Belegung

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Viele Menschen mögen Glühwürmchen und ihr Aussehen bedeutet oft ein gutes ökologisches Umfeld und eine romantische Atmosphäre.

Foto mit freundlicher Genehmigung des Firefly-Interviewpartners

Es ist eines der wenigen Landlebewesen, das Licht aussenden kann. Nach einer langen Entwicklung gehörten zu den „Zwecken“ des Lichts von Glühwürmchen das Balzverhalten, das Verwirren und Einfangen von Beutetieren sowie das Einschüchtern von Raubtieren.

Aber warum strahlen Glühwürmchen überhaupt Licht aus und warum entwickeln sie diese Fähigkeit überhaupt?

Früher war eine in akademischen Kreisen weithin akzeptierte Theorie, dass die biologische Fluoreszenz, die ursprünglich von den Vorfahren der Familie Lucidae entwickelt wurde, als Warnsignal für Giftstoffe im Körper verwendet wurde, um Raubtieren zu sagen: Ich bin giftig!

Eine kürzlich veröffentlichte Studie des Teams von Zhen Ying, einem Forscher und Doktorvater an der School of Life Sciences der West Lake University, widerlegte jedoch die obige Theorie, indem sie die Evolutionsgeschichte von Toxinen in Glühwürmchen rekonstruierte.

Ein verwandter Artikel wurde online in PNAS Nexus veröffentlicht, einer Schwesterpublikation der Proceedings of the National Academy of Sciences, mit dem Titel „Firefly toxin lucibufagins evolutioned after the origin of biolumineszenz.“

Am 4. August nahmen der Forscher Zhen Ying und der Postdoktorand Zhu Chengqi, der Erstautor der Arbeit, ein Interview mit The Paper an.

Haben Glühwürmchen nicht ursprünglich Licht als Warnsignal für Giftstoffe ausgestrahlt?

Das kardiotonische Steroid-LBGs-Toxin ist das einzige Toxin, das in mehreren Glühwürmchengattungen vorkommt.

„Wir haben Glühwürmchentoxine anhand von sechs Unterfamilien der heutigen acht Unterfamilien von Glühwürmchen entdeckt und frühere Daten integriert. Wir haben herausgefunden, dass Glühwürmchen, die LBG-Toxine unabhängig synthetisieren können, nur auf eine einzige Unterfamilie beschränkt sind.“

Obwohl dieses Toxin auch in einigen Glühwürmchen in Nordamerika vorkommt, wird es durch den Verzehr anderer Glühwürmchen verursacht, die das LBG-Toxin enthalten.

Mit anderen Worten: Nur eine Unterfamilie der Glühwürmchen synthetisiert autonom das LBG-Toxin.

Ist also die Theorie, dass Glühwürmchen die Fähigkeit entwickelt haben, zu leuchten, um zu zeigen, „Ich bin giftig“, immer noch wahr?

Durch den Vergleich der Gensequenzähnlichkeiten im gesamten Genom verwendeten die Forscher einen phylogenetischen Baum mit hoher Zuverlässigkeit, um festzustellen, dass Glühwürmchentoxine später als die Fluoreszenz auftraten.

Ihre Forschung ergab, dass Glühwürmchen, die unabhängig voneinander LBGs synthetisieren können, nur auf den gemeinsamen Vorfahren der Unterfamilie Lampyridae zurückgeführt werden können, viel später als zu der Zeit, als Fluoreszenz erstmals in der Familie Lampyridae auftrat.

Es ist ersichtlich, dass selbst wenn die Lichtsignaltheorie „Ich bin giftig“ etabliert ist, dies nicht der Grund ist, warum Glühwürmchen ursprünglich die Fähigkeit entwickelt haben, Licht auszusenden.

Am 20. Juli 2024 läutete in Suizhou, Hubei, das Baopu-Tal-Landschaftsgebiet, das in den Tongbai-Bergen und der Quelle des Huaihe-Flusses an der Kreuzung der Provinzen Henan und Hubei liegt, die Zeit der Glühwürmchenbeobachtung ein Glühwürmchen flackerten im Gras und in den Wäldern und lockten viele Touristen zum Einchecken und Beobachten der Glühwürmchen an. Visuelle China-Datenkarte

Was ist also überhaupt der Grund für das Leuchten? Das Team von Zhen Ying erforschte den historischen und umweltbedingten Hintergrund der Entwicklung der Biofluoreszenz in der Familie Lucidae.

