Eine Facharbeit von Frederike L. und Tom S. für den MSA.
Problemfrage:
Sind Stoffe der Biolumineszenz geeignet, um daraus
alternative Lichtquellen herzustellen?
Einleitung
1 Wir und
die Biolumineszenz
1.1 Warum
wollen wir die Lumineszenz als alternative Lichtquelle nutzen?
2 Bei
welchen Lebewesen kommt die Biolumineszenz vor?
2.1
Gibt es in Deutschland Lebewesen, die die Biolumineszenz verwenden können?
2.2
Benötigen Tiere und/oder Pflanzen einen spezifischen Körperbau, um die Biolumineszenz verwenden zu können?
2.3
Glühwürmchen – Ab wann beginnt der „Leuchtprozess“
3 Vorkommen und Zweck
4 Welche chemischen Stoffe werden bei der
Biolumineszenz freigesetzt?
4.1
Sind die freigesetzten Stoffe gefährlich?
4.2
Könnte man diese Stoffe zur alternativen Lichtgewinnung gefahrlos verwenden?
4.3
Wäre es möglich, mit diesen Chemikalien andere Lebewesen zum "Leuchten" zu bringen?
5 Anwendungen und Fakten der Biolumineszenz
5.1 Beleuchtung für
Straßenzüge?
5.2 Anwendung der Biolumineszenz
5.3 Leuchtende Köder
6.1 Ist dies nun eine alternative
Lichtquelle?
1 Wir und
die Biolumineszenz
Für unsere MSA-
Präsentationsprüfung wählten wir das Thema Biolumineszenz.
Auf dieses Thema wurden wir
schon vor einigen Jahren aufmerksam, als Frederike im Fernsehen einen
Dokumentationsfilm über das Leben in der Tiefsee sah.
Wir hatten uns zwar für das
Thema interessiert, aber zum damaligen Zeitpunkt noch nicht den richtigen
Antrieb gehabt, uns näher mit der Thematik auseinander zu setzen.
1.1 Warum wollen
wir die Lumineszenz als alternative Lichtquelle nutzen?
Zu unserer Problemfrage, ob man
mit Hilfe der Stoffe der Biolumineszenz alternative Lichtquellen herstellen
kann, kamen wir durch die Inspiration unserer Erdkunde- Lehrerin, die im Rahmen
ihres Unterrichts auf globale Probleme hinwies.
Ein großes Problem ist z.B.
die Stromgewinnung.
Könnte man also diese Stoffe
nutzen, könnte man mit deren Hilfe auf lange Sicht den Stromverbrauch der Welt
drastisch reduzieren.
Der Grundgedanke ist, dass
man den Leuchtstoff oder die Bakterien als Lichtquellen nutzen könnte. Man
hätte eine effiziente kalte Lichtquelle und keine Energie würde in Form von
Wärme verloren gehen.
2. Bei welchen Lebewesen kommt die Biolumineszenz vor?
Bei so gut wie allen Gruppen
von Organismen findet man unter anderem biolumineszierende Vertreter. Die
Biolumineszenz ist nicht nur bei Tieren, sondern auch bei Pilzen, Einzellern
und Bakterien vorhanden. Zu den bereits erforschten Tierarten, die die
Biolumineszenz verwenden können, gehören u.a. der Leuchtkäfer, der
Laternenfisch, die Glühwürmchen und auch Springschwänze.
Stark verbreitet ist die Lumineszenz in den
Meerestiefen. Etwa 90% der Tiefseeorganismen können die Lumineszenz verwenden.
Natürlich kommen Tierarten nicht nur in der Tiefsee vor, sondern auch in
Küstengewässern, dort sind biolumineszierende Lebewesen aber nur zu ca. 5%
vertreten.
