Biolumineszenz. Warum Glühwürmchen leuchten

Inhaltsverzeichnis

Abstract

1 Vorwort

2 Einleitung

3 Biolumineszenz
3.1 Definition
3.2 Entstehung
3.3 Formen der Biolumineszenz

4 Chemische Grundlagen
4.1 Firefly-Luciferin

5 Vorkommeninder Natur
5.1 Funktionen von Biolumineszenz
5.2 Insekten
5.3 Dinoflagellaten
5.4 Leuchtbakterien
5.5 Fische
5.6 Kopffüßer (Cephalopoden)
5.7 Pilze
5.8 Weitere lumineszierende Lebewesen

6 Praktische Anwendungsgebiete

7 Experimentalteil
7.1 Aliivibrio fischeri in eine Reinkultur bringen
7.2 Blut als leuchtendes Indiz
7.3 Chemolumineszenz Luminol

8 Fazit

Literatur

Abstract

Biolumineszenz ist ein Phänomen, das die Menschen seit der Antike begeistert. „Schon Aristoteles hat sich mit leuchtenden Organismen beschäftigt und dazu das Buch "De anima"(Das Leuchten) geschrieben.¹ “ Das Ziel dieser Vorwissenschaftlichen Arbeit ist es, einen Einblick in die Welt der Glühwürmchen und vieler anderer leuchtenden Le-bewesen zu geben. Im theoretischen Teil der Arbeit werden allgemeine Fakten zum Thema genannt, chemische Reaktionsmechanismen bei Glühwürmchen genauer be-leuchtet und bekannte lumineszierende Lebewesen aufgelistet.

Zum Thema wurden außerdem drei Versuche durchgeführt, welche im experimentel-len Teil protokolliert sind. Es wurden Leuchtbakterien von einem Hering isoliert, in eine Reinkultur gebracht und unter dem Mikroskop betrachtet, Blut mit dem Prinzi-pien der Chemolumineszenz nachgewiesen und eine Lösung aus Luminol und Natri-umperoxid zum Leuchten gebracht.

Abbildungsverzeichnis

4.1 Detaillierter Mechanismus der Firefly-Biolumineszenz. Branchini

4.2 Strukturen zur Veranschaulichung Biolumineszenzreaktion bei Glühwürm-chen. Branchini

7.1 Drei grüne Heringe auf Eis gekühlt

7.2 Nährboden mit Bakterienkultur bei Licht

7.3 Hering mit deutlich sichtbaren, bläulichen Leuchtbakterien, bei 25s Be-lichtungszeit aufgenommen. Gemeint sind die leuchtenden Punkte in der Bildmitte

7.4 Vibrio fischeri unter dem Mikroskop. Beispielhaft ist im Bild ein Bakte-rium rot eingekreist. Die Größe eines Bakteriums beträgt ungefähr 5 µ m

7.5 Petrischale mit Nährboden, in der man deutlich bläulich leuchtende Bak-terien erkennen kann. Fotografiert wurde mithilfe der App „Slow Shut-ter“und einer Belichtungszeit von 25s

7.6 Blut auf Küchenrolle wurde durch eine Mischung aus Natriumperoxid und Luminol zum Leuchten gebracht

7.7 Eine Lösung aus Natriumperoxid und Luminol wurde durch Zugabe von Blut zum Leuchten gebracht

7.8 Reaktion von Luminol in alkalischer Lösung. Groß

7.9 Eine Lösung aus Luminol, Natronlauge und Wasserstoffperoxid wurde durch Zugabe von Kaliumhexacyanoferrat(III) zum Leuchten gebracht

7.10 Eine Lösung aus Natriumperoxid, Luminol und Kaliumhexacyanofer-rat(III) wird durch Zugabe von Natronlauge, nachdem die Lumines-zenzreaktion bereits abgelaufen ist, wieder zum Leuchten gebracht

