Wie leuchten Glühwürmchen? Wurde im Voraus aufgeladen?

Produziert von: Science Popularization China

Autor: Chongyan Chongyu Team

Hersteller: China Science Expo

Im Sommer sieht man in der Dämmerung oft kleine Lichter zwischen Gras und Büschen in den Gebirgsbächen in der Luft hängen. Sie scheinen mit den Sternen um das Rampenlicht zu konkurrieren oder wie Paare zu sein, die Laternen für einen nächtlichen Spaziergang halten. Wenn Sie die „kleine Lampe“ mit einem kleinen Netz abdecken, werden Sie erkennen, dass es sich um einen kleinen Käfer handelt, der mit einer harten Schale bedeckt ist. Da das Ende seines Hinterleibs ein wenig fluoreszierendes Licht ausstrahlen kann, gaben ihm die Menschen einen anschaulichen Namen: Glühwürmchen.

(Bildquelle: Veer-Fotogalerie)

Glühwürmchen gehören zur Ordnung Coleoptera, Familie Lampyridae, in der großen Familie der Insekten. Im Allgemeinen sind Glühwürmchen einige Millimeter lang, die größten können jedoch über 17 Millimeter lang sein. Glühwürmchen sind magische und wunderschöne Insekten. Der schlanke, leicht abgeflachte Körper hat einen blaugrünen Glanz. Das Pronotum ist relativ flach und breit und bedeckt oft den Kopf. Das Fühlerpaar mit kleinen Zähnen am Kopf ist in 11 Segmente unterteilt. Drei Paar schlanker, kriechender Beine. Das Männchen hat gut entwickelte Flügeldecken und seine Hinterflügel sind fächerartig, normalerweise unter den Vorderflügeln gefaltet und nur beim Fliegen ausgebreitet; das Weibchen hat kurze oder keine Flügel. Einige Gruppen sind gesellig und es ist zu beachten, dass nicht alle Arten der Glühwürmchenfamilie Licht aussenden können. Im Laufe seines Lebens durchläuft ein Glühwürmchen vier völlig unterschiedliche Stadien: Ei, Larve, Puppe und erwachsenes Tier. Es handelt sich um eine Insektenart, die eine vollständige Metamorphose durchläuft.

(Bildquelle: Veer-Fotogalerie)

Das Leuchtorgan des Glühwürmchens wächst an den letzten drei Segmenten des Hinterleibs des weiblichen Insekts. Von außen sieht es aus wie eine Schicht aus silbergrauem, transparentem Film, bei dem es sich um das fluoreszierende Pigment handelt. Zieht man diese Folie ab und betrachtet sie unter einer Lupe, erkennt man Tausende leuchtender Zellen. Darunter befindet sich eine reflektierende Schicht und um die leuchtenden Zellen herum befinden sich kleine Tracheen und dicht gepackte, feine Nervenäste. Die Hauptsubstanzen in Leuchtzellen sind Luciferin und Luciferase. Wenn Glühwürmchen anfangen, sich zu bewegen, beschleunigt sich ihre Atmung und sie nehmen viel Sauerstoff auf. Über die kleine Luftröhre gelangt der Sauerstoff in die Leuchtzellen. Wenn das Luciferin mit der Luciferase interagiert, die in den Zellen als Katalysator wirkt, wird das Luciferin aktiviert und löst eine biologische Oxidationsreaktion aus, die dazu führt, dass der Hinterleib des Glühwürmchens ein hellgrünes Licht aussendet. Aufgrund der unterschiedlichen Atemrhythmen der Glühwürmchen erzeugen diese ein mal helles, mal schwaches „Blitzsignal“.