Es gibt den Laternenfisch,
den Vampirtintenfisch, die Wunderlampen, Leuchtkrebse, Leuchtquallen im
Helgoländer Felswatt und natürlich auch Korallen. Wie ich vorhin bereits
erwähnte, gibt es auch Pilze, die die Lumineszenz verwenden. Von mehr als
100.000 untersuchten Pilzarten sind bisher nur etwa 71 Arten fähig, die
Lumineszenz zu nutzen. Zu diesen Pilzarten gehören der Hallimasch und der
Leuchtende Ölbaumpilz.
Im Bereich der Ozeane kann
man das sogenannte Meeresleuchten beobachten. Dieses wird durch Plankton, z.B.
Dinoflagellaten, hervorgerufen. Hierbei handelt es sich um einzellige
Lebewesen. Bei Strömungsveränderungen reagieren sie mit der Aussendung von
Licht.
Im Meerwasser gibt es auch
einige freilebende Leuchtbakterien. Diese sind auch auf Lebensmitteln wie
Fisch, Fleisch und Eiern vorhanden. Zu diesen Leuchtbakterien gehören zum
Beispiel die Vibrio fischeri und die Photobacterium. Das Bakterium Vibrio
fischeri vermehrt sich hauptsächlich auf toten Salzwasserfischen. Wenn man
einen toten, frischen Salzhering eine Zeit lang kühlt, leuchten die Bakterien auf dem Fisch. Diese
Veränderung ist aber nur im Dunkeln zu beobachten.
2.1 Gibt es in Deutschland Lebewesen, die die
Biolumineszenz verwenden können?
Momentan ist das bekannteste Tier, das die
Biolumineszenz in Deutschland verwenden kann, das Glühwürmchen, auch bekannt
unter dem Namen Leuchtkäfer. Der Leuchtkäfer ist die einzige Art in Deutschland,
die gleichzeitig fliegen und leuchten kann. Alle weiblichen Leuchtkäfer sind
flugunfähig und nur bei den großen Leuchtkäfern zeigen die Weibchen ein
deutlich sichtbares Leuchten. Es gibt in Deutschland drei Arten von
Leuchtkäfern: den kleinen Leuchtkäfer (Lamprohiza splendidula), den großen
Leuchtkäfer (Lampyris noctiluca) und letztendlich noch den Kurzflügel
Leuchtkäfer (Phosphaenushemipterus).
2.2 Benötigen
Tiere und/oder Pflanzen einen spezifischen Körperbau um die Biolumineszenz
verwenden zu können?
Es gibt zwei Arten der Biolumineszenz: das primäre und
das sekundäre Leuchten. Das primäre Leuchten
bedeutet, dass der Organismus das Leuchten der Lumineszenz selber erzeugt. Als sekundäre Leuchten wird aber bezeichnet,
wenn ein Organismus eine Symbiose mit anderen Lebewesen eingeht, z.B. mit
Leuchtbakterien. Diese Leuchtbakterien besitzen die Fähigkeit zum primären
Leuchten. Es kommt vor, dass Tiere eine Symbiose mit Leuchtbakterien eingehen,
aber das nur, wenn für beide Seiten aus dieser Verbindung Vorteile entstehen.
Die Bakterien werden bei dieser Verbindung von dem Wirt (dem Tier) mit Nahrung
und Sauerstoff versorgt und diese Bakterien leben in speziellen Hauttaschen
und/oder Körperpartien.
2.3 Glühwürmchen
– Ab wann beginnt der „Leuchtprozess“?
Der Leuchtprozess bei den Glühwürmchen (Leuchtkäfer)
beginnt bereits bevor sie aus dem Ei schlüpfen. Wenn die Larven dann auf
"Schneckenjagd" gehen, leuchten sie bereits schwach. Warum diese
Larven bereits leuchten, weiß bis heute niemand. Das Leuchtorgan eines
ausgewachsenen Leuchtkäfers, welches sich am Hinterleib befindet, ist nicht für die Taschenlampenfunktion
geeignet.
