Fluoreszenz: Schöner Schein

Bei seinen Chamäleons wiederum könnte die Fluoreszenz eine Rolle bei der Partnersuche spielen. Bei vielen Chamäleons sind hinter dem Auge und am Rücken bläulich fluoreszierende Punkte zu sehen, die wie winzige Sterne leuchten. Durch mikroskopische Untersuchungen der Chamäleon-Haut hat David Prötzel herausgefunden, dass die Knochen an diesen Stellen kleine Auswüchse bilden. Diese sogenannten Tuberkel ragen weit hervor und sind lediglich von einer dünnen transparenten Hautschicht bedeckt. Bestrahlt man die Chamäleons mit UV-Licht, dringt das Licht bis zu den Tuberkeln vor und löst dort Fluoreszenz aus. „Es ist die Knochensubstanz selbst, die leuchtet. Daher sprechen wir bei den Chamäleons von Knochenfluoreszenz“, erklärt Prötzel. Um mehr über die Funktion dieser Fluoreszenz zu erfahren, müsse man Verhaltensexperimente durchführen. Doch eine einleuchtende These habe er bereits: Seine Ergebnisse zeigen, dass vor allem jene Chamäleons fluoreszieren, die in schattigen Regenwäldern leben, manche von ihnen gar am besonders dunklen Waldboden. Viele Wellenlängen des sichtbaren Lichts werden durch das Blätterdach reflektiert oder geschluckt. UV-Licht hingegen wird gestreut und dringt bis zum Waldboden durch. Tiere, die im UV-Licht leuchten, geben damit im Halbdunkel ein markantes Farbsignal ab. Der Effekt wird dadurch verstärkt, dass viele der Wald-Chamäleons blau fluoreszieren. Im grünen Dickicht fällt ein solcher Farbklecks besonders auf. Unklar ist, ob das Blau die Männchen für die Weibchen besonders attraktiv macht oder eher Nebenbuhler abschrecken soll.

Eine kleine Sensation lieferte David Prötzel vor einiger Zeit, als er den ersten fluoreszierenden Gecko der Welt vorstellte – den Palmatogecko aus Namibia. Das feingliedrige Wesen mit den schwarzen Kulleraugen hat als einziger Gecko Schwimmhäute zwischen den Zehen. Damit gräbt er sich, sobald die Sonne über der Namib-Wüste aufgeht, in den Sand ein. Gut geschützt überbrückt er so die Hitze des Tages. Die Tiere kommen erst im Dunkeln hervor – und erstrahlen an ihrer Flanke und an einem Ring um ihre Augen im Mondlicht neongrün. In der ansonsten nachtgrauen Wüste ist das ein auffälliges optisches Signal. „Wir sind davon überzeugt, dass die Geckos über die Fluoreszenzmuster kommunizieren“, berichtet Prötzel. „Ihr Lebensraum, die Sanddünen, sind dünn besiedelt. Wahrscheinlich können sich die Tiere anhand der Fluoreszenz auch über größere Entfernungen erkennen“ – auch hier möglicherweise, um Weibchen anzulocken oder um Rivalen abzuschrecken.

Dass die Fluoreszenz der Geckos eine biologische Funktion hat, gilt inzwischen als sicher. Denn mittlerweile haben spanische Wissenschaftler in der Arabischen Wüste drei weitere Gecko-Arten entdeckt, die dieselbe starke neongrüne Hautfluoreszenz haben. Da die Arten nicht näher miteinander verwandt sind, muss sich diese Fluoreszenz im Lauf der Evolution mehrfach unabhängig voneinander herausgebildet haben. „Wahrscheinlich bietet die Fluoreszenz Selektionsvorteile, sonst wäre sie nicht mehrfach entstanden“, sagt Prötzel.

Offensichtlich ist Fluoreszenz eine recht pfiffige und sichere Methode, um optische Signale zu senden. Denn viele Tiere – und auch der Mensch – können Fluoreszenz nur eingeschränkt wahrnehmen. Das Mondlicht etwa ist für uns Menschen so hell, dass es die Fluoreszenz einfach überstrahlt. Die Palmatogeckos hingegen können grünes Fluoreszenzlicht offenbar besonders gut wahrnehmen. „Die starke neongrüne Fluoreszenz des Palmatogeckos ist ein spektakuläres Beispiel dafür, was es alles noch zu entdecken gibt – selbst bei sehr bekannten Arten wie dieser, die mitunter auch in Terrarien gezüchtet wird“, betont Prötzel.

