New Zealand's Waitomo Cave is illuminated by a strange light

1888 beschloss der örtliche Maori-Häuptling des Kawhia-Stammes, ein Mann namens Tane Tinorau, eine Kriegspartei anzuführen und einen anderen Stamm in der Waikoto-Region der Nordinsel Neuseelands anzugreifen.

Nachdem er den anderen Clan erfolgreich erobert hatte, wurde ein Jäger geschickt, um Nahrung zu finden. Er stolperte über den Eingang zu einem Netzwerk von Höhlen. Häuptling Tinorau war der erste, der die Höhlen im Detail erkundete und auf einem Floß aus Leinblütenstielen mit nur einer brennenden Fackel schwebte, um den Weg zu weisen.

Seine Fackel war jedoch nicht das einzige Licht in der Höhle. Über seinem Kopf funkelte das Höhlendach wie der Nachthimmel. An dem Felsen hingen Tausende winziger Insekten, die jeweils in der Dunkelheit flackerten. Der schöne Effekt hat den Höhlen ihren Namen eingebracht: die Waitomo Glowworm Caves.

Sie sind nur eine Umgebung, in der Sie Kreaturen des Lichts finden können – eine der vielen Arten, die ein helles Leuchten ausstrahlen können, um Beute zu fangen, Raubtieren auszuweichen und sogar einen Partner zu finden. Diese leuchtenden Kreaturen sind eine der bekanntesten Sehenswürdigkeiten der Natur, aber in einigen Fällen fangen wir gerade erst an, sie zu verstehen.

Die Glühwürmchen der Waitomo-Höhle sind überhaupt keine Würmer. Sie sind die Larven von Pilzmücken: kleine, zarte Fliegen, die sich von Pilzen ernähren. Sobald die Larven schlüpfen, fangen sie an, klebrige Netzstränge von der Höhlendecke zu spinnen. Die seidigen Fäden haben den lateinischen Namen der Insekten inspiriert: Arachnocampa luminosa, was direkt übersetzt “glühender Spinnenwurm” bedeutet.

Die Biolumineszenz hat sich mindestens 50 Mal getrennt entwickelt

Die Glühwürmchen lassen Globuli aus klebrigem Schleim entlang der Netzfasern fallen, wodurch sie wie Glasperlenketten aussehen, die wie Angelschnüre von der Decke hängen. Sie hängen dann an den seidigen Fäden und sitzen und warten. Eine kugelartige Drüse in ihren Schwänzen erzeugt das gespenstische blaue Licht: Licht scheint buchstäblich aus ihren Rückseiten.

Die anderen Insekten, die im pechschwarzen der Höhle leben, können die klebrige Falle des Glühwürmchens nicht sehen – aber sie können das blaue Licht sehen. Wie Motten von einer Flamme angezogen, fliegen sie nach oben – nur um umgarnt zu werden. Alles, was dann für die hungrige Mücke übrig bleibt, ist in der Linie zu rollen und ihre Beute lebendig zu verschlingen.

Die Glühwürmchen sind geschickt darin, im Dunkeln zu leben. Neben den Waitomo-Höhlen verstecken sie sich auch in dunklen, feuchten Walddächern. Sie nutzen eine chemische Reaktion in ihrem Körper, um Licht zu erzeugen: ein Prozess, der als Biolumineszenz bekannt ist.

Sie sind weit davon entfernt, auf diese Weise Licht zu erzeugen. Die Biolumineszenz hat sich mindestens 50 Mal getrennt entwickelt. Die Fähigkeit ist im ganzen Baum des Lebens verstreut und erscheint in Insekten, Fischen, Quallen, Bakterien und sogar Pilzen.

Obwohl sich diese Organismen auffallend voneinander unterscheiden können – es ist Milliarden von Jahren her, dass einige von ihnen zuletzt einen gemeinsamen Vorfahren hatten – ist die chemische Reaktion, die für die Erzeugung von Licht verantwortlich ist, in biolumineszenten Organismen bemerkenswert ähnlich.

In jedem Fall nutzen das Tier, Pilze oder Bakterien die reaktive Natur von Sauerstoff, der sich mit anderen Elementen in einem als Oxidation bekannten Prozess verbinden möchte. Sauerstoff bindet an eine Chemikalie namens Luciferin und unterliegt einer chemischen Reaktion, die von einem Enzym namens Luciferase unterstützt wird.