7.11 Reaktionsgleichung von Luminol mit Natronlauge und Wasserstoffper-oxid, katalysiert durch Kaliumhexacyanoferrat(III). Seidel

7.12 Die beiden Stickstoffatome werden durch OH- deprotonisiert. Seidel

7.13 Die beiden Stickstoffatome werden oxidiert und geben jeweils ein Elek-tron her. Zwischen ihnen bildet sich eine Doppelbindung. Seidel

7.14 Ein Sauerstoffmolekül bindet sich an negativen Kohlenstoff. Seidel

7.15 Fe+ katalysiert die Reaktion, wobei sich ein instabiler Ring bildet. Seidel

7.16 Das instabile Molekül wird zu einem elektrisch angeregten 3-Aminophthalat-Dianion. Seidel

1 Vorwort

Gerne beobachte ich an Sommerabenden die Glühwürmchen im Garten, wie sie auf Beute- oder Partnersuche gehen. Deshalb habe ich beschlossen, mich genauer mit dem Thema „Biolumineszenz“ zu beschäftigen und meine vorwissenschaftliche Arbeit dar-über zu schreiben.

Zunächst möchte ich mich herzlich bei meinem Betreuungslehrer Mag. Severin Holz-leitner und bei meinem Chemielehrer Mag. Bernhard Ellmauthaler für die tatkräftige Unterstützung bedanken. Ein weiterer Dank gilt dem Begründer des „Mikrobiologi-schen Gartens“ Professor Heribert Cypionika, der mir bei meinem Versuch mit Alii-vibrio fischeri mit hilfreichen Tipps zur Seite stand. Außerdem möchte ich mich beim Ars Electronica Center Linz und bei Frau Mag. Blauensteiner von der HTL für Lebens-mitteltechnologie in Wels für das Benutzen der Mikroskope zur Untersuchung von Aliivibrio fischeri bedanken. Zu guter Letzt möchte ich mich bei meiner Familie be-danken, da ein großer Teil der Versuche in unserer Küche stattfinden konnte.

2 Einleitung

Egal ob es ein Glühwürmchen an einem lauen Sommerabend oder das spektakuläre Meeresleuchten auf den Malediven ist - es fasziniert die Menschen seit Jahrtausenden und birgt auch noch das ein oder andere ungelüftete Geheimnis. Das Phänomen, dass Tiere, Bakterien und Pilze Licht erzeugen können, nennt man Biolumineszenz und ist das Thema dieser Vorwissenschaftlichen Arbeit.

Das Ziel dieser Arbeit ist es, bereits vorhandenes Wissen über Biolumineszenz zusam-menzutragen, dieses zur Beantwortung der Leitfragen zu verwenden und anhand von drei Versuchen nachzuvollziehen. Dies gelang durch umfangreiche Recherchen im In­ternet sowie in der Landesbibliothek Linz, doch auch die Durchführung der Versuche hat einen wichtigen Teil zum Verständnis dieses Themas beigetragen. Die wesentliche Frage dieser Vorwissenschaftliche Arbeit ist, warum Glühwürmchen, und viele ande-re Organismen leuchten. Diese Frage bezieht sich sowohl auf die biologische Funktion von Biolumineszenz, als auch auf den chemischen Reaktionsmechanismus dahinter. Weitere Leitfragen sind, in welchen verschiedenen Formen Biolumineszenz auftreten kann, wo sie vorkommt, und welche verschiedenen Arten von Luciferin bekannt sind. Ein weiterer Teil dieser Arbeit ist die Beantwortung der Frage, wie Biolumineszenz heutzutage vom Menschen in Form von Chemolumineszenz eingesetzt wird.

