Biolumineszenz: Wenn die Natur im Dunkeln leuchtet

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Siebzehn Jahre lang haben Forschende vor der Küste Kaliforniens Videos von ferngesteuerten Tauchrobotern ausgewertet, von der Wasseroberfläche bis in 3.900 Meter Tiefe. In mehr als 350.000 Beobachtungen im freien Wasser ordneten sie die Tiere nach Angaben aus der Fachliteratur ein: 76 Prozent der gesehenen Tiere können Licht erzeugen.^[1] Die Zahl gilt für diese Region und zählt einzelne Tiere, nicht Arten. Sie zeigt trotzdem, wie verbreitet das Leuchten im Meer ist.

Was Biolumineszenz ist

Biolumineszenz heißt: Lebewesen erzeugen Licht durch eine chemische Reaktion. Ein Enzym, die Luciferase, oxidiert dabei einen Leuchtstoff, das Luciferin. Etwa ein halbes Dutzend verschiedener Luciferine ist bekannt, das Leuchten ist also eine Familie von Reaktionen und kein einzelner Mechanismus.^[2]

Beim Glühwürmchen-System setzt die Reaktion nach einer Messung von 2007 etwa 41 von 100 Mal ein Lichtteilchen frei. Ältere Messungen hatten 88 Prozent angegeben, die Neumessung korrigierte sie deutlich nach unten.^[3]

Entstanden ist das Leuchten mehrfach unabhängig voneinander. Eine Übersichtsarbeit, die alle bisherigen Schätzungen zusammenführt, kommt auf mindestens 94 Ursprünge im Stammbaum des Lebens.^[4] Das ist ein Lehrbuchfall für konvergente Evolution: Verschiedene Gruppen fanden unabhängig dieselbe Lösung. Wofür das Licht dient, hängt vom Lebewesen ab. Im Meer hilft es bei der Nahrungssuche, beim Anlocken von Partnern und beim Entkommen vor Fressfeinden.^[5]

Das Meer: größter Lebensraum, kaum gesehen

Die Auswertung aus Kalifornien umfasst 240 Tauchgänge zwischen 1999 und 2016 und 553 taxonomische Einheiten (Arten, Gattungen oder Familien), eingeteilt in 13 Gruppen. Bei den Nesseltieren waren mehr als 97 Prozent leuchtfähig, in 9 der 13 Gruppen überwogen die leuchtenden Tiere. Der Anteil blieb über die Tiefe bemerkenswert gleichmäßig.^[1]

Wie viel dabei noch unbekannt ist, zeigt ein Blick auf die Kartierung. Nach Angaben der US-Meeresbehörde NOAA waren im April 2026 erst 28,7 Prozent des Meeresbodens mit moderner hochauflösender Technik kartiert, und vom Boden der Tiefsee wurde weniger als 0,001 Prozent tatsächlich gesehen.^[6] Wie die Hohe See geschützt werden soll, ist Thema des UN-Hochseeabkommens.

Tiefsee: Köderlicht und Rotlicht

Der Köder des Anglerfischs leuchtet nicht aus eigener Kraft. In diesem Köder leben leuchtende Bakterien, deren Erbgut nach einer Genomanalyse rund 50 Prozent kleiner ist als bei freilebenden Verwandten.^[7] Die meisten untersuchten Anglerfisch-Arten teilen dieselbe Bakterienart. Die Stammbäume von Fischen und Bakterien stimmen nicht überein, und Bakterien-Gene tauchten auch im Wasser nahe der Fische auf. Die Fische erwerben ihre Leuchtbakterien deshalb offenbar aus der Umgebung.^[8]

Drachenfische der Gattungen Aristostomias, Pachystomias und Malacosteus erzeugen zusätzlich zum blauen Licht, das in der Tiefsee üblich ist, rotes Licht jenseits von 700 Nanometern. Andere Tiefseetiere sind für diesen Bereich nach Angaben der Autor*innen blind. Die Fische könnten damit eine eigene Wellenlänge nutzen, um Beute anzuleuchten. Belegt ist die Wahrnehmung, das Jagdverhalten bleibt eine Deutung.^[9]

Meeresleuchten als Alarmanlage

Dinoflagellaten sind einzellige Meeresorganismen, die bei Störung aufblitzen. Wozu, ist nicht abschließend geklärt. Die Alarmanlagen-Hypothese besagt: Das Licht lockt Räuber an, die den Fressfeind des Einzellers jagen. Ein Laborversuch stützt sie teilweise. Tintenfische fingen leuchtlose Beute wie Grasgarnelen und Moskitofische im Dunkeln seltener, mit steigender Zahl leuchtender Dinoflagellaten (0 bis 20 Zellen pro Milliliter) dagegen häufiger.^[10] Ob das Licht den Einzellern in der Natur nützt, bleibt offen.

