Von leuchtenden Korallen bis hin zu erbrechenden Garnelen nutzen Tiere seit Millionen von Jahren die Biolumineszenz zur Kommunikation – hier ist, was Wissenschaftler noch immer nicht darüber wissen

Organismen, die Licht erzeugen können, faszinieren den Menschen schon lange.Aristoteles, der sowohl Wissenschaftler als auch Philosoph war, verfasste den ersten ausführlichen Text Beschreibungen dessen, was er „kaltes Licht“ nannte” vor mehr als 2.000 Jahren.In jüngerer Zeit bahnbrechende Forscher wie Veteranen der Armee des Zweiten Weltkriegs Emmett Chappelle und Pilot eines Tieftauchfahrzeugs Edith Widder hat die Erforschung dieses Phänomens mit neuartigen Technologien vorangetrieben.

Mindestens 94 lebende Organismen produzieren ihr eigenes Licht durch eine chemische Reaktion in ihrem Körper – eine Fähigkeit, die Biolumineszenz genannt wird.Beispiele hierfür sind leuchtende Glühwürmchen, Algen, die „erzeugen“im Dunkeln leuchtende Buchten, kleine Krebstiere mit komplizierte Balzdarstellungen, sowie Tiefseefische und Korallen.Doch trotz seines weit verbreiteten Vorkommens wissen Wissenschaftler noch nicht, wann und wo es erstmals auftauchte und welche ursprüngliche Funktion es hatte.

Als Meeresbiologen WHO sind auf Tiefseelebensräume spezialisiert, Wir wissen, dass Biolumineszenz besonders wichtig ist häufig im Ozean.Dies deutet darauf hin, dass die Lichtproduktion Organismen aus der ganzen Welt bescheren kann Baum des Lebens ein Fitnessvorteil, der ihre Überlebenschancen verbessert.

Unsere Forschung konzentriert sich auf Oktokoralen – Weichkorallen Zum Beispiel Gorgonien, die baumartige Formen haben und an verschiedenen Orten in den Weltmeeren vorkommen.Sie sind vielfältig und alte Tiergruppe Dazu gehören etwa 3.500 Arten, von denen viele biolumineszierend sind.

Oktokoralen können in den Ozeanen, insbesondere in der Tiefsee, Korallengärten und Tierwälder anlegen.Diese Gemeinden bieten vielen anderen Tieren, darunter Fischen und Haien, ein Zuhause und einen Aufwuchs.

Alle Oktokoralen verwenden dasselbe chemische Reaktion zur Biolumineszenz.Eine Studie aus dem Jahr 2022 ermittelte das evolutionäre Beziehungen zwischen diesen Korallen.Diese genetischen Zusammenhänge und die Tatsache, dass es Fossilien von Oktokorallen gibt, machen diese Tiere zu einem idealen Ziel für die Untersuchung, wann Biolumineszenz auftrat und wie sie sich im Laufe der geologischen Zeit ausbreitete.

Prüfung auf Biolumineszenz auf See

Vor über einem Jahrzehnt haben wir damit begonnen, die Fähigkeit verschiedener Oktokoralarten zur Biolumineszenz zu testen.Um das leuchtende Licht zu erzeugen, müssen Korallen entweder physikalisch oder chemisch stimuliert werden.

Biolumineszenz weckte unsere Neugier zum ersten Mal während einer Forschungskreuzfahrt im Jahr 2014 mit dem R/V Celtic Explorer über die USA Whittard Canyon vor der Südwestküste Irlands.Wir entnahmen eine Gewebeprobe einer Bambuskoralle, die mit einem ferngesteuerten Fahrzeug vom Tiefseeboden gesammelt wurde.

Das Fahrzeug verfügte über Manipulatorarme, mit denen der Pilot Korallenproben sammeln und in Probenbehälter legen konnte, um die Organismen beim Auftauchen des Fahrzeugs am Leben und geschützt zu halten.Nachdem diese Probe an Bord des Schiffes gelangt war, entnahmen wir ihr in einem Raum mit schwacher Beleuchtung mit einer Pinzette einen einzelnen Korallenpolypen und sahen einen blauen Lichtblitz.

Seitdem arbeiten wir mit Mitarbeitern der zusammen Monterey Bay Aquarium Research Institute Und Tohoku-Universität um aufzuzeichnen, welche Arten leuchten können, entweder auf dem Schiff nach der Sammlung oder während wir sie mit Kameras bei schlechten Lichtverhältnissen auf dem Meeresboden beobachten.In Kombination mit früheren veröffentlichten Aufzeichnungen wissen wir nun, dass Biolumineszenz bei etwa 60 Korallenarten auftritt.Es ist wahrscheinlich, dass noch viele weitere auf ihre Entdeckung warten.

Wann und warum Biolumineszenz entstand

In einer im April 2024 veröffentlichten Studie stellten wir vor die älteste Aufzeichnung in der geologischen Zeit für Biolumineszenz auf der Erde.Wir haben gezeigt, dass sich diese chemische Reaktion mehrere Jahrtausende früher als in der vorherigen Schätzung entwickelte, etwa zu der Zeit, als sich das Leben auf der Erde vor über 540 Millionen Jahren in einem Zeitraum, der als „…“ bezeichnet wird, rasch diversifizierte die kambrische Explosion.Wir haben dies festgestellt, indem wir das Vorhandensein von Biolumineszenz auf dem Oktokoralbaum des Lebens kartiert haben, einem grafischen Werkzeug, das Biologen verwenden, um evolutionäre Beziehungen zwischen Arten darzustellen.

