Patrick Vetter – Freier Journalist

Wie ein Fisch Fluoreszenz als Lichtquelle einsetzt

Fluoreszenz ist überall. Besonders in tieferen Küstengewässern kann das lichtinduzierte Leuchten Farben erzeugen, die dort sonst kaum vorkommen würden. Das eröffnet vielfältige Möglichkeiten, um bunte Signale zu senden. Einige Tiere könnten die Fluoreszenz darüber hinaus jedoch auch aktiv als Lichtquelle einsetzen, um ihre Umgebung kontrastreicher zu erkunden. Eine Forschungsgruppe aus Tübingen unternimmt Verhaltensexperimente mit unscheinbaren Fischen, um das Phänomen näher zu beleuchten.

25 Meter unter der Oberfläche des Mittelmeers bewegt sich ein vierköpfiges Forscherteam der Universität Tübingen langsam in Tauchausrüstung von Stein zu Stein. Es ist kalt in der Tiefe. Sie sind bepackt mit Fangnetzen und Aufbewahrungsgefäßen. Sorgfältig arbeiten sie sich vorwärts durch ein unübersichtliches Steinlabyrinth, stecken die Köpfe unter jeden Felsüberhang und leuchten Spalten aus. Sie sind auf der Suche nach einem unscheinbaren Fisch. Dieser Fisch allerdings könnte das Verständnis der Funktion der Fluoreszenz in der Natur verändern.

Fluoreszenz kann kontrastreiche Signale erzeugen

Das liegt an den Eigenschaften fluoreszenter Biomoleküle. Die sind allgegenwärtig und funktionieren zunächst wie jedes Farbpigment auch. Einige Wellenlängenbereiche des einfallenden Lichts im sichtbaren Spektrum werden stark absorbiert, während andere reflektiert werden. Ist das zurückgestrahlte Licht ‚langwellig‘ nehmen wir es als rot wahr, kurze Wellenlängen sehen wir Blau. Doch bei der Fluoreszenz passiert noch mehr: Ein Teil des Lichts wird absorbiert. Seine Energie kommt an einer anderen Stelle im Farbspektrum als Licht wieder heraus. „Das ist wie eine Wunderkiste. Fluoreszenz erzeugt Licht – und versetzt dabei das Spektrum zum Beispiel ins Rot“, erklärt Dr. Nico Michiels das Phänomen, an dem er seit knapp 20 Jahren forscht: „Das ist die Magie der Fluoreszenz.“

Diese Magie ist ständig und überall zu sehen. Unter Tageslicht ist der Effekt jedoch oft kaum als Fluoreszenz zu identifizieren. Im Schein der Sonne oder von ‚weißen‘ Lampen sind alle Wellenlängen des sichtbaren Lichts sowieso schon vorhanden und dadurch alle Farben des Spektrums zu sehen. Interessant wird es in veränderten Lichtverhältnissen. Fehlt langwelliges Licht, sehen wir zunächst keine roten Farben. Fluoresziert ein Objekt aber rot, taucht die Farbe auf einmal doch wieder auf. „So können wir Farben sehen, die in der Umgebung sonst gar nicht existieren“, sagt Michiels fasziniert. Unter Wasser existieren genau solche Lichtverhältnisse. Langwelliges rotes Licht wird nach wenigen Metern zu einem großen Teil absorbiert (Infokasten). In der blauen Umgebung stechen rote Farben deshalb besonders hervor. Viele Organismen machen sich das zu Nutze, um Farbsignale auszusenden.

Vorteile der Fluoreszenz als Lichtquelle

Vor der Küste Korsikas hat Bram van der Schoot entdeckt, wonach er suchte. Routiniert zückt er den Kescher und nähert sich langsam. Er atmet ruhig, um so tief unter Wasser nicht zu viel Luft zu verbrauchen. Seine Augen hinter dem Glas der Tauchermaske fokussieren einen Punkt zwischen den Algen. Ohne zu zögern, fährt er mit dem Kescher darüber und ein Gelber Spitzkopfschleimfisch zappelt in den Maschen. Die Konzentration bleibt hoch. Der Doktorand befördert das kleine Tier in ein Plastikröhrchen mit Drehverschluss. Durchatmen. Und weitersuchen. Die Spitzkopfschleimfische sind nur rund vier Zentimeter lang, unscheinbar gefärbt und sitzen meist getarnt zwischen Algen. Doch die Art hat einige Besonderheiten. Ein Blick in ihre Augen gibt Aufschluss. Rund um die Pupille liegt die stark rot fluoreszierende Iris der Fische. In dem blauen Umgebungslicht tieferer Wasserlagen sticht dieses rote Licht heraus, fast als hätten die Tiere eine Rotlichtstirnlampe. Genau das macht sich der kleine Fisch zu Nutze. Auf kurze Distanz kann er das Leuchten seiner Augen als Lichtquelle einsetzen und die Reflexion der eigenen Fluoreszenz wieder wahrnehmen. Es entsteht für den Spitzkopfschleimfisch unter Wasser in seiner direkten Umgebung ein kontrastreicheres Bild. So die Theorie. In einem blau-grünen Lichtumfeld könnte das den Jagderfolg erhöhen. Das testete die Gruppe um Michiels bereits in Verhaltensexperimenten und taufte den Effekt ‚Aktive Lichtortung‘ (Infokasten). Licht wird emittiert, bevor es zum eigenen Auge zurück reflektiert wird – ähnlich einer Fledermaus, die Schallwellen selbst aussendet, um sich anhand deren Reflexion zu orientieren.

