Die Biolumineszenz ist die Erzeugung und Emission von Licht durch einen lebenden Organismus über eine chemische Reaktion, bei der die chemische Energie in Lichtenergie umgewandelt wird.
Das Wort stammt aus dem griechischen Begriff BIOS bedeutet Leben und der lateinischen Begriff Lumen , Licht .
Biolumineszenz ist eine Form der Lumineszenz , die ein sogenanntes Kaltlicht erzeugt, da weniger als 20% des Lichts Wärme erzeugen. Sie sollte nicht mit Fluoreszenz verwechselt werden , der Phosphoreszenz des emittierten Lichts.
Biolumineszenz kann durch symbiotische Organismen erzeugt werden, die in einem größeren Organismus untergebracht sind. Die chemische Verbindung, die Lumineszenz verursacht, ist Luciferin . Dieses emittiert Licht, indem es dank des Eingriffs von Luciferase , einem Enzym, oxidiert . Die chemische Reaktion kann innerhalb oder außerhalb der Zelle stattfinden. In Bakterien , die die Expression von Genen auf Biolumineszenz bezogen gesteuert durch ein Operon ein gerufener lux - Operon .
Es hat sich gezeigt, dass 76 % der pelagischen Organismen biolumineszierend sind, und zwar von der Oberfläche bis in 4000 m Tiefe.
Das Phänomen der Biolumineszenz ist ein Sonderfall der Chemilumineszenz . Es findet während einer chemischen Reaktion von Oxidation . Jedes Lebewesen produziert Licht auf unterschiedliche Weise, aber alle folgen einem gemeinsamen Muster: Die Oxidation organischer Verbindungen induziert die Emission von Photonen .
An der chemischen Reaktion sind drei Hauptakteure beteiligt. Das Luciferin ist das Substrat, das in Gegenwart von Sauerstoff oxidiert wird . Die Luciferase ist ein Enzym, das als Reaktionskatalysator fungiert. Das Substrat wird manchmal vorher durch Energiezufuhr mit Hilfe von ATP aktiviert (diese indirekte Oxidationsreaktion wird beispielsweise bei Glühwürmchen beobachtet ).
Der Großteil der Meereslichtemissionen gehört zum sichtbaren Spektrum von Blau und Grün , Wellenlängen, die leicht durch Wasser übertragen werden können. Seltener emittieren einige Arten im Rot- oder Infrarotbereich .
Nicht-marine Biolumineszenz ist seltener, ermöglicht aber eine größere Farbvielfalt. Die bekanntesten Formen der terrestrischen Biolumineszenz sind die von Lampyridae , wie Glühwürmchen und Glühwürmchen , aber Biolumineszenzfähigkeiten wurden auch bei anderen Insekten , Spinnentieren und einigen Pilzen beschrieben .
Auch die menschliche Haut emittiert über Biolumineszenz Licht, allerdings in einer so geringen Menge, dass sie nur von extrem empfindlichen Kameras gesehen werden kann.
Es gibt fünf Haupttheorien für die Evolution des Biolumineszenz-Charakters:
Obwohl es paradox erscheinen mag, verwenden einige Fische ( zB: die durchscheinende Silberaxt ) oder der Euprymna-Scolopes- Tintenfisch Biolumineszenz zur Tarnung . Tatsächlich erkennen Raubtiere in mittleren Tiefen ihre Beute von unten, deren Silhouette im schwachen Licht von der Oberfläche wie chinesische Schatten Gestalt annimmt . Einige Fische verstecken ihre Silhouette vor Raubtieren unter ihnen dank der Biolumineszenz, die auf ihrer ventralen Oberfläche erzeugt wird und das Licht von der Oberfläche simuliert.
Biolumineszenz kann auch von verschiedenen abgründigen Arten wie bestimmten Lophiiformes als Lockvogel verwendet werden . Ein leuchtendes Anhängsel, das über dem Kopf des Fisches baumelt und sich erstreckt, ermöglicht es so, die Kleintiere in einer den Angriff ermöglichenden Distanz anzulocken. Der Viperfisch Chauliodus macouni , der die Ozeantiefen zwischen 1 und 2 km bevölkert , hat in seinem Maul einen fluoreszierenden Körper, der es ihm ermöglicht, Beute anzuziehen.
Eine weitere Funktion der Biolumineszenz ist die Anziehung von Sexualpartnern. Es findet sich insbesondere bei Lampyren, die während der Fortpflanzung einen periodischen Blitz in ihrem Bauch verwenden , um ihren Partner anzuziehen .
Das Plankton- Biolumineszenz, das in sauberen Gewässern wie der Küste der Nordbretagne in der Nähe von Saint-Malo , in Reservaten auf Korsika und im Südosten Frankreichs Porquerolles zu finden ist ... diese Lichter, kommt an und verschluckt sie. Plankton vermehrt sich im Bauch von Fischen schneller als im umgebenden Wasser (Anwesenheit von Bakterien, höhere Temperatur usw.). Wenn Sie das Meerwasser an einem vor Lichtverschmutzung geschützten Ort umrühren, können Sie leicht kleine grüne Punkte sehen. Ein Großteil dieses Lichts ist auf biolumineszierendes Phytoplankton zurückzuführen .