Mit der Frage, wie Biolumineszenz evolutionär entstand und wozu sie von verschie-denen Lebewesen verwendet wird, hat sich Armin Hallmann im Journal „Praxis der Naturwissenschaften in der Schule“ 2011 beschäftigt. Er listet bekannte Vertreter auf und zeigt umfassend, wie diese sich durch Biolumineszenz einen Vorteil verschaffen können. Rüdiger Haderland hat sich in seinem Artikel „Biolumineszenz - Naturphäno-men und Grundlage moderner Werkzeuge“² in der Zeitschrift „Biospektrum Spezial“ intensiv damit beschäftigt wie und in welchen Bereichen der modernen Wissenschaft Biolumineszenz angewendet wird. Eine weitere wichtige Quelle ist die Arbeit von Bru­ce Branchini mit dem Titel „Chemistry of Firefly Bioluminescence“³, in welcher er den Reaktionsmechanismus der Biolumineszenz bei Glühwürmchen genau beschreibt.

Diese Vorwissenschaftliche Arbeit besteht aus einem theoretischen Teil mit vier Kapi-tel und einem Experimentalteil mit drei Versuchsprotokollen. Im ersten Teil wird der Begriff Biolumineszenz definiert, sowie Fakten zur Entstehung und zu den verschiede-nen Formen von Biolumineszenz genannt. Darauf folgen die chemischen Grundlagen mit genauerer Betrachtung der Lumineszenz-Reaktion bei Glühwürmchen. Im nächs-ten Kapitel werden die Funktionen von Biolumineszenz erklärt und die wichtigsten lumineszierenden Lebewesen aufgelistet. Zum Schluss wird gezeigt, wie Biolumines-zenz heutzutage von Menschen genutzt wird.

Der Experimentalteil ist aufgebaut aus drei Versuchsprotokollen und beinhaltet Fotos zur Veranschaulichung der Ergebnisse. Der Versuch „Aliivibrio fischeri in eine Rein-kultur bringen“ beschreibt, wie die Leuchtbakterien eines frischen Herings isoliert und auf einem Nährboden kultiviert werden können. Zwei Rezepte für die Nährböden be-finden sich ebenfalls im Protokoll. Der nächste Versuch trägt den Titel „Blut als leuch-tendes Indiz“. Er zeigt, wie bei der Kriminalpolizei der Nachweis von Blutspuren am Tatort funktioniert und erklärt die chemischen Reaktionsmechanismen dahinter. Der letzte Versuch veranschaulicht, dass nicht gezwungenermaßen das Hämoglobin im In: PdN Biologie 60 (Jan. 2011), S. 4–11 Rüdiger Hardeland. “Biolumineszenz - Naturphänomen und Grundlage moderner Werkzeuge”.

In: Biospektrum Spezial (2000), S. 223–226 Bruce Branchini. “Chemistry of Firefly Bioluminescence”. In: Department of Chemistry, Connecticut College (2013) Blut, sondern das darin gebundene Eisen der entscheidende Bestandteil dieser Reakti-on ist.

3 Biolumineszenz

3.1 Definition

„Biolumineszenz w [von bio –, latein. luminare = leuchten], biologische Lichterzeugung, Aus-strahlung von sichtbarem Licht ohne Temperaturänderung (sog. "kaltes Leuchten") durch le-bende Organismen (Leuchtorganismen).“

„Bei dem Vorgang der Biolumineszenz wandelt ein Lebewesen chemische Energie durch Oxidation in Licht um. Die Oxidation verbraucht Leuchtstoffe (Luciferine) und wird katalysiert durch Leuchtenzyme (Luciferasen). Die dadurch entstandene elektro-nische Anregungsenergie wird sichtbar in Form von Licht, wenn die angeregten Va-lenzelektronen in den Grundzustand zurückkehren.

