Eine Facharbeit von Frederike L. und Tom S. für den MSA.

Problemfrage:

Sind Stoffe der Biolumineszenz geeignet, um daraus alternative Lichtquellen herzustellen?

Einleitung

1 Wir und die Biolumineszenz

1.1 Warum wollen wir die Lumineszenz als alternative Lichtquelle nutzen?

2 Bei welchen Lebewesen kommt die Biolumineszenz vor?

2.1 Gibt es in Deutschland Lebewesen, die die Biolumineszenz verwenden können?

2.2 Benötigen Tiere und/oder Pflanzen einen spezifischen Körperbau, um die Biolumineszenz verwenden zu können?

2.3 Glühwürmchen – Ab wann beginnt der „Leuchtprozess“

3 Vorkommen und Zweck

4 Welche chemischen Stoffe werden bei der Biolumineszenz freigesetzt?

4.1 Sind die freigesetzten Stoffe gefährlich?

4.2 Könnte man diese Stoffe zur alternativen Lichtgewinnung gefahrlos verwenden?

4.3 Wäre es möglich, mit diesen Chemikalien andere Lebewesen zum "Leuchten" zu bringen?

5 Anwendungen und Fakten der Biolumineszenz

5.1 Beleuchtung für Straßenzüge?

5.2 Anwendung der Biolumineszenz

5.3 Leuchtende Köder

6 Unser Fazit

6.1 Ist dies nun eine alternative Lichtquelle?

1 Wir und die Biolumineszenz

Für unsere MSA- Präsentationsprüfung wählten wir das Thema Biolumineszenz.

Auf dieses Thema wurden wir schon vor einigen Jahren aufmerksam, als Frederike im Fernsehen einen Dokumentationsfilm über das Leben in der Tiefsee sah.

Wir hatten uns zwar für das Thema interessiert, aber zum damaligen Zeitpunkt noch nicht den richtigen Antrieb gehabt, uns näher mit der Thematik auseinander zu setzen.

1.1 Warum wollen wir die Lumineszenz als alternative Lichtquelle nutzen?

Zu unserer Problemfrage, ob man mit Hilfe der Stoffe der Biolumineszenz alternative Lichtquellen herstellen kann, kamen wir durch die Inspiration unserer Erdkunde- Lehrerin, die im Rahmen ihres Unterrichts auf globale Probleme hinwies.

Ein großes Problem ist z.B. die Stromgewinnung.

Könnte man also diese Stoffe nutzen, könnte man mit deren Hilfe auf lange Sicht den Stromverbrauch der Welt drastisch reduzieren.

Der Grundgedanke ist, dass man den Leuchtstoff oder die Bakterien als Lichtquellen nutzen könnte. Man hätte eine effiziente kalte Lichtquelle und keine Energie würde in Form von Wärme verloren gehen.

2. Bei welchen Lebewesen kommt die Biolumineszenz vor?

Bei so gut wie allen Gruppen von Organismen findet man unter anderem biolumineszierende Vertreter. Die Biolumineszenz ist nicht nur bei Tieren, sondern auch bei Pilzen, Einzellern und Bakterien vorhanden. Zu den bereits erforschten Tierarten, die die Biolumineszenz verwenden können, gehören u.a. der Leuchtkäfer, der Laternenfisch, die Glühwürmchen und auch Springschwänze.

Stark verbreitet ist die Lumineszenz in den Meerestiefen. Etwa 90% der Tiefseeorganismen können die Lumineszenz verwenden. Natürlich kommen Tierarten nicht nur in der Tiefsee vor, sondern auch in Küstengewässern, dort sind biolumineszierende Lebewesen aber nur zu ca. 5% vertreten.

Es gibt den Laternenfisch, den Vampirtintenfisch, die Wunderlampen, Leuchtkrebse, Leuchtquallen im Helgoländer Felswatt und natürlich auch Korallen. Wie ich vorhin bereits erwähnte, gibt es auch Pilze, die die Lumineszenz verwenden. Von mehr als 100.000 untersuchten Pilzarten sind bisher nur etwa 71 Arten fähig, die Lumineszenz zu nutzen. Zu diesen Pilzarten gehören der Hallimasch und der Leuchtende Ölbaumpilz.