Die Larven wandeln sich nach mehreren Häutungen über
das Puppenstadium in Leuchtkäfer um. Die Bezeichnung "Würmchen" wird
auf das Aussehen der Weibchen zurückgeführt, denn die Weibchen haben nämlich
entweder gar keine Flügel, oder Sie haben nur Stummelflügel. Die Weibchen haben
die Leuchtorgane der Larven nicht übernommen, sondern haben neue gebildet.
Das Leuchtorgan besteht aus 3 Schichten: in der
mittleren Schicht aus Leuchtzellen wird das Licht erzeugt. Das Licht tritt
durch die äußere, durchsichtige Haut aus und durch die innere Zellschicht, die
mit Salzkristallen vollgepackt ist, wird das Licht nach außen reflektiert.
Die Weibchen
schalten in Sommernächten Ihre Lichter etwa drei Stunden an. Somit entsteht ein
kontinuierlich leuchtendes Muster aus Flecken und Balken, die umherfliegende
Männchen anlocken. Eine amerikanische Art der Leuchtkäfer erkennt sich an
Blinkzeichen, deren Rhythmus von Art zu Art anders ist. Das tägliche
Einschalten des Leuchtorgans bei Einbruch der Dunkelheit steuert eine innere
Uhr.
3. Vorkommen und Zweck
Bereits
in einer Tiefe von 268,22m kann zum ersten mal biolumineszierende Tiere sehen.
Ab 850 m, wo auch die Tiefsee beginnt, werden es dann immer mehr
biolumineszierende Lebewesen. Die Biolumineszenz kann man nicht nur in der
Tiefsee beobachten, sondern auch an Land. Es gibt verschiedene Lebewesen, die
Biolumineszenz nutzen können.
Pflanzen gehören nicht dazu.
Pilze, welche nicht zu den Pflanzen gehören, besitzen die Fähigkeit primär,
also selbst, zu leuchten.
Glühwürmchen,
auch Leuchtkäfer genannt, nutzen ihr Leuchten hauptsächlich zur Kommunikation
oder zur Partnersuche.
4. Welche bestimmten chemischen Stoffe werden
bei der Biolumineszenz freigesetzt?
Für
chemische Biolumineszenz sind verschiedene Komponenten erforderlich. Das Licht
entsteht durch eine chemische Reaktion. Man benötigt ein Luciferin ( Leuchtstoff ) und eine Luciferase ( Enzym ).
Beide sind von Lebewesen zu Lebewesen verschieden. Das Luciferin, z.B.
Coelenterazin, oxidiert mit Hilfe einer Luciferase, in dem Fall Aequorin, mit
Luftsauerstoff und zerfällt hier zu Coelenteramid. Die dabei entstandene
Energie wird in Form von Licht frei. Da jedes Lebewesen, das Biolumineszenz
verwenden kann, eine eigene Variante dafür entwickelt hat, gibt es viele
verschiedene Luciferine und Luciferasen.
Es gibt auch ein grün fluoreszierendes Protein welches GFP abgekürzt wird. Es wurde von dem
japanischem Biochemiker Osamu Shimomura entdeckt.
4.1 Sind diese Freigesetzten Stoffe gefährlich?
Coelenterazin
z.B. ist für den Menschen nicht gefährlich, aber ironischerweise ist es für
Meeresbewohner in einer bestimmten Konzentration schädlich. (WGK 3 stark
wassergefährdend Selbsteinstufung).
Das Luciferin Vargula oxidiert durch eine Luciferase
zu Coelenteramid, welches ein von Coelenterazin bei Oxidation abgegebener Stoff
ist.
Da ich keine verneinenden Informationen zu meiner
Vermutung, dass Coelenteramid genau so ungefährlich für Menschen und in gewisser Dosierung für Meeresbewohner schädlich ist, gefunden habe,
gehe ich davon aus, dass diese These stimmt.
4.2 Könnte man diese Stoffe zur alternativen
Lichtgewinnung gefahrlos verwenden?
