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Vom virtuosen Umgang der Korallen mit Licht lernen

Es gibt Forschungsvorhaben, deren Weg zur Hypothese beinahe genauso spannend ist wie das spätere Ergebnis. Das mit Landesmitteln aus dem Programm „Molekulare Bionik“ geförderte Projekt des Ulmer An-Instituts ILM zählt zu dieser Kategorie. Das wird klar, wenn Institutschef und Koordinator Raimund Hibst die Vorgeschichte des ebenso riskanten wie ambitionierten Projektes skizziert, das im Erfolgsfall Photovoltaikanlagen und Bioreaktoren verbessern, optische Baumaterialien schaffen oder einen neuen Schutz vor kurzwelligem UV-Licht bieten könnte.

Im Blick haben die Ingenieure und Naturwissenschaftler die symbiotische Lebensgemeinschaft von Korallen und Algen. Wenn Bioniker mit Licht forschen, stellen sie meist die Photosynthese nach, sagt Hibst. Die Ulmer aber beschreiten einen neuen, bislang einmaligen Weg. Ihre Betrachtung beginnt einen Schritt vor der photochemischen Umwandlung und kreist um die Frage: Hat die Struktur eines Materials, worauf das (Sonnen-)Licht fällt, Auswirkungen auf den Nutzungsgrad der Energie des Sonnenlichts?

Zwei Schlüssel-Abteilungen beteiligt

Die Drei-Kanal-Fluoreszenz-Aufnahme zeigt die in die Steinkoralle eingelagerten Algen. © ILM

Beteiligt am Projekt „Strategien zum optimierten Lichtmanagement am Beispiel mariner Symbionten" sind zwei Schlüssel-Abteilungen des Instituts für Lasertechnologien in der Medizin und Meßtechnik (ILM), die Materialoptik von Alwin Kienle und die Mikroskopie von Angelika Rück. Das Vorhaben hat eine Laufzeit von zwei Jahren und wird zum Jahresende abgeschlossen werden. Dem An-Institut hat es einige Aquarien beschert. Speziallampen imitieren das Sonnenlicht und versuchen experimentell die hohe UV-Belastung am Äquator nachzustellen.

Die Vorgeschichte des Projektes beginnt mit Lichtleitereffekten an einem Dentin-Würfel, führt über das gleiche, am Fell des Eisbären beobachtete Phänomen schließlich zur symbiotischen Lebensgemeinschaft von Korallen und Algen. Diese Nesseltiere, so mutmaßen die Ulmer, betreiben eine Art intelligentes Lichtmanagement zugunsten der Algen, die ihrerseits Licht in chemische Energie umwandeln, wovon wiederum die Korallen profitieren, weil sie von den Stoffwechselprodukten der Algen leben.

Wie breitet sich Licht in streuenden Geweben aus?

Der Blick durch das Elektronenmikroskop zeigt eine vielfältige Morphologie der Koralle. © Paul Walther, Uni Ulm

Dem Projekt zugrunde liegen die Erkenntnisse der mit zehn Doktoranden größten Abteilung am ILM, mit ihrem Leiter, dem Physiker Alwin Kienle. Er und Kollegen beschäftigen sich mit der Lichtausbreitung in streuenden Geweben und deren Korrelation mit den optischen Eigenschaften. Wie breitet sich das Licht aus, warum streut es in bestimmte Richtungen, wie hängt die Streuwahrscheinlichkeit von der Mikrostruktur des Materials ab - das sind die Fragen, die ursprünglich in eine medizinische Richtung gehen, im Kern jedoch auf viele weitere technische Anwendungsgebiete übertragbar sind, erläutert Raimund Hibst.

Wenn man weiß, wie das Licht streut, wieviel Licht von dem Material ‚geschluckt' wird und auf dieses fällt, dann verrät das einiges über das Material und dessen Eigenschaften. So lässt sich beispielsweise (mit beträchtlichem Rechenaufwand) ein Tumor lokalisieren.   