Eine kugelförmige Drüse in ihren Schwänzen erzeugt das gespenstische blaue Licht

Die hochenergetische Verbindung, die gebildet wird, zerfällt dann und setzt genug Energie frei, um Elektronen in Atomen anzuregen, so dass sie weiter vom Kern wegspringen. Wenn sie sich wieder dort entspannen, wo sie waren, wird ein Photon ausgestoßen und Energie in Form von sichtbarem Licht freigesetzt.

Obwohl alle biolumineszenten Kreaturen die gleiche Reaktion verwenden, variieren die genaue Natur und Struktur von Luciferin und Luciferase dramatisch zwischen verschiedenen Arten.

Bei den Waitomo-Höhlenglühwürmern haben Forscher gerade erst begonnen zu untersuchen, wie die Larven Licht produzieren. Die erste derartige Studie wurde 2015 veröffentlicht. Die Wissenschaftler entdeckten eine bemerkenswerte Ähnlichkeit mit dem vielleicht berühmtesten aller biolumineszierenden Tiere: dem Glühwürmchen.

Die Forscher hatten keinen Grund zu der Annahme, dass die Biolumineszenz des Waitomo-Glühwürmchens so etwas wie die Glühwürmchenversion sein würde. Zum einen wird beim Mischen von Firefly Luciferin mit Waitomo Glowworm Luciferase kein Licht erzeugt.

Es gibt einen großen evolutionären Abstand zwischen Glühwürmchen und Glühwürmchen

Der Glühwürmchen verwendet auch einen ungewöhnlichen Teil seines Körpers, um Lichtorgane namens Malphighian Tubuli herzustellen, die Teil des Ausscheidungssystems des Insekts sind. Es ist ein bisschen wie Menschen, die Licht aus ihren Nieren machen. Keine anderen biolumineszierenden Insekten sind dafür bekannt.

Um dies weiter zu untersuchen, isolierten Wissenschaftler der Universität von Otago in Neuseeland Gene aus den Malphigianischen Tubuli der Glühwürmchen und untersuchten, welche im Vergleich zur Genaktivität an anderer Stelle im Körper der Insekten ungewöhnlich aktiv waren.

Bemerkenswerterweise kodierten drei der aktivsten Gene für Proteine, die der Glühwürmchen-Luciferase ähnlich waren. Das ist seltsam, denn obwohl die beiden Arten beide Insekten sind, gibt es einen großen evolutionären Abstand zwischen Glühwürmchen und Glühwürmchen. Einer ist eine Fliege und der andere ein Käfer. Um einen gemeinsamen Vorfahren für die beiden Organismen zu finden, müsste man 330 Millionen Jahre zurückgehen.

Es ist fast unmöglich, dass ein gemeinsamer Vorfahr die Biolumineszenzgene an beide Käfer weitergegeben hat, da die meisten anderen Insekten, die sich aus demselben Vorfahren entwickelt haben, nicht im Dunkeln leuchten. Stattdessen können sich die beiden Luziferasen unabhängig von einem gemeinsamen Enzym entwickelt haben, das vor langer Zeit von einem Vorfahren geerbt wurde.

“Die beiden Insekten sind evolutionär weit genug voneinander entfernt, dass wir eine einzigartige Chemie vom Glühwurm erwarteten”, sagt Kurt Krause, einer der Wissenschaftler, die den Glühwurm untersuchten. “Es sieht so aus, als ob sich das Luciferin völlig von dem des Glühwürmchens unterscheidet, aber das Enzym Luciferase hat viele ähnliche Eigenschaften.”

Die Natur hat verschiedene Wege gefunden, um das Problem der Lichtherstellung zu lösen

Es ist eine ungewöhnliche Entdeckung, da Forscher wissen, dass andere biolumineszierende Organismen alle möglichen Chemikalien verwenden, um ein Leuchten zu erzeugen. Der Eisenbahnwurm, der ebenfalls kein Wurm, sondern die Larve eines Käfers ist, verwendet zwei verschiedene Luziferasen, um zwei separate Farben zu erzeugen – Rot und Grün wie eine Ampel. Einzelliges Plankton, Dinoflagellaten genannt, bildet sein eigenes Luciferin, das dem grünen chemischen Chlorophyll in Pflanzen chemisch sehr ähnlich ist.

