Edith Widder: Leuchtendes Leben in einer Welt unter Wasser

Im Geiste von Jacques Cousteau, der sagte, "Menschen schützen, was sie lieben", möchte ich heute das teilen, was ich am meisten am Ozean liebe und das ist die unbeschreibliche Menge und Vielfalt an Tieren, die Licht produzieren.

Meine Sucht begann mit diesem komischen Taucheranzug namens Wespe. Das ist keine Abkürzung - jemand dachte einfach es sieht aus wie eine Wespe. Es wurde eigentlich von der Öl-Industrie hergestellt um an Ölbohrinseln bis zu 600m tief zu tauchen. Gleich nachdem ich meinen Dr. gemacht hatte, hatte ich das Glück, Mitglied einer Forschergruppe zu sein, die ihn zum ersten Mal nutzte, um das Meer zu erforschen. Wir übten in einem Becken in Port Hueneme. Und mein erster Tauchgang im offenen Ozean war im Santa Barbara Kanal. Es war ein abendlicher Tauchgang. Ich ging bis zu einer Tiefe von 270m runter und schaltete die Lichter aus. Ich habe sie ausgemacht, weil ich das Phänomen der lichtproduzierenden Tiere namens Biolumineszenz sehen wollte. Aber ich war völlig überrascht davon, wieviel es davon gab und wie spektakulär es war. Ich sah Reihen von Quallen namens Staatsqualle, die länger waren als dieser Raum hier und so viel Licht produzierten, dass ich die Skalen und Anzeigen im Anzug ohne Lampe lesen konnte. Und ich sah Blasen und Wellen von etwas, das aussah wie leuchtender blauer Rauch und Explosionen von Funken die nach oben wirbelten, wie wenn Sie ein Stück Holz ins Lagerfeuer werfen und die Glut nach oben wirbelt, aber das war eisige, blaue Glut. Es war atemberaubend.

Wenn Menschen überhaupt mit Biolumineszenz vertraut sind, dann mit diesen Jungs hier, Glühwürmchen. Und es gibt noch ein paar andere Landbewohner, die Licht machen können, ein paar Insekten, Erdwürmer, Pilze. Aber insgesamt ist es auf dem Land ziemlich selten. Im Ozean ist es eher die Regel, denn die Ausnahme. Wenn ich irgendwo auf der Welt in den offenen Ozean rausfahre, und ein Netz aus 900m Tiefe hochziehe, produzieren die meisten Tiere –  tatsächlich an vielen Orten 80 bis 90 Prozent der Tiere, die man hochholt – produzieren Licht. Das sorgt für einige sehr spektakuläre Lichtshows.

Jetzt möchte ich Ihnen ein kurzes Video zeigen, das ich aus einem U-Boot heraus gefilmt habe. Ich habe diese Technik in einem kleinen Ein-Personen U-Boot namens Deep Rover entwickelt und an den Gebrauch in der Jonsohn Sea-Link angepasst, die Sie hier sehen. Vor die Beobachtungskanzel ist ein Ring mit 1m Durchmesser montiert, in den ein Schirm gespannt ist. In der Kanzel ist eine sensible Kamera, deren Sensibilität der des an die Dunkelheit angepassten menschlichen Auges entspricht, wenn auch etwas verschwommen. Man schaltet also die Kamera an und die Lichter aus. Diese Funken sind noch keine Biolumineszenz, das ist nur elektronisches Rauschen in der sensiblen Kamera. Sie sehen erst Lumineszenz, wenn das Boot nach vorne fährt. Die Biolumineszenz der Tiere, die dabei gegen den Schirm stoßen, wird stimuliert.