Heute weiß man, dass viele Gewebe wie die menschliche Haut eine anisotrope Struktur besitzen, dass sie Licht gerichtet und nicht etwa diffus, inhomogen streuen. An einfach definierten Objekten wie Kugeln oder Zylindern führen die Materialoptiker um Kienle Untersuchungen zur Lichtstreuung durch.

Am Anfang war das Dentin

Kienles Untersuchungen wurden angestoßen von der Suche nach geeigneten Füllmaterialien für Zähne, die ein naturidentisches Erscheinungsbild abgeben sollten. Zahnschmelz streut relativ wenig, viel mehr jedoch das darunter liegende Dentin (Zahnbein). Als Kienle dieser Ursache auf den Grund gehen wollte, stieß er auf eine ziemlich anisotrope Struktur des Dentins und entdeckte, was heute als Ausgangspunkt für die bionischen Überlegungen gelten kann: Strahlt Licht auf einen Dentinwürfel, so tritt dieses nur in einem bestimmten Winkel wieder heraus. Es wird durch die Streuung an den Dentinkanälchen (feine, haarförmige Höhlungen, die das Dentin von innen nach außen durchziehen) geleitet. Das Licht wird also nicht durch die Dentinkanälchen, sondern an den zylinderförmigen Streuern geleitet.

Daraus entstand die inzwischen patentierte Idee, durch hintereinander geschaltete zylinderförmige Streuer Licht zu leiten. Im Zuge weiterer Recherchen stießen die ILM-Forscher auf ähnliche Effekte beim Eisbären. Forscher vermuten auch Lichtleitereffekte beim Fell, das wegen seiner weißen Farbe eigentlich für das Auftanken mit Sonnenenergie ungünstig ist; möglicherweise wird wohl aber das Licht an den Haaren des Fells so gestreut, dass es auf dem dunklen Körper ankommt und wärmt, gleichzeitig aber wegen des weißen Fells weniger abstrahlt und damit vor großem Wärmeverlust schützt.

Auf die Idee mit den Korallen stieß ein Mitarbeiter Kienles, der beim Literaturstudium las, dass diese Nesseltiere für ihre Symbionten, die Algen, eine Art UV-Schutz-Funktion übernehmen. Algen benötigen vor allem das rote Licht für die Photosynthese, während die Korallen von den Stoffwechselprodukten der Algen leben. Eigentlich, so die Idee, ließen sich daraus womöglich neue Materialien für den UV-Schutz entwickeln.

Genialer Baumeister Natur

Die Koralle, hier eine endoskopische Aufnahme, scheint das Licht für die Algen zu wandeln. © ILM

Als die Ulmer ihre Köpfe noch tiefer in die Fachbücher steckten, entdeckten sie Hinweise, dass in tiefen Regionen des Wassers die Korallen dafür sorgen, dass die Algen genügend Licht abbekommen. Offensichtlich, schlussfolgerten die ILM-Forscher, betreiben die Korallen eine Art Lichtmanagement zum Nutzen der Algen. Weitere Recherchen bestärkten sie in der Hypothese, dass Korallen sehr kreativ mit Licht umgehen. So weisen Korallen beispielsweise andere Fluorophore auf, wenn sie sich an Stellen mit starker Sonneneinstrahlung befinden, am Äquator beispielsweise in zehn Meter Tiefe. Denn dann müssen sie ihren Lebenspartner schützen, indem sie Proteine ausbilden, die schädliches kurzwelliges ultraviolettes Licht absorbieren. Einzelne Vermutungen gehen dahin, dass diese Fluorophore in größeren Tiefen das blaue Licht in rotes, für die Photosynthese nötiges Licht für die Algen wandeln.

Das Ulmer Projekt gliedert sich in zwei Teile, in einen materialoptischen und in einen mikroskopischen. Zum einen wollen die Forscher wissen, ob sich auf Korallen lichtleitende Strukturen finden. Zum anderen wollen sie wissen, ob es auf mikroskopischer Ebene Hinweise auf eine intelligente Lichtnutzung durch, und wenn ja durch welche Fluorophore gibt; ob diese beispielsweise kurzwelliges Licht durch Fluoreszenz in längerwelliges wandeln.