Im Bereich der Ozeane kann man das sogenannte Meeresleuchten beobachten. Dieses wird durch Plankton, z.B. Dinoflagellaten, hervorgerufen. Hierbei handelt es sich um einzellige Lebewesen. Bei Strömungsveränderungen reagieren sie mit der Aussendung von Licht.

Im Meerwasser gibt es auch einige freilebende Leuchtbakterien. Diese sind auch auf Lebensmitteln wie Fisch, Fleisch und Eiern vorhanden. Zu diesen Leuchtbakterien gehören zum Beispiel die Vibrio fischeri und die Photobacterium. Das Bakterium Vibrio fischeri vermehrt sich hauptsächlich auf toten Salzwasserfischen. Wenn man einen toten, frischen Salzhering eine Zeit lang kühlt, leuchten die Bakterien auf dem Fisch. Diese Veränderung ist aber nur im Dunkeln zu beobachten.

2.1 Gibt es in Deutschland Lebewesen, die die Biolumineszenz verwenden können?

Momentan ist das bekannteste Tier, das die Biolumineszenz in Deutschland verwenden kann, das Glühwürmchen, auch bekannt unter dem Namen Leuchtkäfer. Der Leuchtkäfer ist die einzige Art in Deutschland, die gleichzeitig fliegen und leuchten kann. Alle weiblichen Leuchtkäfer sind flugunfähig und nur bei den großen Leuchtkäfern zeigen die Weibchen ein deutlich sichtbares Leuchten. Es gibt in Deutschland drei Arten von Leuchtkäfern: den kleinen Leuchtkäfer (Lamprohiza splendidula), den großen Leuchtkäfer (Lampyris noctiluca) und letztendlich noch den Kurzflügel Leuchtkäfer (Phosphaenushemipterus).

2.2 Benötigen Tiere und/oder Pflanzen einen spezifischen Körperbau um die Biolumineszenz verwenden zu können?

Es gibt zwei Arten der Biolumineszenz: das primäre und das sekundäre Leuchten. Das primäre Leuchten bedeutet, dass der Organismus das Leuchten der Lumineszenz selber erzeugt. Als sekundäre Leuchten wird aber bezeichnet, wenn ein Organismus eine Symbiose mit anderen Lebewesen eingeht, z.B. mit Leuchtbakterien. Diese Leuchtbakterien besitzen die Fähigkeit zum primären Leuchten. Es kommt vor, dass Tiere eine Symbiose mit Leuchtbakterien eingehen, aber das nur, wenn für beide Seiten aus dieser Verbindung Vorteile entstehen. Die Bakterien werden bei dieser Verbindung von dem Wirt (dem Tier) mit Nahrung und Sauerstoff versorgt und diese Bakterien leben in speziellen Hauttaschen und/oder Körperpartien.

2.3 Glühwürmchen – Ab wann beginnt der „Leuchtprozess“?

Der Leuchtprozess bei den Glühwürmchen (Leuchtkäfer) beginnt bereits bevor sie aus dem Ei schlüpfen. Wenn die Larven dann auf "Schneckenjagd" gehen, leuchten sie bereits schwach. Warum diese Larven bereits leuchten, weiß bis heute niemand. Das Leuchtorgan eines ausgewachsenen Leuchtkäfers, welches sich am Hinterleib befindet, ist nicht für die Taschenlampenfunktion geeignet.

Die Larven wandeln sich nach mehreren Häutungen über das Puppenstadium in Leuchtkäfer um. Die Bezeichnung "Würmchen" wird auf das Aussehen der Weibchen zurückgeführt, denn die Weibchen haben nämlich entweder gar keine Flügel, oder Sie haben nur Stummelflügel. Die Weibchen haben die Leuchtorgane der Larven nicht übernommen, sondern haben neue gebildet.

Das Leuchtorgan besteht aus 3 Schichten: in der mittleren Schicht aus Leuchtzellen wird das Licht erzeugt. Das Licht tritt durch die äußere, durchsichtige Haut aus und durch die innere Zellschicht, die mit Salzkristallen vollgepackt ist, wird das Licht nach außen reflektiert.

