Leuchtkäfer – erleuchtete Wesen

Veröffentlicht am 6. Mai 2011
Das Licht der Leuchtkäfer (oder Glühwürmchen) – die Basis für neue Technologie.

Die Leuchtkäfer haben der brasilianischen Wissenschaft auf dem Feld der Biotechnologie neuen Glanz verliehen, mit vielversprechenden Ergebnissen für die Diagnose und Behandlung von Krankheiten, Effizienztests von Medikamenten und Kontrolle der ambientalen Degradation.

Lampyris_noctilucaIch bin Zeuge – habe selbst schon viele Leuchtkäfer gefangen. Meine Opfer habe ich mit einem Kinderlied angelockt: “Vaga-lume vem-vem, seu pai tá aqui, sua mãe também !” (Leuchtkäferlein komm-komm, dein Papa ist hier, und deine Mama auch). Das Lied versagte nie in jenen Sommernächten in Mirante do Paranapanema, im Westen São Paulos. Ich hielt die Magie ihres Lichts in Streichholzschachteln gefangen, meine Freunde in omenten der Dunkelheit. Während ein paar Nächten leuchteten die Tierchen ununterbrochen: es wurde dunkel und sie leuchteten – ein Phänomen ohne Erklärung, ein Wunder. Ein besonderes Mysterium der Kindheit verliert man nicht so leicht – später habe ich dann meine Bewunderung mit einem anderen Liebhaber der Leuchtkäfer teilen können und von ihm ein paar Erklärungen bekommen – vom Molekularbiologen Vadim, Professor der Universitäten UNESP, in Rio Claro, und der UFSCAR in Sorocaba.

Die Forschungen betreffs der “Luziferasen“ (verantwortliche Enzyme für die Farbe des Lichts) seiner Gruppe gehen buchstäblich in die Luft in diesem Herbst 2006. Ein Experiment mit den Enzymen startet mit dem brasilianischen Astronauten Marcos Pontes im russischen Raumschiff “Soyuz“, um acht Tage lang in der Internationalen Raumstation (ISS) zu verbleiben. Die Ergebnisse helfen bei der Entwcklung von biotechnologischen, biomedizinischen und ambientalen Produkten, inklusive der syntetisierung von pharmaka und der Aufspürung von Patogenen, wie man die Verursacher von Krankheiten bezeichnet.

Aber bevor die einfachen Leuchtkäfer ihre “stratosphärische“ Bedeutung erreichen, möchte ich schon mal erklären, dass ihr Leuchten das Resultat einer biochemischen Reaktion ist, einer Kombination von biologischen Molekülen, welche in der Emission von kaltem Licht in 90% Effiziens resultiert. Während ihres Lebens bedienen sich die verschiedenen Arten von Leuchtkäfern der Biolumineszens als Verteidigung gegen Beutemacher, zum Anlocken von Partnern während ihrer Reproduktiosperiode und um mögliche Beutetiere irrezuführen.

Und nicht nur im ausgewachsenen Stadium (als Käfer) leuchten sie! In der Familie Lampyridae, den man bei uns “Pisca-pisca“ (Blinker) nennt, der bekannteste Leuchtkäfer der Welt, sämtliche Spezies präsentieren die Biolumineszenz in allen Etappen ihrer Entwicklung – vom Ei über die Larve (Glühwürmchen) und die meisten auch als Puppe und ausgewachsener Käfer. Die anderen zwei grossen Familien von Leuchtkäfern sind Elateridae (bei uns “Tec-Tec“) – das waren die, welche ich in Streichholzschachteln gesperrt habe – und die Phengogidae, deren Larven Lichterpaare entlang ihres Körpers besitzen. Dies ist die Familie unter den Coleopterae, welche die grösste Vielfalt an farbigem Licht ausstrahlt.

Was den Lebenszyklus betrifft, so beträgt er für die Leuchtkäfer der Spezies Lampiridae in tropischen Regionen zwische 6 Monaten und 1 Jahr. Spezies eines gemässigteren Klimas können 2 Jahre erreichen. Ein besonderer Fall ist der aquatische Leuchtkäfer (Luciola cruciata). Seine Larve lebt bis zu einem Jahr im Wasser, wo sie Schnecken erbeutet, danach verlässt sie das Wasser, verpuppt sich und lebt als Käfer auf dem Land.

