Im Dunkeln leuchtende Quallen, im Dunkeln leuchtende Schweine und warum gibt es im Dunkeln leuchtende Garnelen?

Produziert von: Science Popularization China

Autor: Wulianhuakai (junger Biologe)

Hersteller: China Science Expo

Biolumineszenz ist ein sehr häufiges Phänomen. Der Tanz der Glühwürmchen in Sommernächten und die „blauen Tränen“, die durch die Ansammlung von Noctiluca scintillans an der Küste entstehen, sind einzigartige Anblicke, die unzählige Menschen anlocken und fotografieren. Leuchtende Objekte sehen zwar sehr schön aus, wenn man sie jedoch als Nahrungsmittel in den Mund nimmt, muss man sich über die Sicherheitsaspekte Gedanken machen. Im Internet kursierten Bilder von leuchtendem Sushi. Bei starkem Licht sieht das Sushi normal aus, strahlt jedoch bei Dunkelheit ein schwaches blaues Licht aus.

Leuchtendes Sushi

(Bildquelle: Facebook-Screenshot)

Im Juli 2020 berichteten thailändische Medien über Neuigkeiten zu leuchtendem Sushi: Ein thailändischer Junge kaufte diese Schachtel Sushi. Als er den Supermarkt verließ und das Licht allmählich schwächer wurde, erschien und verschwand das blaue Licht auf den Garnelen auf dem Sushi, bis es in völliger Dunkelheit ein helles blaues Licht ausstrahlte. Er zeichnete dieses seltsame Phänomen auf, drehte ein Video davon und lud es in soziale Netzwerke hoch, was eine breite Diskussion auslöste.

Warum strahlt diese Garnele, die als Nahrungsmittel verwendet wird, ein kaltes blaues Licht aus? Ist dieses fluoreszierende Lebensmittel essbar? Um diese Probleme zu lösen, müssen wir mit dem Fluoreszenzphänomen in der Natur beginnen.

Fluoreszierendes Protein bringt Schweine zum Leuchten

Fluoreszierende Proteine ​​sind sehr häufige Faktoren, die Biolumineszenz verursachen können. Bei Anregung mit Licht einer bestimmten Wellenlänge emittieren sie Licht der entsprechenden Farbe. Das erste entdeckte fluoreszierende Protein war das Wildtyp-Grünfluoreszenzprotein (GFP), das 1962 in der Qualle Aequorea victoria gefunden wurde.

Aequorea victoria

(Bildquelle: Wikipedia)

Das Leuchtprinzip dieser Quallenart ist relativ kompliziert. Zunächst verbinden sich Aequorin und Coelenterazin in der Qualle kovalent und bilden ein stabiles Zwischenprodukt mit Lumineszenzfähigkeit. Bei der gebildeten kovalenten Bindung handelt es sich um eine Peroxidbindung. Unter dem Einfluss von Calciumionen brechen kovalente Bindungen auf, es kommt zu einer Oxidationsreaktion und blaues Licht wird freigesetzt. Dieses blaue Licht kann die fluoreszierenden Proteine ​​in der Qualle aktivieren.

Die GFP-Leuchtgruppe wird dann unter Bestrahlung mit blauem Licht aktiviert und sendet grüne Fluoreszenz in Form von Energie aus, wodurch die Victoria Aequorea grün erscheint.

Kurz gesagt erfordert sein natürlicher Lumineszenzprozess die Erzeugung von blauem Licht, um GFP anzuregen, das dann grünes Licht aussendet.

Prinzip der grün fluoreszierenden Proteinlumineszenz

(Bildquelle: Referenz 1, übersetzt vom Autor)

Basierend auf dem oben genannten Phänomen verwendet die moderne Biologie die DNA-Rekombinationstechnologie, um fluoreszierende Proteingene zur Expression in geeignete Zellen zu klonen und verwendet dann ein Fluoreszenzmikroskop, um die markierten Proteine ​​in vivo zu beobachten. Ein Fluoreszenzmikroskop simuliert künstlich den oben genannten Prozess der Blaulichtemission, sodass bei Verwendung eines Fluoreszenzmikroskops eine grüne Fluoreszenz sichtbar wird.

Durch die Modifikation des GFP-Gens wurden verbessertes GFP und fluoreszierende Proteine ​​in mehreren Farben hergestellt, sodass die Zellaktivitäten einfacher und klarer verfolgt werden können. Daher werden fluoreszierende Proteine ​​auch als „Erleuchtung für die Zukunft der biologischen Forschung“ gepriesen.

Vor mehr als zehn Jahren züchteten chinesische Wissenschaftler „leuchtende Schweine“. Diese geklonten Schweine können unter Anregungslicht bestimmter Wellenlängen vier Arten von Fluoreszenz emittieren: Rot, Gelb, Grün und Cyan.