Die Weibchen schalten in Sommernächten Ihre Lichter etwa drei Stunden an. Somit entsteht ein kontinuierlich leuchtendes Muster aus Flecken und Balken, die umherfliegende Männchen anlocken. Eine amerikanische Art der Leuchtkäfer erkennt sich an Blinkzeichen, deren Rhythmus von Art zu Art anders ist. Das tägliche Einschalten des Leuchtorgans bei Einbruch der Dunkelheit steuert eine innere Uhr.

3. Vorkommen und Zweck

Bereits in einer Tiefe von 268,22m kann zum ersten mal biolumineszierende Tiere sehen. Ab 850 m, wo auch die Tiefsee beginnt, werden es dann immer mehr biolumineszierende Lebewesen. Die Biolumineszenz kann man nicht nur in der Tiefsee beobachten, sondern auch an Land. Es gibt verschiedene Lebewesen, die Biolumineszenz nutzen können.

Pflanzen gehören nicht dazu. Pilze, welche nicht zu den Pflanzen gehören, besitzen die Fähigkeit primär, also selbst, zu leuchten.

Glühwürmchen, auch Leuchtkäfer genannt, nutzen ihr Leuchten hauptsächlich zur Kommunikation oder zur Partnersuche.

4. Welche bestimmten chemischen Stoffe werden bei der Biolumineszenz freigesetzt?

Für chemische Biolumineszenz sind verschiedene Komponenten erforderlich. Das Licht entsteht durch eine chemische Reaktion. Man benötigt ein Luciferin ( Leuchtstoff ) und eine Luciferase ( Enzym ). Beide sind von Lebewesen zu Lebewesen verschieden. Das Luciferin, z.B. Coelenterazin, oxidiert mit Hilfe einer Luciferase, in dem Fall Aequorin, mit Luftsauerstoff und zerfällt hier zu Coelenteramid. Die dabei entstandene Energie wird in Form von Licht frei. Da jedes Lebewesen, das Biolumineszenz verwenden kann, eine eigene Variante dafür entwickelt hat, gibt es viele verschiedene Luciferine und Luciferasen.

Es gibt auch ein grün fluoreszierendes Protein welches GFP abgekürzt wird. Es wurde von dem japanischem Biochemiker Osamu Shimomura entdeckt.

4.1 Sind diese Freigesetzten Stoffe gefährlich?

Coelenterazin z.B. ist für den Menschen nicht gefährlich, aber ironischerweise ist es für Meeresbewohner in einer bestimmten Konzentration schädlich. (WGK 3 stark wassergefährdend Selbsteinstufung).

Das Luciferin Vargula oxidiert durch eine Luciferase zu Coelenteramid, welches ein von Coelenterazin bei Oxidation abgegebener Stoff ist.

Da ich keine verneinenden Informationen zu meiner Vermutung, dass Coelenteramid genau so ungefährlich für Menschen und in gewisser Dosierung für Meeresbewohner schädlich ist, gefunden habe, gehe ich davon aus, dass diese These stimmt.

4.2 Könnte man diese Stoffe zur alternativen Lichtgewinnung gefahrlos verwenden?

Wenn man die Stoffe korrekt lagert und so in Hüllen verschließt, dass Kinder keinen Zugang haben, könnte man sie verwenden.

Man sollte aber wie bei fast allen chemischen Substanzen dafür sorgen, dass die Stoffe nicht auf die Haut gelangen.

Ebenso dürfen sie dem Körper auf keinen Fall zugeführt werden.

Da ein Protein nicht auf natürlichem Wege in einen anderen Körper gelangen kann, besteht keine Gefahr durch das GFP.

4.3 Wäre es möglich mit diesen Chemikalien andere Lebewesen (z.B. Goldfische) zum Leuchten zu bringen?

Schon aus rein anatomischen Gründen ist es nicht möglich, mit den chemischen Stoffen andere Lebewesen zum Leuchten zu bringen. Tiere, die die Biolumineszenz nicht verwenden können (z.B. Goldfische), haben logischerweise auch keine Organe oder ähnliches, wo dieser Prozess stattfinden könnte.

Dennoch könnte man sie zum Leuchten bringen. Genau dies machen bereits einige Forscher im Rahmen der Biomedizin, sie markieren mit Hilfe des grün fluoreszierenden Proteins Zellen und versuchen derzeit auch einzelne Stellen in diesen zu markieren um sie später leichter wiederzufinden. In den Vereinigten Staaten gibt es sogar schon Tierhandlungen, die den fluoreszierenden Zebrabärbling (leuchtet normalerweise nicht) unter dem Namen GloFish verkaufen.

