, sind sie in den Tiefen der Ozeane dazu da, um Beute anzulocken, Sexualpartner zu beeindrucken oder Feinde hinters Licht zu führen.
“Die Tiefsee ist ein leuchtendes Minenfeld, in dem überall Gefahr lauert”, beschreibt Prof. Fernand Baguet die für Forscher nur schwer zugängliche Sphäre. “Die biologischen Lichter sind eine geniale Erfindung der Natur, deren Perfektion auch in der heutigen High-Tech-Welt nicht nachzuahmen ist.”
Wie Lebewesen Licht erzeugen
Um sich in den Tiefen der Meere bemerkbar zu machen, haben einige Tiere die Fähigkeit zur Biolumineszenz: In 200 bis 1000 Meter Tiefe leuchten sogar fast 90 Prozent der Lebewesen.
Mit einer sehr hohen Lichtausbeute erzeugen sie aus chemischer Energie Licht. Der Leuchtvorgang selbst ist eine katalytische Oxidation unter Verbrauch von Leuchtstoff (Luciferin), bei der überschüssige Energie nahezu vollständig in Form von Licht abgegeben wird. Dieser Prozeß läuft in speziellen Zellen, Geweben oder Organen ab. Manche Leuchtorgane sind so raffiniert gebaut, daß sie sogar eine Reflektorschicht aus Guanin- und Uratkristallen sowie eine Linse besitzen. Andere Organismen sind mit spektakulären Leuchtdrüsen ausgestattet, die einen lumineszierenden Schleim zur Abschreckung ihrer Feinde absondern.
Nicht alle Tiere sind selbstleuchtend wie der Viperfisch oder der Silberbeilbauch: Einige Ozean-Bewohner, darunter der Tiefseeangler, beherbergen statt dessen leuchtende Bakterien. Für das berühmte Meeresleuchten sind zumeist Dinoflagellaten verantwortlich.
Auch an Land besitzen manche Lebewesen die Fähigkeit zu leuchten: Hundert- und Tausendfüßer, Gürtelwürmer, Schnecken und der berühmte Leuchtkäfer (das “Glühwürmchen”) können Licht ausstrahlen.
Barbara Reye