Wie weit geht der Einsatz der ‚Aktiven Lichtortung‘?

Damit nicht genug: Die Forschung fragt sich nun, wie breit die ‚Aktive Lichtortung‘ mit Fluoreszenz als Lichtquelle eingesetzt werden könnte. Deshalb interessieren sich die Tübinger zusätzlich für die natürlichen Fraßfeinde der Spitzkopfschleimfische: Drachenköpfe. Die Augen der Räuber sind sind nämlich stark retroreflektiv (Infokasten). Sie spiegeln Tageslicht genau in Einfallsrichtung zurück, so wie das jeder schon mit Katzenaugen in der Nacht erlebt hat. Den Jägern nutzt das eigentlich als Tarnung, um ihre Pupillen zu verstecken. Die Forschungsgruppe möchte herausfinden, ob die Spitzkopfschleimfische genau das ausnutzen, um ihre Räuber hinters Licht zu führen. Wieder könnten sie dabei ihre Fluoreszenz einsetzen und die Augen der Drachenköpfe zum Blinken bringen. So die Hypothese. Momentan arbeitet die Gruppe an einer Reihe ambitionierter, ausgetüftelter Experimente. Die Verhaltensversuche finden in Lichtverhältnissen statt, die denen in 25 Metern Tiefe ähneln. „Je tiefer wir die Fische fangen, desto stärker fluoreszieren sie“, sagt van der Schoot. Die Fluoreszenz ist in der Tiefe tatsächlich stärker ausgeprägt. Ein weiterer Hinweis auf ihren ökologischen Nutzen.

Van der Schoot steht in einer dunklen, nur spärlich und blau ausgeleuchteten Kammer. Es ist stickig. Der Eingang ist mit einem schweren, schwarzen Tuch lichtdicht verschlossen. In einem Becken vor ihm bewegt sich ein kleiner Fisch hin und her. Eine Testbeobachtung hat gerade begonnen. Die Tiere werden mit ihren Fraßfeinden zusammengebracht – allerdings getrennt durch eine Glasscheibe. Mal ist das retroreflektierende Auge zu sehen, mal nicht. Mal verhindern Filter an der Glasscheibe zwischen Beute und Räuber den Einsatz von Fluoreszenz und mal nicht. Diese unterschiedlichen Szenarien sollen zeigen, ob die kleinen Fische ihre Fluoreszenz womöglich wirklich einsetzen, um Räuber zu entdecken. Das aktuelle Versuchstier zieht sich von der Trennscheibe zurück. Van der Schoot nickt zufrieden. Sobald die wirklichen Experimente laufen, wird den Fischen niemand mehr zusehen können. Dann wird alles mit Kameras gefilmt, um Störungen zu vermeiden. Für konkrete Schlüsse fehlen noch viele Versuchsdurchläufe. Die Forschung zur Fluoreszenz hat noch viel Potential für ähnliche Versuche. Viele Fragen sind offen. Und das obwohl das Phänomen allgegenwärtig ist.

Wie erkennen wir Fluoreszenz unter Wasser?

Fluoreszenz ist zwar überall in der Natur – aber selten gut zu sehen. Die Blätter der meisten Pflanzen fluoreszieren rot, die Hornhaut an unseren Händen und Füßen gelb. Weil diese Farben aber sowieso überall vorhanden sind oder von anderen Farben überlagert werden – im Fall der Blätter eben grün – erkennen wir sie nicht als fluoreszierend. Gerade unter Wasser herrschen dagegen optimale Lichtbedingungen, um den Effekt der Fluoreszenz zur Geltung zu bringen. Auch während die Tübinger vor der Mittelmeerküste nach kleinen Fischen absuchen, fluoresziert es überall um sie herum: Fische, Krebstiere, Anemonen und Algen. Einige dieser Lebewesen senden Farbsignale an Artgenossen oder Fraßfeinde, die die Wissenschaft zu entziffern versucht. Bei anderen – zum Beispiel Algen – hat die Fluoreszenz ganz andere Funktionen oder ist sogar nur ein zufälliges Nebenprodukt. Viele Fragen sind noch offen. Das Phänomen der Fluoreszenz hat erst in der jungen Geschichte der ökologischen Forschung Aufmerksamkeit bekommen, gerade weil es nur unter spezifischen Bedingungen gut sichtbar ist.