Biolumineszenz kommt sowohl bei Land- und Meerestieren als auch bei Pilzen und Bakterien sehr häufig vor. Beispiele dafür sind verschiedene Leuchtbakterien, Proto-zoen, Pilze, Leuchtkäfer, Hundert-und Tausendfüßer, Gürtelwürmer und Schnecken. Der einzige Unterschied dieser Biolumineszenzsysteme besteht in der Art der Leucht-enzyme.“

Heidelberg Spektrum Akademischer Verlag. Biolumineszenz. Eingesehen am 03.09.2019. URL: https:

3.2 Entstehung

„Die ersten Biolumineszenz-Reaktionen fanden vor etwa 2,5 Milliarden Jahren statt, um die Konzentration an freiem Sauerstoff in der Erdatmosphäre zu verringern. Dieser war für viele Organismen allerdings ein Zellgift, das mittels Oxidation bei der Biolumi-neszenz vernichtet werden konnte. Das Leuchten war hierbei nur ein Nebenprodukt. Notwendig wurde der Verbrauch von atmosphärischem Sauerstoff, da Cyanobakteri-en begannen, Fotosynthese zu betreiben und somit Sauerstoff als Abfallprodukt pro-duzierten.“

3.3 Formen der Biolumineszenz

„Man unterscheidet zwischen primärer Biolumineszenz (Selbstleuchten) und sekun-därer Biolumineszenz (Fremdleuchten). ⁴ “

3.3.1 Prim ä re Biolumineszenz

„Entsteht das Leuchten in Leuchtzellen in speziellen Leuchtgranula, in Leuchtgewe-ben (Fettkörper von Insekten) oder in Leuchtorganen, so wird dies intrazelluläre Bio-lumineszenz genannt. Leuchtorgane können sehr komplex aus Reflektorschicht, einer Linse und manchmal Lidern aufgebaut sein. Im Unterschied dazu produzieren ande-re Lebewesen in Leuchtdrüsen einen leuchtenden Schleim und geben diesen an ihre Umgebung ab (extrazelluläre Biolumineszenz).“

„Beispiele dafür sind Muscheln, Cephalopoden, Polychaeten, niedere Krebse, Tiefsee-garnelen und Knochenfische.“

3.3.2 Sekund ä re Biolumineszenz

„Sekundäre Biolumineszenz entsteht durch die Symbiose eines Lebewesens (Cepha-lopoden und Fische) mit lumineszierenden Bakterien, welche nur in Salzwasser vor-kommen. Sie leben meist in drüsenartigen Gebilden oder in sack- bzw röhrenartigen Strukturen in sogenannten bakteriellen Leuchtorganen. Obwohl die Bakterien konti-nuierlich Licht aussenden, können die Tiere die austretende Lichtmenge durch Verde-cken oder eine verstärkende Reflektorschicht beeinflussen.“

4 Chemische Grundlagen

„Biochemisch handelt es sich bei dem Leuchtvorgang um eine durch Leuchtenzyme (Lucifera-sen) katalysierte Oxidation unter Verbrauch von Leuchtstoffen (Luciferine oder ein langketti-ger aliphatischer Aldehyd), wobei chemische Energie direkt in elektronische Anregungsenergie (Anregung) umgewandelt wird, die in Form von sichtbarem Licht ausgestrahlt werden kann, wenn die Valenzelektronen in den Grundzustand zurückkehren.“

„Das Enzym Luciferase ist eine Kinase und katalysiert die Oxidation von Luciferin zu Oxyluciferin. Vor Beginn der Reaktion aktiviert die Luciferase das Lucifierin durch Phosphorylierung, was zur Oxidation des entstandenen Konjugats führt. Dieses sehr reaktive Zwischenprodukt spaltet CO2 ab und es entsteht energetisch angeregtes Oxy-luciferin. Fällt dieses in den Grundzustand zurück, emittiert es Licht mit der Energie aus der Differenz der beiden Zustände.⁵ “

4.1 Firefly-Luciferin

„Zuerst wird D-Luciferin(LH2) von der Luciferase in enzymgebundenes Luciferyl-Adenylat (D-LH2-AMP) umgewandelt, welches dann mit Sauerstoff reagiert und eine Lichtemission erzeugt. Das synthetisch hergestellte D-LH2-AMP ist identisch zu na-türlichem D-Luciferin und Mg-ATP.