Einige biolumineszierende Tiere stehlen ihr Luziferin von anderen Kreaturen und bringen so andere dazu, ihr Licht für sie zu machen.

Der hawaiianische Bobtail-Tintenfisch zum Beispiel nutzt die Leuchtkraft von Vibrio Fischeri-Bakterien aus. Die Bakterien produzieren kein Licht, wenn sie selbst im Ozean schwimmen, aber wenn sie in das Lichtorgan des Tintenfisches eingebaut werden, beginnen sie ein schwaches blaues Licht zu leuchten. Die Beziehung ist für beide Seiten von Vorteil, da die Bakterien im Austausch für die Lichtproduktion einen stetigen Nährstoffstrom erhalten.

“Wenn man sich die Chemie der Luziferine anschaut, löst molekularer Sauerstoff zwar immer die Glühreaktion aus, aber die tatsächlich verwendeten chemischen Luziferine sind sehr unterschiedlich”, sagt Krause. “Die Natur hat verschiedene Wege gefunden, um das Problem der Lichtherstellung zu lösen.”

Wie genau ist diese lichterzeugende Fähigkeit überhaupt entstanden? Eine Theorie besagt, dass sich Luciferine zuerst als Antioxidantien entwickelten.

Auf der frühen Erde, bevor unser Planet eine richtige Atmosphäre hatte, wurden Lebensformen mit UV-Strahlung der Sonne bombardiert. Diese Strahlung hätte Wasser zerbrochen und eine schädliche reaktive Form von Sauerstoff freigesetzt, die Zellen schädigt. Das Leben reagierte mit der Produktion von Antioxidantien – Chemikalien, die diesen gefährlichen Sauerstoff aufnehmen können.

Zwischen 80 und 90% der Arten, die 700 m oder mehr unter dem Meeresspiegel leben, können ihr eigenes Licht produzieren

Allmählich veränderte sich die Erdatmosphäre. Der Sauerstoffgehalt stieg an, was bedeutete, dass mehr zur Verfügung stand, um sich in den Ozeanen aufzulösen, und Organismen konnten beginnen, tiefere Ebenen des Ozeans zu erforschen und immer noch den Sauerstoff zu bekommen, den sie zum Überleben brauchten. Aber wenig von dem schädlichen UV-Licht filtert durch die Wassersäule, so dass die Antioxidantien, die von diesen tief lebenden Organismen produziert wurden, außer Betrieb waren.

Die Evolution reagierte wie immer: es improvisierte und fand eine neue Rolle für die Antioxidantien.

Da es in der Tiefe wenig Licht gab, brauchten die Arten einen Weg, Nahrung und Partner zu finden. Die Tatsache ausnutzend, dass die Antioxidantien bereits entwickelt hatten, um mit Sauerstoff zu interagieren, wählte Evolution nach und nach Versionen aus, die Licht als Teil dieser Interaktion erzeugen. Die Biolumineszenz entwickelte sich – und erwies sich als so nützliche Innovation, dass sie sich wie ein Lauffeuer ausbreitete.

Tatsächlich wird angenommen, dass zwischen 80 und 90% der Arten, die 700 m (2.297 Fuß) oder mehr unter dem Meeresspiegel leben, ihr eigenes Licht produzieren können.

Selbst an den dunkelsten Orten haben viele Tiere Augen, die sich anstrengen, um den schwächsten Schimmer zu fangen, und es scheint, dass einige Tiere Biolumineszenz entwickelt haben, um ihre Aufmerksamkeit zu erregen.

In einigen Fällen kann ein leuchtender Körper tatsächlich dazu führen, dass Sie weniger wahrscheinlich gesehen werden

Der beängstigend aussehende Seeteufel hat zum Beispiel einen speerartigen Anhang, den er wie einen Leuchtturm beleuchtet. Fische schwimmen für einen genaueren Blick hinein und werden von den monströsen Kiefern des Seeteufels zerrissen.

Glühwürmchen hingegen nutzen Licht, um einen Partner anzuziehen, anstatt eine Mahlzeit. Bei einigen Arten geben die Männchen ein bestimmtes Muster ab, das den Weibchen mitteilt, dass sie an einer Paarung interessiert sind.