Transgene geklonte Schweine, gezüchtet vom Guangzhou Institute of Biomedicine and Health, Chinesische Akademie der Wissenschaften

(Bildquelle: cas.cn)

Liegt der Grund, warum die Sushi-Garnele in der Hand des Thailänders in den Nachrichten ein schwaches Licht ausstrahlte, also daran, dass ihr Körper auch fluoreszierendes Protein enthält? Leider ist dies nicht der Fall. Fluoreszierende Proteine ​​kommen vor allem bei Nesseltieren vor. Derzeit liegen keine Berichte über den Nachweis fluoreszierender Proteine ​​bei allgemein essbaren Garnelen vor. Daher können wir die Möglichkeit fluoreszierender Proteine ​​grundsätzlich ausschließen.

Plankton unter dem Lumineszenzsystem „Luciferin-Luciferase“

Mit Beginn des Sommers tritt an den Küsten vieler Teile meines Landes das Phänomen der „blauen Tränen“ auf. Auf der schwankenden Meeresoberfläche erscheinen blaue Lichtflecken, wie blaue Tränen, die aus dem Meer fließen. Diese Szene entsteht durch das Leuchten einer Explosion von Noctiluca scintillans. Der Grund für das Leuchten von Noctiluca scintillans liegt in der lumineszierenden Enzymreaktion „Luciferin-Luciferase“.

Blaue Tränen, fotografiert vom Autor an der Küste von Rizhao, Provinz Shandong, am Abend des 13.03.2022

Ist die Farbe der „blauen Tränen“ nicht ähnlich der Farbe des leuchtenden Sushi, das wir am Anfang gesehen haben? Der Grund, warum sie alle blau erscheinen, liegt wahrscheinlich darin, dass sich die Lichtausbreitung im Wasser stark von der in der Atmosphäre unterscheidet. Blaues und grünes Licht haben die stärkste Durchdringungskraft im Meerwasser, daher strahlen die meisten leuchtenden Meeresorganismen blaues oder grünes Licht aus. Dadurch entsteht auch ein interessantes Phänomen. In der lichtlosen Tiefsee hat neben Schwarz auch Rot eine hervorragende Tarnwirkung, was auch erklären kann, warum viele Tiefseelebewesen ein rotes Aussehen haben.

Ausbreitung von Licht im Wasser

(Bildquelle: Wikipedia)

Im leuchtenden Plankton durchläuft Luciferin unter der Katalyse von Luciferase eine Oxidationsreaktion, bei der Luciferin im angeregten Zustand erzeugt wird und Licht emittiert. Viele Meeresorganismen, darunter leuchtende Dinoflagellaten, Quallen, Rippenquallen, Seeglühwürmchen und Leuchtkäfer, leuchten deshalb. Auch landlebende Glühwürmchen emittieren Licht nach diesem Prinzip. Es ist anzumerken, dass das von verschiedenen Spezies verwendete Luciferin und die Luciferase nicht identisch sind und dass auch ihre Reaktionsprozesse unterschiedlich sind.

Der Ablauf der Enzymreaktion verschiedener Arten A Glühwürmchen B Weißstreifen-Regenwurm C Seeglühwürmchen D Leuchtende Süßwasser-Napfschnecke E Leuchtende Bakterien F Krill

(Bildquelle: Referenz 3)

Im Gegensatz zur passiven Lumineszenz fluoreszierender Proteine ​​handelt es sich bei der Luciferase-Reaktion um eine echte Lumineszenz von Organismen. Aus diesem Grund erfordert dieses Leuchtsystem manchmal externe Störungen oder neuronale Kontrolle, um es zu stimulieren. Und es weist eine gewisse tägliche oder jahreszeitliche Periodizität auf.

Allerdings ist das leuchtende Plankton hauptsächlich am Cephalothorax, den Gliedmaßen und dem Panzer der Garnele befestigt und die Wahrscheinlichkeit, dass die Muskeln auch nach dem Entfernen des Panzers noch leuchten können, ist nicht hoch. Die Sushi-Garnelen in den Nachrichten waren geschält, also war es wahrscheinlich nicht diese enzymatische Reaktion, die sie zum Leuchten brachte.

Leuchtendes Krill

Ist es möglich, dass die Garnele auf diesem Sushi selbst eine leuchtende Garnele ist?

Alle Organismen der Familie Euphausiidae können Biolumineszenz zeigen. Die Biolumineszenz von Krill unterliegt einem jahreszeitlichen Zyklus, der normalerweise im Herbst stattfindet, und kann auch bei Angst biolumineszieren.

Links: Krill Rechts: Leuchtendes Krill

(Bildquelle: Wikipedia)

Krill besitzt ein Organ namens Photophor, ein kugelförmiges Organ mit goldenem und leicht rötlichem Aussehen, das Kristalle, Lichtkörper, Reflektoren und Nerven enthält. Krill verwendet auch das Lumineszenzsystem „Luciferin-Luciferase“, um Licht auszusenden. Im Gegensatz zu leuchtenden Dinoflagellaten kann Krill Luciferin nicht selbst produzieren. Sie können Luciferin nur von außen erhalten, indem sie leuchtende Dinoflagellaten fressen, um die enzymatische Reaktion abzuschließen.