In Deutschland ist das Herstellen wie Verkaufen von GloFischen verboten.

5.1 Beleuchtung für Straßenzüge?

Der Forscher Antony Evans hat vor, Glühwürmchen mit Pflanzen zu kreuzen. Er erhofft sich von diesem Projekt, dass man dadurch ganze Straßenzüge beleuchten kann. Für das Projekt ist das Kapital bereits vorhanden und Antony Evans muss nur anfangen zu forschen und ihm muss der Durchbruch gelingen. Was Mr. Evans versucht zu kreieren, kommt bereits in der Natur vor, denn es gibt den dunklen Ölbaumtrichterling. Genau nach diesem Prinzip möchte Mr. Evans Pflanzen (Bäume) modifizieren. Jeden Tag gibt es neue technische Erfindungen auf der Welt und niemand hatte sich darum gekümmert, was mit den Pflanzen passiert. Aber dann kam Evans, in der rechten Hand eine Glühbirne haltend und in der linken nur ein kleines Pflänzchen. Er deutete auf die Glühbirne und meinte, wieso wir dieses technische Gerät benötigen, wenn wir doch die natürliche Pflanzenwelt besitzen.

"Er und seine Kollegen haben vor die Leuchtgene aus Glühwürmchen zu modifizieren und mittels eines Trägerbakteriums in das Erbgut der Ackerschmalwand einzuschleusen."

"Das Problem dabei ist, dass Luciferine oxidieren und danach nicht mehr leuchten. Die Wissenschaftler wollen deshalb Bausteine ("BioBricks") entwickeln, mit denen Organismen selbst Enzyme bilden können, die die Oxyluceriferine zerlegen und den Leuchtstoff isolieren. Wenn es nach Evans gehen würde, dann könnten Bäume bald ganze Straßen erleuchten. Nach Schätzungen der Forscher würden lediglich 0,02 % der Energie, die durch die Fotosynthese absorbiert wird, ausreichen, um ausreichend Licht zu produzieren. Dadurch eröffnet sich ein gigantisches Energie - Einsparungspotenzial. "

5.2 Anwendung der Biolumineszenz

Nicht nur für die Grundlagenforschung ist die Biolumineszenz von absoluter Wichtigkeit, denn seit einiger Zeit nutzen verschiedene technische Geräte und/oder Anwendungen die Biolumineszenz. Zum Beispiel wird die Lumineszenz als Markierungsmittel in der Molekularbiologie angewendet. Diese

Anwendung mit Fluoreszenz - Markierungen hat die radioaktive Markierung weitgehend ersetzt. Sie wird außerdem noch als Nachweismethode in der Ökotoxologie angewendet. Damit wird die Quantifizierung von Toxinen nachgewiesen.

Momentan wird diskutiert, ob man die Dinoflgellaten in der Strömungsforschung zum Nachweis von Turbulenzen verwendet. Möglicherweise schafft es die Biolumineszenz auch, die Computer zu übernehmen, denn Forscher kündigen bereits selbstleuchtende Monitore auf Basis der Lumineszenz an. Weihnachten wurde schon damals beinahe von der Lumineszenz eingenommen, da eine britische Zeitung im Jahr 1999 berichtete, dass Wissenschaftler an selbstleuchtenden Weihnachtsbäumen arbeiteten. Somit wäre es einigen erspart geblieben, den Baum per Hand zu schmücken. Doch bisher hat es solche Weihnachtsbäume noch nicht gegeben. Vielleicht wird es solche Erfindungen zu späteren Zeiten einmal geben, doch zur heutigen Zeit ist dies anscheinend noch nicht möglich.

5.3 Leuchtende Köder

Beginnen wir mit einem Beispiel: Ein kleiner Fisch sieht einen kleinen leuchtenden Punkt in den Weiten des Ozeans. Also macht sich der kleine Fisch auf den Weg zu diesem Punkt. Was dieser kleine Fisch aber nicht merkt, ist, dass umso näher der kleine Fisch diesem Punkt kommt. desto dunkler wird sein vorderer Sichtbereich, bis er schließlich das große Maul eines Anglerfisches sieht.