Wenn man die Stoffe korrekt lagert und so in Hüllen verschließt,
dass Kinder keinen Zugang haben, könnte man sie verwenden.
Man sollte
aber wie bei fast allen chemischen Substanzen
dafür sorgen, dass die Stoffe nicht auf die Haut gelangen.
Ebenso dürfen sie dem Körper auf keinen Fall zugeführt
werden.
Da ein Protein nicht auf natürlichem Wege in einen
anderen Körper gelangen kann, besteht keine Gefahr durch das GFP.
4.3 Wäre es
möglich mit diesen Chemikalien andere Lebewesen (z.B. Goldfische) zum Leuchten
zu bringen?
Schon aus rein anatomischen Gründen ist es nicht
möglich, mit den chemischen Stoffen andere Lebewesen zum Leuchten zu bringen.
Tiere, die die Biolumineszenz nicht verwenden können (z.B. Goldfische), haben
logischerweise auch keine Organe oder ähnliches, wo dieser Prozess stattfinden
könnte.
Dennoch könnte man sie zum Leuchten bringen. Genau
dies machen bereits einige Forscher im Rahmen der Biomedizin, sie markieren mit
Hilfe des grün fluoreszierenden Proteins Zellen und versuchen derzeit auch
einzelne Stellen in diesen zu markieren um sie später leichter wiederzufinden.
In den Vereinigten Staaten gibt es sogar schon Tierhandlungen, die den
fluoreszierenden Zebrabärbling (leuchtet normalerweise nicht) unter dem Namen
GloFish verkaufen.
In Deutschland ist das Herstellen wie Verkaufen von
GloFischen verboten.
5.1 Beleuchtung
für Straßenzüge?
Der Forscher Antony Evans hat vor, Glühwürmchen mit
Pflanzen zu kreuzen. Er erhofft sich von diesem Projekt, dass man dadurch ganze
Straßenzüge beleuchten kann. Für das Projekt ist das Kapital bereits vorhanden
und Antony Evans muss nur anfangen zu forschen und ihm muss der Durchbruch
gelingen. Was Mr. Evans versucht zu kreieren, kommt bereits in der Natur vor,
denn es gibt den dunklen Ölbaumtrichterling. Genau nach diesem Prinzip möchte
Mr. Evans Pflanzen (Bäume) modifizieren. Jeden Tag gibt es neue technische
Erfindungen auf der Welt und niemand hatte sich darum gekümmert, was mit den
Pflanzen passiert. Aber dann kam Evans, in der rechten Hand eine Glühbirne
haltend und in der linken nur ein kleines Pflänzchen. Er deutete auf die
Glühbirne und meinte, wieso wir dieses technische Gerät benötigen, wenn wir
doch die natürliche Pflanzenwelt besitzen.
"Er und seine Kollegen haben vor die Leuchtgene
aus Glühwürmchen zu modifizieren und mittels eines Trägerbakteriums in das
Erbgut der Ackerschmalwand einzuschleusen."
"Das Problem dabei ist, dass Luciferine oxidieren
und danach nicht mehr leuchten. Die Wissenschaftler wollen deshalb Bausteine
("BioBricks") entwickeln, mit denen Organismen selbst Enzyme bilden
können, die die Oxyluceriferine zerlegen und den Leuchtstoff isolieren. Wenn es
nach Evans gehen würde, dann könnten Bäume bald ganze Straßen erleuchten. Nach
Schätzungen der Forscher würden lediglich 0,02 % der Energie, die durch die
Fotosynthese absorbiert wird, ausreichen, um ausreichend Licht zu produzieren.
Dadurch eröffnet sich ein gigantisches Energie - Einsparungspotenzial. "
5.2 Anwendung
der Biolumineszenz
Nicht nur für die Grundlagenforschung ist die
Biolumineszenz von absoluter Wichtigkeit, denn seit einiger Zeit nutzen
verschiedene technische Geräte und/oder Anwendungen die Biolumineszenz. Zum
Beispiel wird die Lumineszenz als Markierungsmittel in der Molekularbiologie
angewendet. Diese
Anwendung mit Fluoreszenz - Markierungen hat die radioaktive
Markierung weitgehend ersetzt. Sie wird außerdem noch als Nachweismethode in
der Ökotoxologie angewendet. Damit wird die Quantifizierung von Toxinen
nachgewiesen.