Schematische Darstellung der Krillstruktur und des anatomischen Aufbaus des Leuchtorgans

(Bildquelle: Wikipedia Referenz 2, chinesische Übersetzung des Autors)

Die Leuchtorgane des Krills sind hauptsächlich unterhalb der Augenstiele sowie unterhalb der Laufbeine und Bauchfüße verteilt. Die lichtemittierenden Teile passen nicht zu der Szene, die das leuchtende Sushi darstellt. Leider sind die physiologischen Eigenschaften von Krill nicht für die Herstellung von Sushi geeignet, daher ist es unwahrscheinlich, dass es sich bei dem leuchtenden Sushi um Krill handelt.

Biolumineszierende Meeresbakterien

Nun gibt es noch eine andere Möglichkeit: Sind die Sushi-Garnelen von Leuchtbakterien befallen?

Bakterien, die Biolumineszenz durchführen können, werden Leuchtbakterien genannt. Die meisten davon sind Meeresbakterien. In Tintenfischen und Knochenfischen können marine Leuchtbakterien koexistieren. Bisher wurden mehr als 20 Arten aus 5 Gattungen entdeckt.

Einige leuchtende Bakterien und ihre Wirte

(Bildquelle: Wikipedia)

Bei leuchtenden Bakterien steuert das Lux-Operon die Expression von Lumineszenz-bezogenen Genen. Das Wild-Lumineszenz-Gensystem umfasst die Strukturgene LuxC, D, A, B und E. LuxA und LuxB kodieren die α- bzw. β-Untereinheiten der bakteriellen Luciferase. LuxC, D und E kodieren NADPH-abhängige Fettsäurereduktase, Acyltransferase bzw. ATP-Synthase.

Alle leuchtenden Bakterien haben einen ähnlichen Leuchtreaktionsmechanismus. Unter der Einwirkung von Sauerstoff und Luciferase oxidieren sie reduziertes Flavinmononukleotid (FMNH2) und langkettige Fettaldehyde zu oxidiertem Flavinmononukleotid (FMN) und langkettigen Fettsäuren und emittieren blaugrünes Licht mit einer Wellenlänge von 490 Nanometern. Die optimale Temperatur für die bakterielle Luciferase-Reaktion beträgt 18 °C. Bei über 25 °C wird die Luciferase schnell inaktiviert.

Genexpression und biochemische Prinzipien von Leuchtbakterien

(Bildquelle: Referenz 4)

Aus den oben genannten Informationen lässt sich schließen, dass das von dem thailändischen Jungen gekaufte Sushi höchstwahrscheinlich deshalb leuchtete, weil es mit Leuchtbakterien verunreinigt war. Bei nachfolgenden Tests konnte die örtliche Quarantänebehörde zudem Leuchtbakterien nachweisen.

Wie konnten die leuchtenden Bakterien in kontaminierten Garnelen so hartnäckig vom Meer bis in den Mund der Menschen überleben? Dies liegt wahrscheinlich daran, dass die Bakterien nach dem Fischen nicht gründlich entfernt wurden. Gleichzeitig begünstigen der Sushi-Herstellungsprozess aus rohem Fleisch und Reis sowie die Lagerung bei niedrigen Temperaturen das Überleben leuchtender Bakterien. Nach einer Fortpflanzungsphase strahlt das Sushi schließlich ein kaltes blaues Licht in die dunkle Nacht.

Zufälligerweise gab es in den Nachrichten Berichte über Fälle, in denen rohes Schweinefleisch an vielen Orten im Ausland blaues Licht ausstrahlte. Nach Tests durch die örtlichen Quarantänebehörden wurde bestätigt, dass die Krankheit durch das Leuchtbakterium Pseudomonas fluorescens verursacht wurde.

Leuchtende Bakterien

(Bildquelle: Wikipedia)

Abschluss

Abschließend haben wir die Gründe für die Existenz von leuchtendem Sushi nur aus der Perspektive der natürlichen Lumineszenz von Meeresorganismen analysiert. Hinsichtlich der Leuchterscheinungen anderer Lebensmittel können auch andere Möglichkeiten nicht ausgeschlossen werden, wie etwa die Einmischung von Leuchtstoffen wie Phosphor bei der Lebensmittelverarbeitung. Wir müssen auch alle daran erinnern, dass Sie leuchtende Lebensmittel, die Sie in Ihrem Leben finden, der zuständigen Abteilung zum Testen übergeben können, sie aber bitte nicht essen.

Herausgeber: Guo Yaxin

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(Hinweis: Lateinischer Text sollte kursiv gedruckt werden.)