Lichtspektakel unter Wasser – Biolumineszenz in Meerestieren

Wer schon einmal in einem Korallenriff getaucht oder geschnorchelt ist, kennt die vielen bunten Fische. Vielleicht haben Sie sogar ein paar der gut getarnten gesehen, versteckt in einer Koralle oder auf dem Sandboden? Etwas ein Buckliger Drachenkopf, eine kleine Grundel oder ein Eidechsenfisch? Für manch andere Fische sind die Guten wohl gar nicht so gut getarnt wie für uns, denn sie fluoreszieren!

Biofluoreszenz ist weit verbreitet

Biofluoreszenz (die Schwester der gut bekannten Biolumineszenz, also z.B. das Leuchten von Quallen und Algen) ist von Korallen und anderen Nesseltieren bekannt, vor allem das Green Fluorescent Protein (GFP) aus der nordpazifischen Qualle Aequorea victoria. Dieses wird seit Jahrzehnten in der Molekularbiologie eingesetzt, um z. B. via Antikörperkopplung die Verteilung bestimmter Proteine im Gewebe kenntlich zu machen. Dank dieser Markierung leuchten die gesuchten Proteine dann im Fluoreszenzmikroskop grün auf.

Dass Biofluoreszenz allerdings auch in Tieren mit hoch entwickelten Sehapparaten vertreten ist und nicht nur in relativ einfachen Organismen, ist eine erst vier Jahre alte Erkenntnis. In einer 2014 veröffentlichten Arbeit wurde Biofluoreszenz in mehr als 180 Fischarten nachgewiesen. Ein Feuerwerk im Korallenriff, das wir normalerweise nicht sehen, weil wir Menschen Fluoreszenz ohne Hilfsmittel nicht wahrnehmen können.

Wie funktioniert Biofluoreszenz?

Aber warum das Ganze? Warum nicht einfach gute alte Farben im (auch für uns) sichtbaren Bereich verwenden? Weil das mit den Farben unter Wasser so eine Sache ist. Das Wasser filtert Licht, rot und gelb sind unter Wasser schon in wenigen Metern Tiefe nicht mehr erkennbar. Blau- und Grüntöne herrschen vor und Farbunterschiede verschwinden. Was nützt also die schönste rote Körperfarbe, wenn man ein Spotlight braucht, um sie zu zeigen? Biofluoreszenz dagegen arbeitet auf die Weise, dass das blaue, energiereiche Licht aufgenommen und in Form energieärmeren grünen, gelben oder roten Lichts wieder abgegeben wird.

Die im flacheren Wasser lebenden Fische können also einfach das gefilterte Sonnenlicht verwenden, um zu strahlen. Aber auch einige Tiefseearten (nicht nur Fische) haben biofluoreszente Proteine in ihrer Haut. Wozu? Ohne Licht, das die Proteine anregt, kann auch keine Fluoreszenz produziert werden. Da ist dann evolutive Kreativität gefragt: einige Tiefseearten leuchten mittels biolumineszenter Systeme selbst und leuchten damit ihre biofluoreszenten Systeme an. Voilà: aus blauer Lumineszenz entsteht grüne oder rote Fluoreszenz.

Aber die meisten (bisher gefundenen) fluoreszierenden Arten leben in der Dämmerzone, wo wenigstens noch ein wenig Licht vorkommt, oder gar in lichtdurchfluteten Korallenriffen. Vielleicht wäre es an der Zeit für Taucherbrillen mit Fluoreszenzfiltern? Viele Fische dagegen brauchen diese Brille nicht, da sie z. B. Gelbfilter in ihren Augen bereits eingebaut haben. Diese Langpass-Filter erhöhen die Wahrnehmung von Fluoreszenz.

Eine Phänomen, viele Funktionen

Wozu aber dient diese Fluoreszenz? Wahrscheinlich nützt sie der Arterkennung: Beispielsweise Fische aus der Eidechsenfisch-Gattung Synodus und der Grundel-Gattung Eviota unterscheiden sich in ihren fluoreszenten Mustern sehr stark von Art zu Art. Ganz anders und aus sehr eindeutigen Gründen verwendet der Gestreifte Anglerfisch (Antennarius striatus) Biofluoreszenz. Während sein Körper frei von Fluoreszenz ist, leuchtet sein wurmförmiger Köder am Ende der Angel – die Esca – hell orange. Damit sieht sie genauso aus wie die in gleicher Wellenlänge fluoreszierenden Würmer rund um den Anglerfisch. Es handelt sich hier also um eine aggressive Nachahmung um Beute anzulocken.