Momentan wird diskutiert, ob man die Dinoflgellaten in
der Strömungsforschung zum Nachweis von
Turbulenzen verwendet. Möglicherweise schafft es die Biolumineszenz auch, die
Computer zu übernehmen, denn Forscher kündigen bereits selbstleuchtende Monitore
auf Basis der Lumineszenz an. Weihnachten wurde schon damals beinahe von der
Lumineszenz eingenommen, da eine britische Zeitung im Jahr 1999 berichtete,
dass Wissenschaftler an selbstleuchtenden Weihnachtsbäumen arbeiteten. Somit
wäre es einigen erspart geblieben, den Baum per Hand zu schmücken. Doch bisher
hat es solche Weihnachtsbäume noch nicht gegeben. Vielleicht wird es solche
Erfindungen zu späteren Zeiten einmal geben, doch zur heutigen Zeit ist dies anscheinend
noch nicht möglich.
5.3 Leuchtende
Köder
Beginnen wir mit einem Beispiel: Ein kleiner Fisch
sieht einen kleinen leuchtenden Punkt in den Weiten des Ozeans. Also macht sich
der kleine Fisch auf den Weg zu diesem Punkt. Was dieser kleine Fisch aber
nicht merkt, ist, dass umso näher der kleine Fisch diesem Punkt kommt. desto
dunkler wird sein vorderer Sichtbereich, bis er schließlich das große Maul
eines Anglerfisches sieht.
So sorgt der Anglerfisch dafür, dass er niemals
verhungert. Er nutzt einfach seine Fähigkeit, mit seiner kleinen
"Laterne" und der Biolumineszenz Licht zu erzeugen. Da die meisten
Anglerfische in der Tiefsee leben, dort auch dementsprechend kein Sonnenlicht
einstrahlt, ist der Anglerfisch auf seinen Leuchtköder angewiesen.
Der Anglerfisch ist ein sekundär leuchtender Organismus, denn er ist auf die Mithilfe der
in der "Laterne" gesammelten Leuchtbakterien angewiesen. Ohne diese
Bakterien wäre der Anglerfisch nicht in der Lage, Licht zu erzeugen und hätte
keine Beute. Seine recht dunkle Haut schützt Ihn davor, durch sein selbst erzeugtes
Licht gesehen zu werden.
Ein ebenfalls geschickter Jäger ist der Zigarrenhai.
Er hat an seiner Unterseite einen kleinen Fleck, der aussieht wie ein kleiner
Fisch.
Größere
Fischarten wie der Thunfisch oder die Makrele halten diesen vermeintlichen
Fisch für eine leichte Beute. Also nähern Sie sich dem Zigarrenhai ohne zu
bemerken, dass der Hai bereits auf sie wartet. Anstatt dass die Fische den kleinen
Fisch zu essen bekommen, ist der Hai schneller und verspeist sie zuerst. Üblicherweise
strahlen alle lumineszierende Meeresbewohner blaues Licht ab.
„ Zum einen, weil dieser Wellenlängenbereich die größte
Reichweite unter Wasser hat, zum anderen, weil die meisten Meeresbewohner nur
dieses Licht sehen können, denn ihnen fehlen die Pigmente, um andere
Wellenlängen wahrzunehmen."
6. Unser Fazit
Da die Biolumineszenz keine Nachteile
aufweist, ist sie als mögliche effizientere Lichtquelle eine gute Option zur
herkömmlichen Stromerzeugung. Mithilfe der chemischen Stoffe ist es derzeit
zwar nicht möglich, alternative Lichtquellen herzustellen. Allerdings glauben
wir, dass in einigen Jahren, sich auch wieder Forscher mit dieser Thematik
auseinander setzen werden. Durch das GFP ist in diesem Bereich bereits einiges
möglich, ohne dass den Versuchstieren größerer Schaden zugefügt wird.