(Bildquelle: Veer-Fotogalerie)

Das Luciferin in Glühwürmchen ist nicht unerschöpflich. Woher kommt also die Energie, die es ihnen ermöglicht, immer wieder zu leuchten? Es stellt sich heraus, dass die Energie aus Adenosintriphosphat (kurz ATP) stammt, der Substanz, die allen lebenden Organismen Energie liefert. Mit dieser Energiequelle in ihrem Körper können Glühwürmchen nicht nur kontinuierlich, sondern auch mit höherer Helligkeit Licht aussenden. Um Licht auszustrahlen, reicht eine leuchtende Struktur allein nicht aus; sie bedarf auch der Regulierung und Kontrolle durch das Gehirn und Nervensystem. Wenn wir ein Experiment durchführen und einem Glühwürmchen den Kopf abschneiden, funktioniert der Mechanismus seiner Lumineszenz nicht mehr. Das zweite und dritte Hinterleibssegment des weiblichen Insekts können leuchten und erscheinen dadurch wie ein breites Band, während das letzte Segment lediglich einen Lichtpunkt bildet, der auf beiden Seiten der Körpersegmente und von hinten sichtbar ist. Nur das letzte Segment des Hinterleibs des männlichen Insekts kann Licht aussenden. Dies ist dasselbe wie das letzte Segment des Hinterleibs des weiblichen Insekts, das ebenfalls als zwei Lichtpunkte erscheint.

Die Eier, Larven und Puppen von Glühwürmchen können alle leuchten. Wenn die Eier gerade gelegt wurden, können sie noch nicht leuchten, aber kurz vor dem Schlüpfen sind von außen zwei Lichtpunkte auf der Eierschale zu sehen. Experimente haben gezeigt, dass dies durch die Aktivität der Larven in der Eierschale verursacht wird. Es sind also tatsächlich die gebildeten Larven, die das Licht aussenden. Am vorletzten Segment am Hinterleibsende der Larve ist ein Leuchtorgan zu erkennen, das allerdings nur zwei von hinten sichtbare Lichtpunkte aussenden kann. 4–5 Tage nach der Verpuppung ist auf beiden Seiten des Hinterleibsendes der Puppe ein sichtbarer Lichtfleck zu sehen, die Puppen befinden sich jedoch in einer Kokonkammer aus Schlamm und Sand, sodass das Licht nicht sichtbar ist.

Glühwürmchen verfügen über eine sehr effiziente Lumineszenz und können fast die gesamte chemische Energie in sichtbares Licht umwandeln, was mehrere bis Dutzende Male effizienter ist als bei modernen elektrischen Lichtquellen. Da die Lichtquelle aus chemischen Substanzen im Körper besteht, ist das von Glühwürmchen ausgestrahlte Licht hell, enthält jedoch keine Wärme und erzeugt kein Magnetfeld. Dieses Licht wird im Volksmund „kaltes Licht“ genannt. Da das Licht von Glühwürmchen keine Strahlungswärme überträgt, gehen Physiker davon aus, dass es sich um ideales Licht handelt, denn wenn etwas Licht aussendet, erzeugt es auch Wärme, beispielsweise eine brennende Kerze. Wenn beispielsweise eine Glühbirne eingeschaltet wird, wird sie sehr heiß. Zur Wärmeerzeugung ist der Mensch allerdings nicht auf das Licht angewiesen. Ideal wäre es, wenn wir Licht erzeugen könnten, das keine Wärme erzeugt wie ein Glühwürmchen. Später simulierte man das Prinzip der Lumineszenz von Glühwürmchen und schuf eine Leuchtstofflampe (Fluoreszenzlampe), die diese Anforderung im Wesentlichen erfüllte.

Mit der Weiterentwicklung der Wissenschaft wird die Anwendung der Fluoreszenz immer umfangreicher. Mithilfe von Fluoreszenz wird der Bakteriengehalt von Lebensmitteln überprüft, Leuchtstofflampen dienen zur Beleuchtung von Minen mit explosiven Gasen, als Kontrollleuchten in Munitionsdepots und als Leuchtmittel bei Unterwassereinsätzen.