Auch die Echte und die Unechte Karettschildkröte (Eretmochelys imbricata, Caretta caretta) fluoreszieren grün und rot. Ob das aber „echte“ Fluoreszenz ist, also von den Reptilien selbst produziert, oder nur über die Nahrung aufgenommene, ist derzeit unklar. Genauso wie ihre Funktion.

Haut und Augen spielen zusammen

In Knorpelfischen – also Haien, Chimären und Rochen – ist Biofluoreszenz mindestens drei Mal unabhängig im Laufe der Evolution entstanden, ebenso wie die Fähigkeit diese wahrzunehmen. Fluoreszenz kommt hier in den Familien der Amerikanischen Rundstechrochen (Urotrygonidae), der Teppichhaie oder Wobbegongs (Orectolobidae) und der Katzenhai (Scyliorhinidae) vor. Letzter sind eher verborgen lebende Grundhaie, die in fast allen Meeren vorkommen. In zwei Arten, dem Kettenkatzenhai (Scyliorhinus retifer) und dem Schwellhai (Cephaloscyllium ventriosum) wurde die Biofluoreszenz der Haut ebenso wie ihr Sehsystem näher untersucht.

Die Augen beider Arten haben nur Stäbchenzellen in der Netzhaut mit einem einzigen Sehpigment. Sie können also keine Farben unterscheiden, sondern sehen einfarbig, quasi in Graustufen. Ihre Körper sind – in unserer Wahrnehmung –  beige und graubraun gefleckt. Aber wie sehen sie sich selbst? Bei Beleuchtung mit Weißlicht – also wie sie sich gegenseitig an der Meeresoberfläche sehen würden – können die Flächen mit mäßigem Kontrast voneinander unterschieden werden. In der Tiefe, in der sie leben, gibt es jedoch kein Weißlicht. Die roten und gelben Anteile des Lichts werden vom Wasser herausgefiltert und nur das hochenergetische blaue Licht bleibt übrig. Für unsere Augen ist es in dieser Bedingung schwierig die Muster der Tiere zu erkenne oder sogar die Tiere selbst vor dem Hintergrund zu sehen. Sie sind also gut getarnt, nicht nur für uns, sondern auch für Tiere, die keine Fluoreszenz wahrnehmen – egal ob sie eine oder mehrere Farben wahrnehmen können.

Wie sehen Katzenhaie sich selbst?

Wenn wir aber die Wellenlängen der Hautfluoreszenz und die der Sehpigmente der beiden Katzenhaiarten berücksichtigen, entsteht durch die Fluoreszenz ein kontrastreiches Bild, das sich deutlich von der Umgebung abhebt, vor allem in größerer Tiefe.  Besonders interessant ist, dass der Schwellhai einen Sexualdimorphismus zeigt, mit einer fluoreszenten Gesichtsmaske der Weibchen, die den Männchen fehlt, ebenso stärkere und sich weiter nach hinten ziehende Muster auf der Bauchseite.  In beiden Arten sind die Begattungsorgane, die Klaspern, der Männchen stark fluoreszent. Die Fluoreszenz könnte also der Art- und der Geschlechtserkennung dienen, während die Tiere für Fressfeinde quasi unsichtbar bleiben – vorausgesetzt diese verfügen nur über „herkömmliches“ Sehen.  Wer ihre Fressfeinde jedoch sind, wissen wir derzeit nicht. Vielleicht hat die Evolution den Katzenhaien hier ja auch ein Schnippchen geschlagen und ihre Feinde können grüne Fluoreszenz sehen?

Biofluoreszenz in höheren Meerestieren ist ein recht neues Forschungsgebiet. Noch ist es offen, wie viele Arten diese uns verborgene Fähigkeit zur Ausstrahlung und Wahrnehmung von Fluoreszenz haben. Ebenso wie wir erst an der Oberfläche kratzen, wenn es darum geht zu verstehen, wie und warum sie sich entwickelt haben, wie sie das Verhalten verschiedenster Arten und gar die Zusammensetzung ganzer Ökosysteme beeinflussen.

Quellen:

John S. Sparks et al 2014; PLOS ONE 9(1): The Covert World of Fish Biofluorescence: A Phylogenetically Widespread and Phenotypically Variable Phenomenon; DOI 10.1371/journal.pone.0083259.g001

De Brauwer, J.-P. A. Hobbs 2016; Coral Reefs 35: Stars and stripes: biofluorescent lures in the striated frogfish indicate role in aggressive mimicry; DOI 10.1007/s00338-016-1493-1

David F. Gruber et al 2016; Scientific Reports 6: Biofluorescence in Catsharks (Scyliorhinidae): Fundamental Description and Relevance for Elasmobranch Visual Ecology   DOI 10.1038/srep24751

David F. Gruber, John S. Sparks 2015; American Museum Novitates 3845: First observation of fluorescence in marine turtles