Lockmittel für die Jagd

Es gibt noch andere spektakuläre Beispiele für Fluoreszenz im Tierreich, auf die Biologen erst kürzlich gestoßen sind. Die beiden US-Biologen Laurence Paul und Robert Mendyk haben herausgefunden, dass Grubenottern vor allem als Jungtiere stark fluoreszierende Schwanzspitzen haben. Man weiß schon länger, dass die Schwanzspitze kleine Beutetiere, vor allem Echsen und Vögel, anlockt. Die Schwanzspitze gaukelt ihnen eine Schmetterlingsraupe vor. „Da manche Schmetterlingsraupen fluoreszieren, könne die Fluoreszenz der Schwanzspitze ein besonders starker Reiz sein“, schreiben die beiden Autoren.

Weiter heißt es bei Paul und Mendyk, dass auch die Klapper von Klapperschlangen unter UV-Licht fluoresziert. Dies könne eine zufällige Eigenschaft der Hornschuppen sein oder – wie die beiden betonen – einen biologischen Nutzen haben: Beobachtungen haben gezeigt, dass die Schlangen ihre Klapper oft in die Nähe ihres Mauls halten, wenn sie auf der Lauer liegen. Auch die Klapper könnte demnach als Lockmittel für Nagetiere dienen, da sie unter UV-Licht den Ähren bestimmter fluoreszierender Präriegräser ähnelt. Noch handelt es sich hierbei aber um Hypothesen.

Mechanismen der Fluoreszenz

Weiter ist die Forschung inzwischen, wenn es darum geht, die Mechanismen der Fluoreszenz aufzuklären. Beim fluoreszierenden Tupfenlaubfrosch, den Carlos Taboada 2017 der Welt präsentierte, wird die Fluoreszenz durch das Molekül Hyloin erzeugt, das in der Lymphe und der Haut enthalten ist. Das Hyloin wird durch UV-Strahlung angeregt und gibt dann knallgrünes Fluoreszenzlicht ab. Dabei läuft die Anregung der Moleküle wie bei jedem anderen Fluoreszenzphänomen ab: Das energiereiche UV-Licht regt Elektronen an und hebt diese auf ein höheres Energieniveau. Fallen die Elektronen auf ihr altes Energieniveau zurück, geben sie energieärmeres Licht in Form von Fluoreszenz ab. Nicht immer braucht es dafür UV-Licht. So eignet sich etwa auch energiereiches blaues Licht, um energieärmere rote Fluoreszenz zu erzeugen.

Fachleute unterscheiden zwei natürliche Leuchtphänomene, die Biofluoreszenz und die Biolumineszenz. Bei der Fluoreszenz wird eine Substanz von außen durch Licht zum Leuchten angeregt. Welche Farbe die Fluoreszenz von Tieren hat, hängt von mehreren Faktoren ab: zum Beispiel, mit welcher Wellenlänge die Lichtquelle bestimmte Moleküle etwa in den Knochen eines Chamäleons anregt und wie das Licht durch die Hautschichten gefiltert wird.

Manche Tierarten wie etwa der Leuchtkäfer, besser bekannt als Glühwürmchen, können hingegen selbst Licht erzeugen. Dieses Phänomen wird als Biolumineszenz bezeichnet. Dabei wird die Substanz Luciferin durch das Enzym Luciferase abgebaut. Diese chemische Reaktion setzt Energie in Form von Lichtteilchen frei. Ein Nachteil der Biolumineszenz gegenüber der Biofluoreszenz ist der Energieaufwand, den die Tiere für die Luciferase-Reaktion aufwenden müssen. Ein Vorteil ist, dass sie das Leuchten unabhängig vom Licht in der Umgebung selbst steuern können.

Einen weiteren Fluoreszenz-Mechanismus hat David Prötzel bei seinen Palmatogeckos entdeckt, die er zu Hause im eigenen Terrarium hält. Tief in der Haut der Geckos liegen mikroskopisch kleine Plättchen, wie sie auch von der Fisch- oder Schlangenhaut bekannt sind. Diese Plättchen, die sogenannten Iridophoren, lassen Tierhäute faszinierend schillern. Die Iridophoren der Geckos aber zeichnen sich dadurch aus, dass sie nicht nur schillern, sondern auch fluoreszieren. Sie sind aus winzigen Kristallen aufgebaut, die aus der Substanz Guanin bestehen, jenem Stoff, den man sonst als Baustein des Erbgutstrangs DNA kennt. Offensichtlich erzeugen diese Guanin-Kristalle eine sehr starke Fluoreszenz.