Im Folgenden wird der chemische Reaktionsmechanismus von Firefly-Biolumineszenz, wie in Abbildung 4.1 gezeigt, genauer erklärt. Reaktion a stellt die Umwandlung von LH2 zu Luciferyl-AMP durch die Luciferase, katalysiert durch ATP-Mg dar. An-schließend wird in Schritt b von der Luciferase ein Proton des C-4-Kohlenstoff auf-genommen. In Schritt c kommt Sauerstoff ins Spiel, denn dieser wird an das Molekül gebunden. Daraus entsteht in Schritt d ein hochreaktives Dioxeton-Zwischenprodukt, welches zusätzlich eine schwache Peroxidbindung enthält. Durch die Spaltung der Peroxidbindung und der Abspaltung von CO2 in Schritt e wird genügend Energie frei-gesetzt, um sichtbares Licht zu erzeugen (elektrisch angeregtes Oxyluciferin). Aus der nun entstandenen Ketoform entsteht bei pH 6 rotes Licht mit λ max 615 nm. Durch Tautomerie⁶ entsteht die Enolat-Dianion-Form des Oxyluciferin, welche bei pH8 gelb-grünes Licht emittiert. Doch auch die Luciferase kann für die verschiedenen Farben des Lichts verantwortlich sein, weil sie die resonanzbedingte Ladungsdelokalisierung verändern kann. ⁷.“

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 4.2: Strukturen zur Veranschaulichung Biolumineszenzreaktion bei Glüh-würmchen. Branchini

5 Vorkommen in der Natur

5.1 Funktionen von Biolumineszenz

„Zum Großteil ist die Funktion von Biolumineszenz noch unbekannt. Bekannt ist, dass sie beispielsweise der Erkennung von Artgenossen, der Anlockung von Sexualpart-nern (Glühwürmchen), dem Aufspüren und Anlocken von Beute (Anglerfische) oder der Abschreckung von Feinden dient.“

5.1.1 Defensive Zielsetzung

„Wird die Emission von Licht zur defensiven Zielsetzung genutzt, werden Angreifer durch Licht oder die Absonderung leuchtender Partikel verwirrt und verscheucht. Das Wasser wird vernebelt, wodurch es dem Feind deutlich erschwert wird, seine Beute zu finden. Außerdem lässt Licht viele Beutetiere für ihre Fressfeinde bedrohlich wirken und kann darüber hinaus andere Artgenossen vor Gefahr warnen. Ein weiterer Grund für Meerestiere, Biolumineszenz zu betreiben, ist die Tarnung. Aus der Tiefe von unten betrachtet kann man nicht beleuchtete Fische sehr gut erkennen, da sie sich deutlich vom hellen Hintergrund der Wasseroberfläche abheben. Deshalb nutzen sie Gegenil-lumination zur Tarnung und beleuchten ihre Unterseite.“

5.1.2 Offensive Strategien

„Hierbei wird ein Wirt oder Beutetier durch Licht gefunden, angelockt und verwirrt. Ein bekanntes Beispiel hierfür wäre der Anglerfisch.“

5.1.3 Paarungsstrategien

„Durch Leuchtsignale werden Paarungspartner angelockt. Da das Leuchten artspezi-fisch ist, wird darüber hinaus gewährleistet, dass sich nur Genossen einer Art paaren.