Riskanter, aber verlockender Ansatz

Dass sich die Projektanten mit ihrem Ansatz „ziemlich weit aus dem Fenster gelehnt haben“ weiß ihr Koordinator Hibst nur zu gut. So riskant der Ansatz auch ist, bei einem Erfolg wären Anwendungen in vielen Bereichen denkbar. Damit ließe sich möglicherweise die Oberfläche einer Dünnschichtzelle durch den Auftrag einer neuen Schicht mit einer bestimmten Mikrostruktur so verändern, dass die Reflexion des energiereichen Sonnenlichts vermindert wird. Damit ließe sich vielleicht das Sonnenlicht auf die aktiven Elemente leiten; oder es ließe sich die Wellenlänge des Lichts vielleicht anpassen durch Fluorophore, die das UV-Licht besser verwerten. In Bioreaktoren ließe sich das Licht vielleicht besser ausnutzen.

Ob das symbiotische System Koralle / Alge tatsächlich Ideen liefert, wie sich das Sonnenlicht geschickter für technische Anwendungen nutzen lässt, lässt der Projektkoordinator zum derzeitigen Zeitpunkt noch offen. Die besten Schlussfolgerungen des noch laufenden Projekts erwartet er zum Schluss.

Mit Monte Carlo die komplette Lichtausbreitung simulieren

Vom Korallenskelett wurden inzwischen hochauflösende dreidimensionale CT-Bilder aufgenommen, die als Grundlage für die am ILM entwickelte voxelbasierte Monte-Carlo-Simulation verwendet werden. Damit, so Kienle, lässt sich die Lichtausbreitung prinzipiell in der gesamten Koralle bei verschiedenen Wellenlängen berechnen und das Lichtmanagement grundlegend charakterisieren. So kann man z.B. untersuchen, ob Lichtleitereffekte aufgrund der Mikrostruktur der Korallen auftreten.

Mit unterschiedlichen Untersuchungsmethoden, teilweise auch endoskopisch, haben die ILM-Mitarbeiter die reichhaltige Morphologie und die Dynamik der Vorgänge bei den Tieren verfolgt. Erste Aufschlüsse über die komplexen Miniaturorganismen und deren Zusammenwirken mit den Algen (Zooxanthellen) haben sie bereits gesammelt.

Mit Laser-Scanning-Mikroskopie betreiben die ILM-Forscher Strukturaufklärung bis zur optischen Auflösungsgrenze von 200 nm. Eine integrierte Software fügt die Schichtbilder der konfokalen Mikroskopie wieder zu einem geschlossenen dreidimensionalen Körper zusammen. Mit Hilfe der Elektronenmikroskopie (Paul Walther, Uni Ulm) ist es darüber hinaus möglich, die unterschiedlichen Kristallisationsformen des Korallenskeletts aufzuklären, die sich das Tier möglicherweise zunutze macht.

Das Zusammenspiel von Fluoreszenzpartikeln und Pigmenten sowie der optischen Eigenschaften des lebenden Gewebes beobachten die ILM-Forscher über konfokale Fluoreszenzmikroskopie wieder am lebenden Tier und dokumentieren dies nicht nur orts-, sondern auch spektral- und zeitaufgelöst. Damit lassen sich auch Vorgänge auf molekularer Ebene nachweisen.

Schneller molekularer Energietransfer nachweisbar

Die Beobachtung über die Zeit ermöglicht zum einen, die dynamischen Vorgänge der Organismen während der Bestrahlung zu verfolgen - etwa wenn sich Partikel oder Gewebebestandteile umorganisieren. Zum andern lässt sich im Zeitfenster von nur wenigen Nanosekunden zwischen zwei Laserpulsen nachweisen, wenn Energie unter den Fluoreszenzmolekülen transferiert wurde.

Wie das Licht durch besondere Nano- oder Mikrostrukturen im Wechselspiel mit absorbierenden oder fluoreszierenden Molekülen geleitet oder gestreut wird, hoffen die Forscher zum Ende des Projekts gezeigt zu haben.

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