„Entscheidend bei der Fluoreszenz ist die Quantenausbeute“ erklärt Prötzel – also das Maß dafür, wie gut eine Substanz auftreffende Lichtteilchen, Photonen, in Fluoreszenzlicht-Photonen umwandelt. Dazu teilt man die Zahl der auftreffenden Photonen durch die Anzahl der abgegebenen Photonen. Je höher der Wert, desto mehr Photonen werden wieder abgegeben und desto heller fluoresziert die Substanz. Für die Guanin-Kristalle liegt die Quantenausbeute bei 12,5 Prozent. „Das ist einer der höchsten je gemessenen Werte bei Landlebewesen“, so Prötzel.

Fluoreszenz im Meer

Bevor David Prötzel und die anderen Forschungsgruppen die Fluoreszenz zum Trendthema an Land machten, hatten einige Wissenschaftler bereits verblüffende Entdeckungen im Meer gemacht. Wie erwähnt, war seit den 70er Jahren bekannt, dass Korallen und Quallen wunderschön fluoreszieren. Zu Beginn der 2010er Jahre untersuchten dann die Meeresbiologen David Gruber und John Sparks vom American Museum of Natural History in New York erstmals Meeresfische systematisch auf Fluoreszenz. Der Fachartikel, den sie im Jahr 2014 publizierten, war ein Knüller: Die beiden hatten rund 180 Fischarten gefunden, die fluoreszieren. Die Fachwelt war verblüfft. Kaum jemand hatte erwartet, dass Fluoreszenz in der dunklen Tiefe derart verbreitet ist.

Ein besonderes Beispiel sind Katzenhaie. Die Forscher haben spektakuläre Aufnahmen von Individuen gemacht, deren sonst graubraune Körper knallgrün leuchteten – unterbrochen nur vom Katzenfellmuster. Allerdings bleibt diese Schönheit dem Menschen normalerweise verborgen. Nur der Katzenhai kann sie wahrnehmen, weil in seinem Auge eine Art Lichtfilter sitzt, der das Fluoreszieren sichtbar macht. Gruber und Sparks haben die Haiaugen-Optik mit einer Spezialkamera nachgeahmt und konnten damit ihre großartigen Bilder schießen. Tiere einer Art können also über bestimmte Fluoreszenzlicht-Wellenlängen kommunizieren, ohne dass andere Tierarten davon etwas mitbekommen. Dieser optische Geheimcode ist der perfekte Schutz vor Räubern. Wissenschaftler sprechen vom „Private communication mechanism“.

Leuchtende Bananen

In den vergangenen zehn Jahren haben Wissenschaftler weltweit mehr über die Mechanismen der Fluoreszenz herausgefunden als in vielen Jahrzehnten zuvor. Verhaltensexperimente könnten künftig dabei helfen, den Zweck der verschiedenen Fluoreszenzphänomene besser zu verstehen; zum Beispiel auch jenes, das Chemiker von der Universität Innsbruck um Bernhard Kräutler vor gut zehn Jahren weltweit bekannt gemacht hat: die blau leuchtende Banane. Die Gruppe von Bernhard Kräutler hatte herausgefunden, dass Bananen blau fluoreszieren, wenn sie reifen. Die Fluoreszenz nimmt mit dem Reifegrad zu. Damit scheinen die Früchte im Halbschatten der tropischen Vegetation ein deutliches optisches Signal zu geben: „Hallo, hier bin ich. Ich bin zum Verzehr geeignet!“ Wären die Früchte einfach nur gelbgrün, fielen sie im Gehölz kaum auf. Die Innsbrucker Forscher identifizierten die blau fluoreszierenden Stoffe als Abbauprodukte des grünen Pflanzenfarbstoffs Chlorophyll. „Dieses blau fluoreszierende Abbauprodukt wird in Pflanzenzellen normalerweise gleich weiter abgebaut“, erklärt Kräutler. „Doch bei den Bananen wird das chemisch verhindert, sodass sich diese fluoreszierende Substanz in der Bananenschale anreichert.“ Das scheint ein echter Service für alle jene Waldbewohner zu sein, die gern Bananen essen – und ein klarer Hinweis darauf, dass es in Sachen Fluoreszenz noch viel zu entdecken gibt; nicht nur im Tierreich, sondern auch bei den Pflanzen. //

Tim Schröder

war schon einmal nachts in der Namib-Wüste unterwegs – leider ohne UV-Lampe. Jetzt weiß er, was er verpasst hat.