Einige squid und kleine Krustentiere - wenige Arten von Ostracoden , zur Beispiel - Verwendung biolumineszierenden chemische Mischungen (auch biolumineszente Bakterien Schlamm) , um abzustoßen räuberischen Angriffe auf die gleiche Art und Weise viele squids verwenden Tinte : eine Wolke von Lumineszenz wird ausgetrieben verwirrend oder ein Abstoßungs potenzielle Räuber, so dass der Tintenfisch oder das Krebstier in völliger Sicherheit entkommen können. Ebenso erzeugt Zooplankton durch Biolumineszenz Lichtblitze, um ihre Feinde zu verwirren.
Biolumineszenz könnte auch eine direkte Rolle bei der Kommunikation zwischen Bakterien spielen (siehe Quorum Sensing ). Es induziert auch Symbiose zwischen Bakterien und einer Wirtsspezies und kann eine Rolle bei spielen Kolonie Aggregation .
Diese Funktion betrifft hauptsächlich abgründige Arten, tatsächlich geht das Licht in der Tiefe nicht mehr oder fast nicht mehr durch und daher ist die Beleuchtung des Gesichtsfeldes unerlässlich. Somit ist der Organismus sowohl Sender als auch Empfänger seines eigenen Lichts.
Einige Arten, wie Johnsons Abyssal Seeteufel , haben ein biolumineszierendes Anhängsel vor dem Kopf, um den umgebenden Raum zu beleuchten.
Seit 2018 sind sieben Arten von Proteinstrukturen bekannt, die an der Produktion von Biolumineszenz beteiligt sind, die bekanntesten sind Luciferin und Luciferase.
Biolumineszenz kann in drei Haupttypen unterteilt werden: intrazelluläre Biolumineszenz, extrazelluläre und die von symbiotischen Bakterien.
Die intrazelluläre Biolumineszenz wird von spezialisierten Zellen im Körper (sogenannten Photozyten) bestimmter mehrzelliger Arten erzeugt, deren Licht durch die Haut nach außen emittiert oder durch Linsen und reflektierende Materialien (wie die Uratkristalle von Glühwürmchen oder die Guanin- Plaques einiger Fische) verstärkt wird. . Diese Art der Biolumineszenz ist die vieler Tintenfischarten .
Extrazelluläre Biolumineszenz entsteht durch die Reaktion zwischen Luciferin und Luciferase , einem Enzym . Nach der Synthese wird jede Komponente in oder unter Drüsen der Haut gespeichert. Das Ausstoßen und Mischen jedes Reagenzes auf der Außenseite erzeugt "Lichtwolken". Diese Art der Biolumineszenz ist bei einigen Krebstierarten und bei abgründigen Kopffüßern üblich .
Dieses Phänomen ist nur bei Meerestieren wie Ctenophoren , Nesseltieren , Würmern , Weichtieren , Stachelhäutern und Fischen bekannt . Es scheint die am weitesten verbreitete Art der Biolumineszenz im Tierreich zu sein .
An verschiedenen Stellen im Körper haben die Tiere kleine Bläschen, die allgemein als Laternen (in) bezeichnet werden , die leuchtende Bakterien enthalten. Einige Arten erzeugen kontinuierliches Licht, dessen Intensität durch verschiedene spezialisierte Strukturen neutralisiert oder moduliert werden kann. Die Lichtorgane sind im Allgemeinen mit dem Nervensystem verbunden, das es dem Tier ermöglicht, die Lichtemission zu kontrollieren.
Biolumineszenz ist das Ziel vieler Forschungsgebiete. Die Verwendung von Luciferase als Markergen ist in der Gentechnik weit verbreitet . Sie kann beispielsweise bei der Diagnose von Krankheiten oder beim Nachweis von Bakterien in einem Produkt eine wichtige Rolle spielen. In der Biotechnologie hat die Biolumineszenz die Entwicklung der ATPmetrie ermöglicht . Dies liegt daran, dass Luciferase auch mit Adenosintriphosphat (oder ATP) reagieren kann . Es ermöglicht daher die Quantifizierung der Biomasse in einer Probe mit einem Gerät namens Luminometer, das die Lichtintensität misst. Diese Methode wird häufig verwendet, um die Kontaminationsrate einer physiologischen Flüssigkeit zu ermitteln. Im medizinischen Bereich ist es beispielsweise möglich, Alkoholismus oder Lebererkrankungen zu erkennen, weil der ATP-Wert sinkt, oder in der Lebensmittelindustrie ist es möglich, das Vorhandensein von Bakterien bei Kontrollen, Hygiene und Sterilisation zu beobachten.
Bakterien der Gattung Vibrio , die in Symbiose mit vielen wirbellosen Meerestieren wie Tintenfisch Euprymna scolopes oder Fischen leben, sind ein wichtiges experimentelles Modell bei der Erforschung von Symbiose , Quorum-Erkennung und Biolumineszenz.
Ein paar französische Biologen, Rose-Marie und Ghislain Auclair, hatten derweil die Idee, leuchtende Pflanzen zu schaffen, um die öffentliche Beleuchtung zu ersetzen: „Die Idee ist, die Gene von leuchtenden Tieren wie Glühwürmchen oder Quallen auf Pflanzen zu pfropfen. [...] Unsere Technologie reagiert sowohl auf den Mangel an Grün in Städten als auch auf das Problem der Lichtverschmutzung. „ Ihr 2016 gegründetes Start-up wird auch in Stadtparks weicheres Licht und leuchtende Markierungen für Radwege sowie grüne Wände schaffen.