Ein Naturphänomen zwischen Magie und Molekülmechanik

In mondlosen Nächten verwandelt sich die Bucht von Mosquito Bay in ein elektrisches Lichtermeer. Jeder Paddelschlag löst ein blaugrünes Aufblitzen aus, jede Bewegung im Wasser scheint Funken zu schlagen. Verantwortlich sind Milliarden mikroskopischer Einzeller, vor allem die Dinoflagellaten-Art Pyrodinium bahamense.

Obwohl Biolumineszenz in der Natur mehr als 50-mal unabhängig entstanden ist, gilt das System der Dinoflagellaten als eines der am wenigsten verstandenen. Die zugrunde liegende Chemie unterscheidet sich offenbar von anderen bekannten Leuchtmechanismen – und genau hier setzen neue biochemische und theoretische Arbeiten an.

Mechanischer Reiz als Startsignal: Licht in 15 Millisekunden

Im Gegensatz zu Leuchtkäfern oder Quallen wird die Lichtproduktion der Dinoflagellaten nicht primär chemisch oder hormonell ausgelöst, sondern mechanisch. Wird die Zelloberfläche deformiert – etwa durch Wellenschlag oder einen Fressfeind – startet eine Signalkaskade in spezialisierten Organellen, den sogenannten Scintillons.

Der Ablauf ist bemerkenswert schnell: Innerhalb von etwa 15 Millisekunden fällt der pH-Wert im Scintillon. Diese Ansäuerung verändert die Konformation eines Luciferin-bindenden Proteins, das zuvor das lichtaktive Molekül stabilisiert hat. Wird es freigesetzt, reagiert das Luciferin mit dem Enzym Luciferase unter Sauerstoffverbrauch – und ein Photon im Bereich von etwa 475 Nanometern (blaugrün) wird emittiert.

Physikalisch handelt es sich um Chemolumineszenz: Ein Reaktionsprodukt entsteht in einem elektronisch angeregten Zustand und gibt beim Rückfall in den Grundzustand Lichtenergie ab.

Ein evolutionäres Rätsel

Warum leuchten Dinoflagellaten überhaupt?

Eine verbreitete Hypothese interpretiert das Aufblitzen als Abschreckung gegen Fressfeinde. Der Meeresbiologe Michael Latz von der Scripps Institution of Oceanography schlägt jedoch eine subtilere „Burglar-Alarm-Hypothese“ vor: Das Licht macht räuberische Garnelen oder andere Angreifer sichtbar und lockt größere Sekundärprädatoren an. Die Leuchtreaktion würde so indirekt die Überlebenschancen erhöhen.

Der Chemiker Stefan Schramm von der HTW Dresden bringt eine andere Perspektive ins Spiel. Er vermutet, dass Biolumineszenz ursprünglich als Nebenprodukt oxidativer Entgiftungsprozesse entstanden sein könnte, als der Sauerstoffgehalt der Atmosphäre vor hunderten Millionen Jahren anstieg. Lichtemission wäre demnach zunächst kein adaptives Signal, sondern ein biochemischer „Abfallprozess“ gewesen, der später evolutionär umfunktioniert wurde.

Die chemische Kontroverse: Ist das Oxyluciferin korrekt identifiziert?

In den meisten bekannten Biolumineszenzsystemen wird Luciferin oxidiert und unter CO₂-Abspaltung zu Oxyluciferin umgewandelt. Der Prozess verläuft häufig über ein energiereiches Dioxetanon-Intermediat – ein viergliedriger Peroxidring.

Bei Dinoflagellaten ist genau dieser Punkt umstritten. Die in den 1980er-Jahren publizierte Struktur des angeblichen Oxyluciferins wurde bislang nicht experimentell als tatsächlicher Lichtemitter bestätigt. Problematisch ist, dass das isolierte Molekül selbst nicht fluoresziert – ein ungewöhnlicher Befund, da das emittierende Produkt üblicherweise auch Fluoreszenz zeigt.

Computergestützte Simulationen unter Leitung von Filipp Furche an der University of California, Irvine untersuchten deshalb systematisch mögliche Reaktionspfade. Mithilfe zeitabhängiger Dichtefunktionaltheorie wurden rund 500 Reaktionsverläufe im Femtosekundenbereich modelliert.