So sorgt der Anglerfisch dafür, dass er niemals verhungert. Er nutzt einfach seine Fähigkeit, mit seiner kleinen "Laterne" und der Biolumineszenz Licht zu erzeugen. Da die meisten Anglerfische in der Tiefsee leben, dort auch dementsprechend kein Sonnenlicht einstrahlt, ist der Anglerfisch auf seinen Leuchtköder angewiesen.

Der Anglerfisch ist ein sekundär leuchtender Organismus, denn er ist auf die Mithilfe der in der "Laterne" gesammelten Leuchtbakterien angewiesen. Ohne diese Bakterien wäre der Anglerfisch nicht in der Lage, Licht zu erzeugen und hätte keine Beute. Seine recht dunkle Haut schützt Ihn davor, durch sein selbst erzeugtes Licht gesehen zu werden.

Ein ebenfalls geschickter Jäger ist der Zigarrenhai. Er hat an seiner Unterseite einen kleinen Fleck, der aussieht wie ein kleiner Fisch.

Größere Fischarten wie der Thunfisch oder die Makrele halten diesen vermeintlichen Fisch für eine leichte Beute. Also nähern Sie sich dem Zigarrenhai ohne zu bemerken, dass der Hai bereits auf sie wartet. Anstatt dass die Fische den kleinen Fisch zu essen bekommen, ist der Hai schneller und verspeist sie zuerst. Üblicherweise strahlen alle lumineszierende Meeresbewohner blaues Licht ab.

„ Zum einen, weil dieser Wellenlängenbereich die größte Reichweite unter Wasser hat, zum anderen, weil die meisten Meeresbewohner nur dieses Licht sehen können, denn ihnen fehlen die Pigmente, um andere Wellenlängen wahrzunehmen."

6. Unser Fazit

Da die Biolumineszenz keine Nachteile aufweist, ist sie als mögliche effizientere Lichtquelle eine gute Option zur herkömmlichen Stromerzeugung. Mithilfe der chemischen Stoffe ist es derzeit zwar nicht möglich, alternative Lichtquellen herzustellen. Allerdings glauben wir, dass in einigen Jahren, sich auch wieder Forscher mit dieser Thematik auseinander setzen werden. Durch das GFP ist in diesem Bereich bereits einiges möglich, ohne dass den Versuchstieren größerer Schaden zugefügt wird.

Im Rahmen unserer Facharbeit haben wir im Wesentlichen nur an der Oberfläche des Themas Biolumineszenz "gekratzt". Diese Thematik ist zu umfangreich, um sie in einer Facharbeit von maximal 15 Seiten zu erläutern, da dieses Thema zu komplex für eine MSA - Facharbeit ist. Wie das bereits bei dem Stichpunkt 5.1 erwähnte Projekt der Kreuzung von Glühwürmchen und Bäumen vermuten lässt, ist es unserer Meinung nach derzeit nicht möglich, Pflanzengene mit Tiergenen zu vereinen.

Die Biolumineszenz ist nur eine von vielen verschiedenen Lumineszenzarten. Die Biolumineszenz gehört außerdem auch zur Chemolumineszenz. Sie hat auch zum Teil mit der Genetik zu tun, wobei wir diesen Teil ausgelassen haben, da er zu umfangreich ist. Auch die Summenformeln der Biolumineszenz haben wir nicht mit in die Facharbeit eingefügt, da wir keine verständliche Formel gefunden haben. Außerdem sind wir nicht weiter darauf eingegangen, dass nur der weibliche Anglerfisch eine "Laterne" besitzt. Auch einige wichtige Forscher wie z.B. Edith Widder, Martin Chalfie und Roger Tsien Träger des Nobelpreises für Chemie 2008 haben wir nicht erwähnt.

6.1 Ist dies nun eine alternative Lichtquelle?

Ja, allerdings kann man das Licht nicht zum Ausleuchten von Räumen oder dergleichen nutzen. Aber als Nachtlicht wäre es im normalen Haushalt zu gebrauchen. Ebenfalls könnte man es als kleine Leselampe verwenden. Das GFP wird seit Jahren in der Biochemie verwendet, um Zellen und Zellbestandteile zu markieren.

Quellen:

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Autoren

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Dr. Thomas Waßmer
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