Von besonderer Bedeutung ist auch der Leuchtkäfer Pyrearinus termitilluminans. Alle Jahre wieder gegen Ende des Winters und zu Frühlingsanfang präsentieren diese Leuchtkäfer des Cerrado ein ganz besonderes Lichtspektakel im Nationalpark von Serra da Canastra, in Minas Gerais, oder im Nationalpark das Emas, in Goias: Nach einem Regenfall kriechen die Leuchtkäfer-Larven die Termitenhügel in solchen Mengen hinauf, dass sich dieser in eine Art von “erleuchtetem Weihnachtsbaum“ verwandelt! Ihr Leuchten lockt ihre Beutetiere an, wie Termiten, Ameisen und andere Insekten. Es gibt sogar touristische Programme, die dieses wunderbare Spektakel als besondere Attraktion verkaufen. Wer es gesehen hat ist in der Regel hell begeistert!

Im Vergleich mit den 2.000 bekannten Arten von Leuchtkäfern in der Welt, steht Brasilien da als eines der Länder mit der grössten Vielfalt – mit zirka 500 Arten. Weil die Erforschung dieser Familien erst am Anfang steht und noch viele Lücken aufweist, schätzt man, dass es noch weitere 1.500 brasilianische Arten zu registrieren gilt! “Schon innerhalb eines winzigen Areals des Atlantischen Regenwaldes im Distrikt von Salesópolis (Staat São Paulo) haben wir mehr als 20 verschiedene Arten gesammelt. Das entspricht bereits allen im gesamten Territorium der USA bekannten Spezies“, kommentiert Vadim. Und das ist nicht alles. Der Standard des ausgesandten Lichts von Leuchtkäfern in anderen Regionen der Welt beschränkt sich auf die Farben Grün und Gelb. In Brasilien dagegen leuchten einige Arten auch in Orange und in Rot – letzteres ein Spezialfall der Familie Phrixotrix. “Und es gibt hier sogar noch Zwischentöne dieser Grundfarben“, setzt der Wissenschaftler hinzu.

Der Studiengruppe der UNESP (Uni von São Paulo) – ist es gelungen, die grösste Bibliothek über Luciferases der Welt zu schaffen. Dort unterhalten sie eine Gruppe von geklonten Enzymen von sieben unterschiedlichen Käferarten und mehr als 30 mutierende Enzyme, die im Labor produziert wurden. So erhält die Luminosität der Leuchtkäfer mittels genetischer Technik praktische Applikationen, ohne nachteilige Wirkungen auf die natürliche Population der Käfer. Bioluminöse Markierungen für das Studium der Zellfunktionen bei Säugetieren werden in Europa, den USA und Japan bereits verwendet. Das Gen des Leuchtkäfers wird zum Beispiel an das Gen des Insulins angeschlossen, und man kann dann die Insulinproduktion im Organismus mittels dieser Beleuchtung und einer speziellen Ausrüstung verfolgen.

Ein anderer Fall ist der des aquatischen Leuchtkäfers – einer in Brasilien studierten Spezies – die als Bioindikator benutzt wird, um die Degradierung von Wasserläufen zu bewerten. Der Professor Nobuyashi Ohba, vom Museum Yokosuka in Japan, nahm den Käfer mit in sein Land und setzte ihn in Flüssen aus, deren Wasser neu aufbereitet worden war. Und jetzt misst er das ambientale Gleichgewicht durch diese Käfer. Der Erfolg seiner Methode interessiert bereits verschiedene Präfekturen. Auf diese Weise hat die Biolumineszens der Leuchtkäfer die brasilianischen Forscher in eine auserlesene Gruppe unter den Wissenschaftlern dieser Welt verwandelt, in der Lage, anwendbare biotechnologische Kenntnisse zu beherrschen. Und Brasilien betritt einen internationalen Markt, der sich mit Substanzen beschäftigt, welche bis vor kurzem nur ein Privileg der Japaner und US-Amerikaner war. Die Leuchtkäfer werden sicher ihren Reiz während der Kindheit nicht so schnell einbüssen, und wenn man sie näher kennt, stellt man fest, dass sie auch für eine erwachsene Leidenschaft viel Interessantes mitbringen.

