Wie leuchten Glühwürmchen? Die Chemie des lebendigen Lichts

An einem warmen Sommerabend steigen winzige grüngoldene Lichter aus dem Gras auf und blinken durch die Dunkelheit. Glühwürmchen faszinieren Menschen seit Jahrtausenden. Ihr Licht wirkt magisch, doch dahinter steckt eine erstaunlich gut verstandene Chemie – so nützlich, dass die Forschung sie für die Medizin übernommen hat.

Glühwürmchen sind Käfer mit Laterne

Trotz ihres Namens sind Glühwürmchen weder Würmer noch Fliegen, sondern Käfer – Leuchtkäfer. Es gibt mehr als 2.000 Arten auf allen Kontinenten außer der Antarktis. Ihr Licht stammt aus besonderen Leuchtorganen, meist in den letzten Hinterleibssegmenten, die bei Tageslicht blassgelb aussehen.

Das Leuchtorgan ist dicht gepackt mit lichterzeugenden Zellen, den Photozyten. Dahinter liegt eine Zellschicht voller winziger Kristalle, die wie ein Spiegel das Licht nach außen werfen. Ein Netz feiner Luftröhrchen, die Tracheen, liefert Sauerstoff direkt an die Zellen.

Die Chemie des lebendigen Lichts

Licht in einem lebenden Körper zu erzeugen, nennt man Biolumineszenz. Bei Glühwürmchen beruht sie auf zwei Schlüsselmolekülen:

• Luciferin, das Molekül, das tatsächlich leuchtet;
• Luciferase, ein Enzym, das die Reaktion antreibt.

Zuerst wird Luciferin mithilfe von Magnesium mit ATP „aufgeladen“, dem gleichen Energieträger, den auch unsere Muskeln nutzen. Dann verbindet die Luciferase das aufgeladene Luciferin mit Sauerstoff. So entsteht ein angeregtes, energiereiches Molekül namens Oxyluciferin. Wenn es in seinen Normalzustand zurückfällt, gibt es die überschüssige Energie als Lichtteilchen ab.

Kaltes Licht: erstaunlich effizient

Eine alte Glühbirne verwandelt den Großteil ihres Stroms in Wärme. Das Licht der Glühwürmchen heißt dagegen kaltes Licht, weil kaum Energie als Wärme verloren geht.

2007 vermaß ein japanisches Team um Yoriko Ando die Reaktion genau und fand, dass etwa 41 % der reagierenden Moleküle ein Lichtteilchen erzeugen. Das ist weniger als die einst behaupteten 88 %, für eine chemische Reaktion aber bemerkenswert. Die Farbe hängt von der Art und von Bedingungen wie dem Säuregrad ab und reicht von Grün über Gelb bis Orange.

Wie schalten Glühwürmchen ihr Licht an und aus?

Die Reaktion braucht Sauerstoff – wer den Sauerstoff steuert, steuert also das Licht. Lange rätselten Forschende, wie die Käfer so schnell blinken können.

2001 fanden Barry Trimmer und Kollegen einen wichtigen Hinweis: das Gas Stickstoffmonoxid. Erreicht ein Nervensignal das Leuchtorgan, wird Stickstoffmonoxid freigesetzt und hindert die Kraftwerke der Zelle, die Mitochondrien, kurzzeitig daran, Sauerstoff zu verbrauchen. Der Sauerstoff strömt an ihnen vorbei zu den Leuchtchemikalien – das Glühwürmchen leuchtet. Verschwindet das Stickstoffmonoxid, holen sich die Mitochondrien den Sauerstoff zurück, und das Licht erlischt.

Warum blinken Glühwürmchen?

Für die meisten Arten ist Licht eine Liebessprache. Männchen fliegen umher und blinken ein Muster, Weibchen im Gras antworten nach einer genau festgelegten Pause mit eigenem Blitz. Jede Art hat ihren eigenen Code: Dauer des Blitzes, Zahl der Pulse und die Pause dazwischen.

Manche treiben es spektakulär weit. In den Great Smoky Mountains der USA blinken die Männchen von Photinus carolinus jedes Jahr im Juni einige Wochen lang synchron und verwandeln den Wald in rollende Lichtwellen. Das Schauspiel ist so beliebt, dass Besucher per Losverfahren Plätze erhalten.

Es gibt auch eine dunkle Seite. Weibchen der Gattung Photuris können die Antwortblitze anderer Arten nachahmen. Landet ein hoffnungsvolles Männchen, wird es gefressen – und das Weibchen gewinnt Abwehrstoffe, die es für Spinnen und Vögel ungenießbar machen. Biologen nennen sie „Femmes fatales“.

Auch Glühwürmchenlarven leuchten, vermutlich als Warnung, dass sie schlecht schmecken.

Glühwürmchenchemie im Labor

Weil Luciferase nur bei vorhandenem ATP leuchtet, nutzen Forschende sie als empfindlichen ATP-Detektor. Kliniken und Lebensmittelbetriebe prüfen mit Luciferase-Tests, ob Oberflächen sauber sind, denn lebende Bakterien enthalten ATP. Biologen bauen das Luciferase-Gen zudem in Zellen, Mäuse und Pflanzen ein, damit diese leuchten, wenn bestimmte Gene aktiv sind.

Glühwürmchen brauchen dunkle Nächte

Vielerorts gehen die Bestände zurück. Die größten Bedrohungen sind Lebensraumverlust, Pestizide und Lichtverschmutzung. Straßenlaternen und hell beleuchtete Gärten übertönen die Paarungssignale, sodass sich Männchen und Weibchen nicht finden. Außenlicht in Sommernächten auszuschalten ist eine der einfachsten Hilfen.

Kurz gesagt

• Glühwürmchen sind Käfer, die in besonderen Organen im Hinterleib Licht erzeugen.
• Das Licht entsteht, wenn Luciferin mithilfe des Enzyms Luciferase mit Sauerstoff und ATP reagiert.
• Es ist kaltes Licht: Rund 41 % der reagierenden Moleküle erzeugen Licht, mit sehr wenig Wärme.
• Das Blinken wird über den Sauerstoff gesteuert, wahrscheinlich mit Stickstoffmonoxid als Schalter.
• Jede Art hat einen Blinkcode für die Partnersuche; manche Räuber kopieren ihn.
• Lichtverschmutzung zählt zu den größten Gefahren für Glühwürmchen.