Aber Geschöpfe des Lichts haben nicht immer Anziehungskraft im Kopf. Einige erzeugen Licht, um die Aufmerksamkeit abzulenken – oder sogar unerwünschte Kontrolle ganz zu vermeiden. In einigen Fällen kann ein Körper, der aufleuchtet, dazu führen, dass Sie weniger gesehen werden.

Die funkelnden Lichter des oben genannten hawaiianischen Bobtail-Tintenfischs ermöglichen es ihm, sich zu tarnen, da das Licht das des gesprenkelten Lichts nachahmt, das die Wassersäule von der Oberfläche herunterfiltert. Raubtiere, einschließlich Haie, jagen oft von unten, indem sie nach Silhouetten im Wasser suchen, wo ein Tier das Sonnenlicht blockiert. Die Verwendung von Biolumineszenz als eine Form der Gegenbeleuchtung kann diese Angriffe vereiteln, indem das Tier so hell wie das umgebende Wasser gemacht wird.

Hatchetfish verwenden diesen Ansatz auch. Sie haben Licht emittierende Organe, die von ihren Bäuchen nach unten zeigen. Sie sind in der Lage, die Lichtmenge, die sie erzeugen, so einzustellen, dass sie der vom Himmel kommenden entspricht, wodurch sie für Raubtiere darunter fast unsichtbar werden.

Raubtiere, einschließlich Haie, jagen oft von unten, indem sie im Wasser nach Silhouetten suchen

Neben der Tarnung können Tiere blinkende Lichter verwenden, um ihre Feinde zu erschrecken und zu verwirren und ihnen wertvolle Zeit für die Flucht zu verschaffen. Vampir-Tintenfische leben tief in den Tiefen des Ozeans. Wenn sie angegriffen werden, spritzen sie einen im Dunkeln leuchtenden Schleim auf ihren Angreifer.

Spröde Sterne, ein enger Verwandter von Seesternen, haben auch eine einzigartige und schlaue Art, Raubtiere auszutricksen. Sie können einen ihrer leuchtenden Arme lösen, so dass das Raubtier dem Arm anstelle des Hauptkörpers des spröden Sterns nachjagt. Später können sie ihren Anhang wieder wachsen lassen.

Einige Arten von Seegurken – ein weiterer Verwandter von Seesternen – sind noch frecher und können ihre leuchtenden Körperteile an vorbeiziehende Fische weitergeben. Das Raubtier jagt dann dem Fisch nach, während die Seegurke entkommt.

Andere Kreaturen können ihre Raubtiere überlisten. Sie verwenden Biolumineszenz, um Tiere anzulocken, die diese Jäger angreifen und fressen.

Dinoflagellates Plankton fällt in diese Kategorie. Sie produzieren blendende Displays von blauem Licht in der Nacht. Das Licht warnt Tiere weiter oben in der Nahrungskette, die von der Aussicht angezogen werden, eines der Tiere zu fangen und zu essen, die auf dem Plankton weiden.

Spröde Sterne können einen ihrer leuchtenden Arme lösen, so dass das Raubtier dem Arm anstelle des Hauptkörpers nachjagt

Woher wissen Tiere also, dass das Licht, das sie erzeugen, die richtige Aufmerksamkeit erregt? Wenn Licht sowohl erschrecken als auch anziehen, locken oder ablenken kann, möchten Sie sicherstellen, dass Sie die richtige Wirkung auf Beute, Partner oder Raubtiere haben.

Eine Theorie besagt, dass Organismen im Allgemeinen von einem Leuchten angezogen werden, aber durch kurze und helle Blitze erschreckt oder abgelenkt werden. Wenn zum Beispiel die weibliche Waitomo-Glühwurmfliege aus ihrem Kokon auftaucht, strahlt sie ein stetiges Leuchten aus. Sie ist schnell von Männern umgeben, die sich mit ihr paaren wollen.

Das stetige Leuchten ist auch nützlich, wenn es darum geht, Insekten zum Essen zu locken. Es ist dieser Effekt, der das Dach ihrer Höhlen wie den Nachthimmel funkeln lässt – und die menschliche Aufmerksamkeit fesselt, seit Häuptling Tinorau das Spektakel vor 130 Jahren zum ersten Mal gesehen hat.Facebook instagram

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