Leuchtsignale der Natur

Wenn Überschuss Strahlung erzeugt, oder: Tiere und ihre Signalraketen

Kennen sie noch die gute alte Glühbirne? Oder die romantischen Glühwürmchen? Was hat die eine mit dem anderen zu tun? Nun- eigentlich gar nichts, außer dass die Glühbirne nicht wirklich eine Birne ist und das Glühwürmchen nicht wirklich ein Wurm. Man könnte noch den Glühwein hinzufügen. Der tanzt aber dann wirklich aus der Reihe, weil er nicht einmal wirklich glüht. Die Glühbirne gehört schon lange zur aussterbenden Rasse und verbraucht viel Strom – zu viel, im Verhältnis zum Ergebnis, das Glühwürmchen ist faszinierend und schön anzusehen aber recht selten. Glühwürmchen erscheinen uns wie ein Wunder der Natur, denn sie leuchten ohne Kabel, ohne Akku – also einfach nur so. Natürlich tun sie es nicht einfach nur so – es ist das Ergebnis eines biochemischen Prozesses und am Ende haben wir die Gemeinsamkeit – beide geben Photonen ab.

Das Thema Licht haben wir schon ausführlich in unserer Artikelserie „KnoffHoff- Licht ins rechte Licht gerückt“ unter die Lupe genommen. Das Thema „Photonen“ wollen wir hier noch einmal kurz „beleuchten“.

Absorption, Spontaneous Emission and Stimulated Emission/ Adobe Stock

Was sind Photonen

Licht ist elektromagnetische Strahlung. Elektromagnetische Strahlung ist mit Energie verbunden. Photonen sind die Träger dieser Energie. Das merken wir, wenn wir uns in die Sonne stellen aber besonders deutlich wird es bei der Photovoltaik. Hier wird die Lichtenergie in Strom verwandelt. Photonen haben keine Masse, weshalb sie Lichtgeschwindigkeit erreichen können. Licht können wir uns nun als ein Strom von Photonen vorstellen. Entstehen könne diese Photonen zum Beispiel, wenn ein Elektron (das sind die Teile auf der Schale eines Atoms) von der einen Schale auf die nächste springt. Dieser Effekt wird in der LED-Technologie nutzbar gemacht. Wird einem System, das aus Halbleitern besteht, Strom zugefügt, bewegen sich die Elektronen auf den Kristallen von Schicht zu Schicht – das Springen eines Elektrons auf die nächste Schale.

Biofluoreszenz

Pflanzen nehmen zur Photosynthese die Lichtenergie auf. In den Chloroplasten, den Kraftwerken der Pflanzen, wird diese Energie mit Hilfe von Wasser und Kohlenstoffdioxid in einer chemischen Reaktion in Zucker und Sauerstoff verwandelt. Innerhalb der Photosynthese gibt es zwei Teilbereiche oder auch Stufen. Einen lichtabhängigen Teil und einen lichtunabhängigen Teil. Interessanterweise erfolgt im ersten Teil, dem lichtabhängigen Teil, die Synthese ähnlich der, der Atmungskette in den menschlichen Zellen, an deren Ende die ATP-Produktion steht. Das in der ersten Phase gebildete ATP ist Ausgangsstoff bzw. Energiequelle für die zweite – die lichtunabhängige oder auch dunkle Phase.

photosynthesis. Diagram of the process of photosynthesis, showing the light reactions and the Calvin cycle. photosynthesis by absorbing water, light from the sun, and carbon dioxide from the atmosphere and converting it to sugars and oxygen. Light reactions occur in the thylakoid. Calvin Cycle occurs in the stoma./ Adobe Stock

(Mehr zum Thema ATP finden Sie in unserem Artikel: „Wenn die Zellen nicht aufs Laufband wollen“, in der Kategorie „Der Mensch – Physiologie, Biophysik, Biochemie“)

Photonen leuchten also und sie entstehen im Fall der Biofluoreszenz, durch eine Reaktion zur Energiegewinnung der Pflanze. Es ist überschüssige Energie, die nicht mehr verarbeitet werden kann und dann in Form von roten Photonen wieder abgestrahlt wird. Sie sind ein Randprodukt – eine unbestimmte Reaktion. Anders ist das im Fall der Biolumineszenz. Hier ist das „Leuchten“ oftmals ein Bestandteil der Kommunikation.

Biolumineszenz

Nicht nur Pflanzen geben Photonen ab und leuchten, wenn auch für uns unsichtbar. Auch Lebewesen besitzen diese Eigenschaft. Sie beruht auf chemischen Prozessen. Auch hier handelt es sich um die Abgabe von Energie, wenn auch auf besondere Art und Weise. Manche Lebewesen leuchten auf aktive Weise, manche auf passive oder auch sekundäre Weise. Der Unterschied zur Reflexion besteht darin, dass Licht bei der Lumineszenz zunächst absorbiert wird und in anderer Wellenlänge wieder abgegeben wird. Bei der Reflexion wird das Licht quasi umgeleitet.

Photonenstrahl/ Animation/ Adobe Stock

Glühwürmchen, die streng genommen keine Würmchen, sondern Käfer sind, senden Licht zur Kommunikation aus. In der Regel, um zur Paarung zueinander zu finden. Es kann ein permanentes Leuchten oder auch ein Blinken sein, welches der sogenannte Leuchtkörper erzeugt.

Insbesondere in der Tiefsee kann man viele Beispiele für leuchtende Fische finden. Ob Anlocken von Beute, Warn- oder Drohgebärden oder auch Tarnung – das Leuchten in der Tiefsee hat viele Funktionen.

Über das Ausmaß bzw. die Intensität von Biofluoreszenz wollen Wissenschaftler aus dem All die Belastung und den Stress von Pflanzen messen. Das Messen der Photonen kann helfen die Qualität der Nahrung zu bestimmen. Andere Wissenschaftler untersuchen die Biolumineszenz, um die Umwandlung der Energie eventuell nutzbar machen zu können. So wird z.B. an selbst leuchtenden Bildschirmen gearbeitet. Ein Wissenschaftler hat den Charakter der Kommunikation aufgegriffen und untersucht, ob Zellen in Organismen das Leuchten zur Kommunikation untereinander nutzen.

Zelle mit Lichteffekten/ Adobe Stock

Prof. Fritz Albert Popp ist der Mann, der Biophotonen in menschlichen Zellen entdeckt und deren Bedeutung untersucht hat. Popp griff eine Entdeckung des russischen Wissenschaftlers Alexander Gurwitsch auf. Er konnte nachweisen, dass alle organischen Gewebe Licht aussenden. Popp hatte die These, dass dieses Licht zur Steuerung bzw. Koordination von chemischen Vorgängen dient. Diesen Themenkomplex werden wir genauer in einem anderen Artikel dieser Rubrik genauer bearbeiten. Sie finden diesen hier.