Im Rahmen unserer Facharbeit haben wir
im Wesentlichen nur an der Oberfläche des Themas Biolumineszenz
"gekratzt". Diese Thematik ist zu umfangreich, um sie in einer
Facharbeit von maximal 15 Seiten zu erläutern, da dieses Thema zu komplex für
eine MSA - Facharbeit ist. Wie das bereits bei dem Stichpunkt 5.1 erwähnte
Projekt der Kreuzung von Glühwürmchen und Bäumen vermuten lässt, ist es unserer
Meinung nach derzeit nicht möglich, Pflanzengene mit Tiergenen zu vereinen.
Die Biolumineszenz ist nur eine von
vielen verschiedenen Lumineszenzarten. Die Biolumineszenz gehört außerdem auch
zur Chemolumineszenz. Sie hat auch zum Teil mit der Genetik zu tun, wobei wir
diesen Teil ausgelassen haben, da er zu umfangreich ist. Auch die Summenformeln
der Biolumineszenz haben wir nicht mit in die Facharbeit eingefügt, da wir
keine verständliche Formel gefunden haben. Außerdem sind wir nicht weiter
darauf eingegangen, dass nur der weibliche Anglerfisch eine "Laterne"
besitzt. Auch einige wichtige Forscher wie z.B. Edith Widder, Martin Chalfie
und Roger Tsien Träger des Nobelpreises für Chemie 2008 haben wir nicht
erwähnt.
6.1 Ist dies nun eine
alternative Lichtquelle?
Ja,
allerdings kann man das Licht nicht zum Ausleuchten von Räumen oder dergleichen
nutzen. Aber als Nachtlicht wäre es im normalen Haushalt zu gebrauchen.
Ebenfalls könnte man es als kleine Leselampe verwenden.
Das GFP wird
seit Jahren in der Biochemie verwendet, um Zellen und Zellbestandteile zu
markieren.
Quellen:
Literatur Verzeichnis:
Autoren
- Dr. Sabine Bieg
- Dr. Thomas Waßmer
- Prof. Dr. Alfred Maelicke
http://www.planet-wissen.de/natur_technik/licht/phaenomen_licht/biolumineszenz.jsp, http://www.planet-wissen.de/natur_technik/tiere_im_wasser/tiere_der_tiefsee/index.jsp,
(zuerst erschienen in
"explore: - Kundenmagazin des TÜV Nord")
scinexx®
- A. F. Holleman, Egon Wiberg: Lehrbuch der Anorganischen Chemie. de Gruyter, Berlin 1995, ISBN 3-11-012641-9.
- Erwin Riedel: Anorganische Chemie. de Gruyter, Berlin 2002, ISBN 3-11-017439-1.
- Dietmar Ritter: Charakterisierung und Einsatz alternativer Arsen- und Phosphor-Quellen für die Metallorganische Molekularstrahlepitaxie von InP und GaInAs. Shaker, Aachen 1998, ISBN 3-8265-4489-7.
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http://www.wissenschaft-aktuell.de/extra_rubriken/Biolumineszenz__Wenn_Lebewesen_leuchten.html ,
(Zuerst erschienen in "explore: - Kundenmagazin des TÜV Nord")
(Zuerst erschienen in "explore: - Kundenmagazin des TÜV Nord")
Edith Widder: Glowing life in an underwater world
Edith Widder: The weird and wonderful world of bioluminescence
Literatur:
- Vortrag, Didaktik der Chemie, Wuppertal
- D. Wöhrle, M. W. Tausch, W. D. Stohrer; Photochemie, Wiley-VCh, 1998
scinexx®
Sicherheitsdaten
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Quelle :
Sigma Aldrich
andere
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