Die Berechnungen sprechen für ein Dioxetanol-Intermediat und eine Lichtemission von etwa 2,4 Elektronenvolt – nahe an den experimentell gemessenen 2,6 eV. Allerdings wurde das Enzym Luciferase in diesen Modellen nicht vollständig berücksichtigt. Damit bleibt offen, ob die Simulation tatsächlich den biologischen Mechanismus abbildet oder nur eine theoretisch plausible Variante beschreibt.

Die zentrale Frage lautet daher weiterhin: Handelt es sich bei Dinoflagellaten um einen chemischen Sonderfall – oder wurde bislang schlicht das falsche Reaktionsprodukt identifiziert?

Genetische Besonderheiten: Ein gigantisches Erbgut

Dinoflagellaten besitzen Genome, die etwa 20-mal größer sind als das menschliche. Bemerkenswert ist dabei nicht eine entsprechend höhere Zahl an Genen, sondern das Fehlen klassischer Transkriptionsfaktoren. Statt Gene flexibel an- und abzuschalten, existieren vielfach 50 bis 200 Kopien des Luciferase-Gens, die permanent exprimiert werden.

Diese ungewöhnliche Genomarchitektur erschwert proteomische Analysen und verzögert die vollständige Aufklärung der beteiligten Proteinkomponenten im Scintillon. Bislang sind neben Luciferase und dem Luciferin-bindenden Protein erst wenige weitere molekulare Akteure identifiziert.

Von Naturphänomen zu Technologie

Biolumineszenz inspiriert längst technische Anwendungen. Bereits in den 1940er-Jahren isolierte William McElroy das Firefly-System und legte damit den Grundstein für ATP-Nachweissysteme in der Biochemie.

Heute arbeiten Forschende an biologisch inspirierten organischen Leuchtsystemen. Ziel ist es, nachhaltige, biologisch abbaubare Alternativen zu klassischen organischen Leuchtdioden (OLEDs) zu entwickeln. Die Quantenausbeute des Leuchtkäfersystems liegt bei etwa 42 Prozent – ein Wert, der viele synthetische Systeme übertrifft.

Gleichzeitig entwickeln Arbeitsgruppen RNA-Tracking-Technologien, bei denen Luciferase-Fragmente erst bei korrekter molekularer Assemblierung Licht erzeugen. Solche Systeme könnten zelluläre Prozesse sichtbar machen, ohne schädliche externe Lichtquellen einsetzen zu müssen.

Ökologische Zerbrechlichkeit des Leuchtens

Das spektakuläre Leuchten von Mosquito Bay ist kein garantiertes Naturwunder. Nach Hurrikan Maria im Jahr 2017 verschwand das Leuchten für mehrere Wochen, ausgelöst durch Süßwassereintrag und Schäden an Mangrovenwäldern.

Mangroven liefern über bakterielle Gemeinschaften essenzielle B-Vitamine, die Dinoflagellaten zum Wachstum benötigen. Zudem sorgt die enge Öffnung der Bucht dafür, dass Organismen nicht ins offene Meer ausgespült werden. Tourismus, chemische Verschmutzung und Klimaveränderungen bedrohen dieses empfindliche Gleichgewicht.

Zwischen ungelöster Chemie und evolutionärer Innovation

Trotz jahrzehntelanger Forschung bleibt die Biolumineszenz der Dinoflagellaten ein chemisches Rätsel. Unsicher sind sowohl die exakte Struktur des lichtemittierenden Oxyluciferins als auch Details des Reaktionsmechanismus.

Fest steht jedoch: Die Kombination aus mechanosensitiver Signaltransduktion, ungewöhnlicher Genomorganisation und möglicherweise einzigartiger Oxidationschemie macht Dinoflagellaten zu einem der faszinierendsten Modelle der Naturwissenschaft.

Das Funkeln des Meeres ist damit weit mehr als ein ästhetisches Schauspiel – es ist ein offenes Forschungsfeld an der Schnittstelle von Chemie, Evolution und Technologie.