Das Team von Zhen Ying schätzte die Entwicklungszeit von Fluoreszenz- und LBG-Toxinen basierend auf der Theorie der molekularen Uhr und drei fossilen Kalibrierungspunkten. „Wenn Sie die absolute historische Zeit schätzen möchten, müssen Sie Fossilien mit Zeitinformationen verwenden, um sie zu kalibrieren.“ Zhen Ying sagte gegenüber The Paper, dass fossile Beweise als bessere Zeitskala verwendet werden können, und dass sie in Kombination mit Artenbäumen verwendet werden können um den Zeitpunkt abzuschätzen, zu dem historische Ereignisse stattfanden.

Durch Forschung kamen sie zu dem Schluss, dass das fluoreszierende Licht des Glühwürmchenzweigs vor etwa 180 Millionen Jahren während der Jurazeit erschien.

In diesem Zeitraum stieg der Sauerstoffgehalt in der Atmosphäre nach dem Massenaussterben, das eng mit dem ozeanischen anoxischen Ereignis im Toarcium zusammenhängt, von einem historischen Tiefststand weiter an.

Gleichzeitig wirkt Luciferin, das Substrat der Fluoreszenzreaktion, nachweislich als Antioxidans.

Daher schlug das Team von Zhen Ying eine neue Hypothese vor: Der Grund, warum die Vorfahren der Glühwürmchen ursprünglich die Fähigkeit zur Lichtemission entwickelten, könnte darin liegen, mit dem oxidativen Stress umzugehen, der durch den zunehmenden Sauerstoffgehalt und die heiße und trockene Umgebung verursacht wird. Sie entwickelten Luciferin, ein Antioxidans, das überschüssige freie Sauerstoffradikale „entzündet“ und die toxischen Auswirkungen überschüssiger reaktiver Sauerstoffspezies auf Zellen beseitigt. Fluoreszenz könnte zunächst nur ein Nebenprodukt sein.

Diese Hypothese bedarf noch weiterer Beweise, um überprüft zu werden.

Warum werden Glühwürmchen nicht durch Giftstoffe in ihrem eigenen Körper vergiftet?

Warum werden Glühwürmchen mit Giftstoffen in ihrem Körper nicht durch ihre eigenen Giftstoffe vergiftet?

Mithilfe von Molekulardynamiksimulationen und Experimenten zur Aktivität von Natrium-Kalium-Pumpenenzymen fand Zhen Yings Team heraus, dass Glühwürmchen, die unabhängig voneinander LBG-Toxine synthetisieren können, Mutationen in ihren eigenen ATPα-Proteinen aufweisen, die die Bindung von Toxinen an sie beeinflussen. Dies verleiht ihnen eine gewisse Toleranz gegenüber LBG-Toxinen.

Möglicherweise gibt es jedoch auch andere Mechanismen, die Glühwürmchen dabei helfen, die Giftstoffe in ihrem Körper zu kontrollieren und auszugleichen. Dies ist auch eine der Fragen, die das Team von Zhen Ying in Zukunft beantworten möchte.

Zhen Ying sagte gegenüber The Paper, dass Glühwürmchentoxine kardiotonische Steroidtoxine seien, die die Herzkontraktion und den Blutdruck beeinflussen könnten und einen großen medizinischen Wert hätten. Dazu gehört Digoxin, ein Medikament, das bereits auf dem Markt ist. Derzeit werden diese Verbindungen größtenteils chemisch synthetisiert oder biologisch extrahiert, und ihre Biosynthesewege sind noch nicht vollständig verstanden.

Die Biosynthese kann die Umweltbelastung verringern, Kosten senken und sogar die Qualität und Sicherheit von Arzneimitteln verbessern.

„Wir sind auch daran interessiert, den Biosyntheseweg von Glühwürmchentoxinen zu analysieren“, sagte Zhen Ying.