Glühwürmchen: Signale im Gras

Mehr als 2.200 Arten von Leuchtkäfern sind weltweit bekannt. Viele werben mit hellen, artspezifischen Lichtsignalen, andere sind tagaktiv und setzen auf Duftstoffe. Viele europäische Arten sind Glühwurm-Arten mit flugunfähigen Weibchen. Beim Großen Leuchtkäfer (Lampyris noctiluca) leuchten die Weibchen im offenen Gras, um die fliegenden Männchen anzulocken, die selbst nicht leuchten. Die Larven brauchen zwei bis drei Jahre und fressen Schnecken in Hecken und Gebüsch.^[11]

Quantitative Bestandsdaten sind dünn, bei gut untersuchten Arten zeigen sich aber über Jahrzehnte deutliche Rückgänge. Freiwillige zählten in England an 16 Standorten die leuchtenden Weibchen des Großen Leuchtkäfers: Über 18 Jahre sank ihre Zahl um 3,5 Prozent pro Jahr.^[11] Als Hauptgefahren nennt die Übersicht den Verlust von Lebensräumen, künstliches Licht in der Nacht, Insektizide, Klimawandel und Übertourismus. Das gehört in den größeren Zusammenhang des Insektensterbens.^[11]

Schon schwaches künstliches Licht stört: Feld- und Laborversuche zeigten, dass es Balz und Paarungserfolg mehrerer nachtaktiver Arten verringert, darunter auch europäische Glühwürmer. Weil die Weibchen nicht fliegen können, weichen sie hellen Orten kaum aus. Quellen sind etwa Straßenlaternen, Scheinwerfer und Gewächshausbeleuchtung.^[11]

Insektizide treffen vor allem die lang lebenden Larven in Boden oder Wasser. Im Labor senkte das Neonikotinoid Clothianidin bei hoher Bodenkonzentration das Überleben der Larven zweier nordamerikanischer Arten, bei niedrigeren Konzentrationen fraßen sie deutlich weniger. Solche Studien sind noch selten.^[11] Mehr zum Hintergrund steht im Lexikon unter Pestiziden.

Die Weltnaturschutzunion IUCN hat bisher 150 Taxa bewertet, rund 20 Prozent davon gelten als stärker gefährdet. Die Auswahl ist nicht zufällig. Über Aussehen, Verhalten und Lebensraum der Larven von etwa 93 Prozent aller bekannten Arten weiß die Forschung nichts.^[11]

Leuchtende Pilze und ein Stoffwechselweg

2015 sprach eine Studie von erst 71 bekannten leuchtenden Pilzarten.^[12] Die Übersicht von 2025 zählt 132, verteilt auf fünf getrennte Abstammungslinien innerhalb der Ordnung Agaricales. Die meisten Arten sind aus Japan (36) bekannt, in Europa sind es 23. Dabei sind die meisten Regionen der Welt kaum auf leuchtende Pilze untersucht.^[13]

Das Licht ist grün (520 bis 530 Nanometer) und folgt einem Tagesrhythmus.^[13] Wozu der Pilz leuchtet, zeigte ein Versuch mit leuchtenden Attrappen aus Kunstharz: Von LED-Licht in der Farbe des Pilzlichts wurden Käfer, Wanzen, Fliegen, Wespen und Ameisen weit häufiger angelockt als von dunklen Fallen. Die Forschenden deuten das als Hinweis darauf, dass Insekten bei der Verbreitung der Sporen helfen könnten.^[12] Bewiesen ist das nicht.

2018 beschrieb ein internationales Team den Stoffwechselweg des Pilzlichts: Ausgehend von Kaffeesäure bilden vier Enzyme, darunter die Luciferase, den Leuchtstoff. Mit den Genen wurde die Hefe Pichia pastoris selbstleuchtend.^[2] 2024 verbesserte ein Team die Genkette. In Pflanzen, Pilzen und Säugerzellen leuchtete sie um ein bis zwei Größenordnungen heller, und Videoaufnahmen ohne zugefügten Leuchtstoff wurden möglich.^[14]

Eine Qualle und ein Nobelpreis

Die Geschichte des Grün Fluoreszierenden Proteins (GFP) beginnt im Sommer 1961. Osamu Shimomura und Frank Johnson sammelten bei Friday Harbor an der Westküste Nordamerikas Quallen der Art Aequorea victoria und nahmen den Presssaft von rund 10.000 Tieren mit nach Princeton. Daraus gewannen sie Aequorin, ein Protein, das bei Kontakt mit Calcium blau aufleuchtet. In der Veröffentlichung von 1962 beschrieben sie außerdem ein Protein, das unter UV-Licht grün fluoresziert: das spätere GFP.^[15]

GFP erzeugt kein Licht durch eine chemische Reaktion. Es wandelt das blaue Licht des Aequorins in grünes um und leuchtet auch dann, wenn Licht von außen darauf fällt. Anders als Luciferasen braucht es keinen zugefügten Stoff, nur UV- oder Blaulicht.^[15]

GFP leuchtet nur unter Licht von außen, und genau deshalb lässt es sich in lebenden Zellen so einfach einsetzen.

Kerngedanke

Martin Chalfie erkannte 1988 den Nutzen für den durchsichtigen Fadenwurm Caenorhabditis elegans, der aus nur 959 Zellen besteht. Er färbte mit GFP sechs einzelne Zellen. Den Nobelpreis für Chemie 2008 teilten sich Shimomura, Chalfie und Roger Tsien, der die Farbpalette über Grün hinaus erweiterte. Mit GFP lässt sich beobachten, wie Krebszellen sich ausbreiten oder wie sich Nervenzellen entwickeln.^[15]

Auch Luciferasen sind Laborwerkzeuge: Als Reporter übersetzen sie die Aktivität eines Gens in Licht. Die Luciferase aus Gaussia princeps stammt von einem planktonischen Krebs, nicht von einem Glühwürmchen, und ist klein und sehr hell.^[16] In der Impfforschung messen Labore mit luciferasemarkierten Pseudoviren, wie gut Antikörper aus Blutproben eine Infektion verhindern. Ein Vergleich von drei Testverfahren an 28 Proben zeigte dabei enge Zusammenhänge, aber unterschiedliche absolute Werte.^[17]