Deshalb müssen sich die Forschenden Gedanken über die Lichtverhältnisse machen und ihre Beobachtungen in diesem Kontext bewerten. „Um eine Farbe als Fluoreszenz wahrzunehmen, müssen wir unseren Kopf einschalten. Wir müssen überlegen, welches Licht in der Umgebung vorhanden ist, welche Farben damit erzeugt werden könnten und für welche Farben Fluoreszenz die bessere Erklärung ist“, erklärt Michiels.

Allerdings können ein paar optische Tricks angewandt werden, um die Fluoreszenz für unsere Augen besser hervorzuheben. Sie kann zum Beispiel mit Blaulicht oder UV-Lampen angeregt werden. Das für uns unsichtbare UV-Licht wird durch Fluoreszenz in das sichtbare Spektrum verschoben. So erscheint das Phänomen als starkes Leuchten. In künstlich geschaffen kurzwelligen blauen Lichtverhältnissen sticht das Rot der Spitzkopfschleimfisch-Augen besonders hervor. Der Effekt wird noch verstärkt, wenn der Beobachter durch einen Lichtfilter blickt, der nur langwelliges rotes Licht hindurchlässt.

Die Fluoreszenz bleibt ein Forschungsfeld mit Potential

Das überzeichnet natürlich die Wirklichkeit. Trotzdem, der Gelbe Spitzkopfschleimfisch setzt die Fluoreszenz womöglich auf eine einzigartige Art und Weise ein. Der Fisch könnte das Leuchten tatsächlich als Lichtquelle nutzen. Wie viele andere Arten die Fluoreszenz auf ähnliche Art und Weise nutzen, das finden in Zukunft weitere Forschungsgruppen mit Tauchausrüstung, Taschenlampen und Lichtfiltern heraus. Das lichtinduzierte Leuchten wird die Wissenschaft noch vor einige Rätsel stellen, bevor es heißt, der letzte macht das Licht aus.

Begriffserklärungen

Aktive Lichtortung oder ‚Active Photolocation‘

heißt das Prinzip, wenn Tiere aktiv Licht aussenden, um ihre Umgebung wahrzunehmen. Im Normalfall fällt Sonnenlicht, beziehungsweise Umgebungslicht, auf ein Objekt und wird von dort in das Auge eines Beobachters reflektiert. Einige Arten emittieren selbst Licht auf unterschiedliche Art und Weise. Die Biolumineszenz der Laternenfische ist ein bekanntes Beispiel. Ähnlich dem Echolot einer Fledermaus fangen sie die Reflexion des ausgesandten Lichts wieder ein. Im Fall des Gelben Spitzkopfschleimfisches stammt das emittierte Licht aus der Fluoreszenz seiner Augen. So könnte er sein direktes blau-grünes Umfeld unter Wasser kontrastreicher wahrnehmen.

Retroreflektive Gegenstände

reflektieren einfallendes Licht exakt in die Richtung zurück, aus der es kam. Der Effekt ist bekannt von Warnwesten, Straßenschildern, aber eben auch von den Augen nacht-sehender Tiere. Bei Katzen hat das wohl jeder schon einmal beobachtet. Hier verstärkt der Effekt die Lichtempfindlichkeit der Rezeptoren im Auge, da ein Photon zweimal denselben Rezeptor passieren kann. Die räuberischen Drachenköpfe haben auch retroreflektierende Augen, allerdings aus einem anderen Grund. Schwarze Pupillen sind vor dem Hintergrund eines lichtdurchfluteten Riffs sehr auffällig. Als Lauerjäger tarnen Drachenköpfe ihre große Pupille mit Retroreflexion. Der Beobachter sieht nicht mehr die Pupille als schwarzes Loch, sondern die Reflexion des Umgebungslicht.

Absorption roten Lichts

ist eine physikalische Eigenschaft von Wasser. Bereits zehn Meter unter der Oberfläche scheint die ganze Umgebung blau. Die eigenen Hände sehen leichenhaft weiß aus. Rottöne sind nahezu verschwunden. Langwellige rote Fluoreszenz fällt da auf und kann farblich herausstechen. Deshalb sie sich als Signal oder Lichtquelle unter Wasser.