Anfänglich könnte sich die Biolumineszenz dahingehend entwickelt haben, dass sie abnimmt freie Radikale – chemisch instabile Atome, die kann Zellen schädigen.Irgendwann entwickelte es sich jedoch zu einer Form der Kommunikation.

Unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass Lichtsignale die früheste Form der Kommunikation in den Ozeanen waren, und wir wissen, dass einige Tiere Licht wahrnehmen konnten entwickelte sich während des Kambriums.Unsere Forschung zeigt, dass Wechselwirkungen mit Licht zwischen den Arten zu einer Zeit auftraten, als sich die Tiere rasch diversifizierten und neue Lebensräume besetzten.

Licht gewinnen und verlieren

Wir testen Korallen weiterhin auf vielfältige Weise auf ihre biolumineszenten Fähigkeiten.Eine Hauptkomponente, die bei der Lichterzeugung in Korallen und anderen Tieren beteiligt ist, ist ein Enzym namens Luciferase.Mithilfe von DNA-Sequenzdaten entwickeln wir einen Test für das genetische Potenzial zur Biolumineszenz, der es uns einfacher und weniger invasiv machen wird, dieses Merkmal zu untersuchen.

Wir haben vorläufige Beweise dafür, dass nicht biolumineszierende Oktokoralen immer noch vorhanden sind homologe Luciferase-Gene – genetische Anweisungen, die von einem gemeinsamen Vorfahren aller Oktokoralen weitergegeben wurden.Warum Korallen, die kein Licht produzieren können, diese Gene behalten haben, ist ein Rätsel.

Erzeugen sie sehr schwaches Licht, das Wissenschaftler mit aktuellen Methoden nicht erkennen können?Oder sind ihre Luciferase-Gene nicht funktionsfähig?Weitere Untersuchungen könnten zeigen, warum bestimmte Oktokoralen offenbar die Fähigkeit zur Biolumineszenz verloren haben und wie sich dieser Verlust auf ihr Überleben in verschiedenen Lebensräumen ausgewirkt haben könnte.

Unsere jüngsten Ergebnisse zeigen, dass viele Korallen, die in flachen Gewässern leben, aber daraus entstanden sind Tiefsee-Vorfahren behielt die Fähigkeit zur Biolumineszenz.Es ist möglich, dass einige Korallen diese Fähigkeit im Laufe der Zeit verloren haben, da sie in flacheren Meeresumgebungen mit mehr Licht weniger nützlich wurde.

Wir untersuchen auch, wie sich die Biolumineszenz bei anderen Lebewesen entwickelt hat, darunter bei Garnelen, die aus tiefen Gewässern nach oben wandern, um tagsüber zu fressen und nachts in tiefe Gewässer zurückzukehren.Diese Tiere sind wechselnden Lichtverhältnissen ausgesetzt und erzeugen Licht vielfältige, einzigartige Möglichkeiten.

Ein bemerkenswertes Beispiel sind einige Garnelen Licht erzeugende Chemikalien erbrechen, wodurch ein leuchtender Strahl erzeugt wird, um Raubtiere abzuwehren.Sie verfügen außerdem über äußere biolumineszierende Lichtorgane entlang ihres Körpers, die blaues Licht erzeugen.

Die Untersuchung solcher Lebewesen verbessert unser Verständnis darüber, wie unterschiedliche Lichtmengen in der Umwelt, einschließlich des von Organismen erzeugten Lichts, die Entwicklung der Biolumineszenz beeinflussen beeinflussen das Sehvermögen von Organismen.Dies kann Aufschluss darüber geben, wie sich die Biolumineszenz vor etwa 540 Millionen Jahren, als sich das Leben auf der Erde diversifizierte, auf die Augenentwicklung und das Sehvermögen auswirkte.

Die Tatsache, dass Korallen seit Hunderten von Millionen Jahren Licht erzeugen können, legt nahe, dass diese Fähigkeit erheblich zu ihrem Überleben beigetragen hat.Darüber hinaus stützen unsere Ergebnisse die Idee, dass Biolumineszenz für viele Tierarten, insbesondere in der Tiefsee, im Laufe der geologischen Zeit eine entscheidende Form der Kommunikation war.

Diese Forschung hat für uns neue Ideen über die frühe Evolution und Kommunikation von Tieren hervorgebracht.Lichtsignale boten Tieren eine neue Art der Kommunikation in einer sich schnell verändernden Zeit, in der neue Raubtiere und eine komplexere Landschaft auftauchten.Unter diesen Bedingungen könnten verbesserte sensorische Fähigkeiten im Ozean wertvoll gewesen sein.Vielleicht ist die Biolumineszenz ein fehlendes Puzzleteil, das in Studien über den Ursprung und die Entwicklung von Tieren in der Antike noch nicht die volle Aufmerksamkeit erhalten hat.