5.2 Insekten

„Zu den bekanntesten Vertretern von biolumineszenten Insekten zählen Leuchtkäfer, auch Glühwürmchen (Lampyridae) genannt. Biolumineszenz dient bei Leuchtkäfern meist der Partnersuche, wobei großteils Weibchen die Männchen anlocken. Hierbei ist nicht nur die Anordnung der Leuchtorgane am Hinterleib, sondern auch die Art des Leuchtens artspezifisch. Einige Arten leuchten durchgehend, andere wiederum geben Blinksignale, wobei Rhythmus und Länge signifikant sind. Bei manchen Arten passen sich die Signale aller Tiere im Umkreis aneinander an und blinken im gleichen Rhyth-mus. Auch bei Leuchtkäfern wird Biolumineszenz vereinzelt zum Anlocken von Beute genutzt. Weibchen der Gattung Photuris geben sich durch Nachahmung der artspezi-fischen Blinksignale als Weibchen anderer Arten aus und locken somit die zugehöri-gen Männchen an, welche dann aufgefressen werden. Weitere Beispiele für leuchtende In: PdN Biologie 60 (Jan. 2011), S. 4–11 Armin Hallmann. “Lumineszenz - Coole Leuchterscheinungen in der Biologie und anderswo”.

In: PdN Biologie 60 (Jan. 2011), S. 4–11 Insekten sind Arten der Familien Federleuchtkäfer, Laufkäfer, Schnelllaufkäfer und Prachtkäfer.“

5.3 Dinoflagellaten

„Das nächtliche Meeresleuchten an der Oberfläche warmer Meere entsteht durch ei-ne hohe Dichte an Dinoflagellaten. Angeregt durch mechanische Reize (z.B.: Brechen der Wellen) schicken sie blaugrüne Lichtblitze aus, die nachts 60- bis 100-fach heller sind als am Tag. Dieser Rhythmus ist von einer inneren Uhr gesteuert und verringert somit den Energieverbrauch eines Lebewesens. Dinoflagellaten besitzen Scintillons, in welchen Dinoflagellaten-Luciferase die Oxidation von Dinoflagellaten-Luciferin (li-neares Tetrapyrol) mit Sauerstoff katalysiert. Wahrscheinlich ist die Verteidigung der Grund wieso Dinoflagellaten Biolumineszenz betreiben. Sie können mit den Lichtblit-zen Fressfeinde abschrecken oder locken damit Fressfeinde ihrer eigenen Fressfeinde an.“

5.4 Leuchtbakterien

„Leuchtbakterien kommen hauptsächlich in Salzwasser vor, können sich durch Gei-ßeln fortbewegen, sind gram-negativ und fakultativ anaerob. Unter anaeroben Bedin-gungen betreiben die meisten Leuchtbakterien Ameisensäuregärung oder gemischte Säuregärung. Dabei entstehen zum Beispiel Formiat, Acetat, Lactat, Succinat, Alkohol, Kohlendioxid und Acetoin.

[...]

¹ vgl. Armin Hallmann. “Lumineszenz - Coole Leuchterscheinungen in der Biologie und anderswo”.

² vgl. Heidelberg Spektrum Akademischer Verlag. Biolumineszenz. Eingesehen am 03.09.2019. URL: htt ps://www.spektrum.de/lexikon/biologie/biolumineszenz/8709

³ vgl. Armin Hallmann. “Lumineszenz - Coole Leuchterscheinungen in der Biologie und anderswo”.

⁴ „Zur Stabilisierung von Molekülen überlappt ein p-Orbital mit einem anderen über eine σ -Bindung. vgl. Konjugation (Chemie). Eingesehen am 05.02.2020. URL: https://flexikon.doccheck.com/de/ Konjugation_(Chemie)“

⁵ vgl. Stefan Schramm. Biolumineszenz - Das Leuchten der Natur verstehen. Eingesehen am 11.01.2020. URL: https://www.git-labor.de/forschung/chemie-physik/biolumineszenz-das-leuchten-der-natur-verstehen

⁶ Tautomere sind durch Wanderung einzelner Atome oder Atomgruppen entstandene Isomere (in die-sem Fall wandert ein H). vgl. Wikipedia. Tautomerie — Wikipedia, Die freie Enzyklopädie. Eingesehen am 5. 02. 2020. 2019. URL: https://de.wikipedia.org/w/index.php?title=Tautomerie&oldid= 193852827

⁷ vgl. Bruce Branchini. “Chemistry of Firefly Bioluminescence”. In: Department of Chemistry, Connecticut College (2013)