Luciferases im Weltraum

Leuchtkäfer und andere lumineszierte Käfer sind nicht nur für die wissenschaftliche Forschung bedeutend, sondern auch für biotechnologische und ambientale Zwecke. Weil sie zur Reproduktion von ihrer Lumineszens abhängen, sind sie sehr sensibel, zum Beispiel hinsichtlich der luminösen Pollution in urbanen Zentren. Sie dienen deshalb auch als perfekte ambientale Indikatoren, die uns auf die Exzesse künstlicher Beleuchtung hinweisen.

Die Leuchtkäfer werden ebenfalls als ambientale Indikatoren zur Aufbereitung von Wasserläufen benutzt – in hoch industrialisierten Ländern, wie Japan zum Beispiel. Ihre luziferanen Enzyme, verantwortlich für die Aussendung von Licht, helfen bereits seit einigen Jahren dabei, eine mikrobiologische Kontaminierung des Wassers und der industriellen Produkte – wie Nahrungsmittel und Getränke – festzustellen. Dieselben Enzyme funktionieren ausserdem als biolumineszente Sonden beim Studium von biologischen und pathologischen Prozessen auf molekularem Niveau, und sie erleichtern somit die Analyse bakterieller und viröser Infektionen – sogar die Krebs-Diagnosen.
Grundsätzlich fangen die Licht produzierenden Enzyme – ursprünglich von den Leuchtkäfern entnommen und inzwischen von der Gentechnologie in den Labors kopiert – an zu leuchten, wo Leben existiert, egal von welcher Art, und ganz gleich von welcher Grösse! Sie sind wertvolle Indikatoren, die bereits von der amerikanischen Weltraumbehörde NASA auf ihrer Suche nach Leben in Mineralien-Mustern von anderen Planeten eingesetzt worden sind.

Vorläufig hat man bei allen Applikationen Luciferasen mit grün-gelbem Licht eingesetzt. Im Lauf der letzten 10 Jahre jedoch, haben wir in unseren Labors verschiedene Luciferasen brasilianischer Spezies geklont und entwickelt, die ein anders farbiges Licht produzieren, inklusive ein rotes. Einige davon befinden sich in einer Testphase in den Zellen von Säugetieren, mit diversen biotechnologischen Applikationen, wie zum Beispiel als Biosensoren ambientaler Intoxikation und Bioprospektion.

Eine der jüngsten unter den in unserem Labor entwickelten Luziferen wird in Kürze in den Weltraum reisen, innerhalb eines in Zusammenarbeit mit der Brasilianischen Weltraumagentur (AEB) und russischen Forschungsinstituten realisierten Projekts. Das Verhalten des Enzyms – atomisiert und mit Reagenzien vermischt – wird in einer Dunkelkammer beobachtet werden, unter geringen Gravitationskonditionen. Die Ergebnisse des Experiments dürften zu neuen technologischen Entwicklungen beitragen.

Zur Identifizierung der Leuchtkäfer-Familien

Lampiriden (Glühwürmchen)

Sie sind bekannt unter dem volkstümlichen Namen “Pisca-pisca“ – ihr Licht sitzt am Hinterleib. Das Larvenstadium dauert zirka ein Jahr und das ausgewachsene Käferleben nur etwa einen Monat.

Elateriden (Schnellkäfer)

Das sind die populären Tec-tec-Käfer, sie besitzen zwei Laternen am Torax, von grünlicher Färbung, die aussehen wie zwei Augen. Ein weiteres gelbes Licht befindet sich zwischen Torax und dem Hinterleib. Die Larve ernährt sich von Insekten, lebt zirka zwei Jahre, und das ausgewachsene Tier bis zu zwei Monaten.

Fengodiden (Federleuchtkäfer)

Das sind die “Trenzinho-Larven“ – sie besitzen Laternepaare entlang ihres Rückens (in der Regel grün-gelb) und eine separate Laterne am Kopf (grün, gelb, orange oder rot – je nach Art). Die weiblichen Larven besitzen stärker leuchtende Laternen. Diese Familie ist seltener und kommt nur in Südamerika vor. Die Larve ernährt sich von Insekten, lebt zwei Jahre, und die ausgewachsene Version nicht länger als eine Woche.