Als ich das zum ersten mal machte, versuchte ich nur die Zahl der Quellen zu zählen. Ich kannte meine Geschwindigkeit und die Umgebung und konnte damit abschätzen wie viele hundert Quellen in einem Kubikmeter Wasser waren. Aber ich bemerkte, dass ich die Tiere anhand des Lichts, identifizieren konnte, das sie produzierten. Und so kann ich hier im Golf von Maine, in 225m Tiefe, quasi alles bis zur Art benennen, was Sie hier sehen, z.B. sind diese großen Explosionen von Funken von einer kleinen Rippenqualle. Und dort sind Krill und andere Krustentiere und Quallen. Da war eine dieser Rippenquallen. Ich habe mit Ingenieuren für die Analyse von digitalen Bildern gearbeitet um automatische Erkennungssysteme zu entwickeln, die diese Tiere identifizieren können und sie mit den Koordinaten des Zusammenstoßes verknüpfen. Und wir können das gleiche tun wie Ökologen an Land und die Distanz zum nächsten Nachbarn messen.

Aber Sie müssen nicht immer so tief in den Ozean gehen um eine solche Lichtshow zu sehen. Man kann sie auch an der Oberfläche sehen. Das ist ein Video, gefilmt von Dr. Mike Latz von der Scripps Institution, von einem Delfin der durch biolumineszierendes Plankton schwimmt. Und das ist nicht an einem exotischen Ort wie in einer der Biolumineszenz-Buchten in Puerto Rico, sondern im Hafen von San Diego. Und manchmal kann man sie noch näher beobachten, weil die Toiletten auf Schiffen mit ungefiltertem Meerwasser gespült werden, in dem sich oft biolumineszierendes Plankton befindet. Wenn Sie also spät in der Nacht in die Toilette torkeln, und es Ihnen so schlecht geht, dass Sie vergessen das Licht anzuschalten, könnten Sie glauben, sie sehen eine religiöse Erscheinung.

Wie produziert also ein Lebewesen Licht? Das war die Frage, die der französische Physiologe Raphael Duboi im 19. Jhd. über diese biolumineszierende Muschel stellte. Es gelang ihm zwei Chemikalien aus ihr zu gewinnen, das Enzym, das er Luciferase nannte, und das Substrat, dass er Luciferin nannte, nach Luzifer dem Lichtträger. Diese Terminologie blieb erhalten, aber sie bezieht sich nicht auf spezielle Chemikalien, weil sie in einer Vielzahl von Formen und Arten existieren. Heutzutage konzentrieren sich die meisten Biolumineszenzforscher auf die Chemie, weil diese Chemikalien sich als sehr wertvoll erwiesen, um antibakterielle Agenzien, Krebsmedikamente und Tests für Leben auf dem Mars zu entwickeln und um Schadstoffe in den Meeren zu finden, wofür wir sie bei ORCA benutzen. Im Jahr 2008 zeichnete der Chemie Nobelpreis eine Arbeit aus, die ein Molekül namens grün fluoreszierendes Protein untersuchte, das von den biolumineszierenden Chemikalien einer Qualle isoliert wurde. Das wurde gleichgesetzt mit der Erfindung des Mikroskops, bezogen auf die Auswirkung, die es auf die Zellbiologie und die Gentechnik hatte.

Was uns all diese Moleküle auch noch zeigen: Offensichtlich hat sich Biolumineszenz 40 mal, vielleicht sogar bis zu 50 mal unabhängig in der Evolution entwickelt, was deutlich zeigt, wie extrem wichtig diese Eigenschaft für das Überleben ist. Was ist also an der Biolumineszenz so wichtig für so viele Tiere? Nun, selbst für Tiere, die gerne im Dunkeln sind um Jäger fernzuhalten kann Licht immer noch sehr nützlich sein für die drei grundlegenden Dinge, die Tiere machen müssen um zu überleben, Und das ist Futter finden, Partner anlocken und sich vor Fressfeinden schützen. Dieser Fisch hat zum Beispiel einen eingebauten Scheinwerfer hinter seinem Auge, mit dem er sein Futter findet und Partner anlockt. Und wenn er ihn nicht braucht, kann er ihn in den Kopf reindrehen, wie die Scheinwerfer eines Lamborghinis. Dieser Fisch hat sogar ein Fernlicht.

Und dieser Fisch ist einer meiner Favoriten, er hat drei Lichter am Kopf, eins auf jeder Seite. Dieser hier ist blau, und das ist die Farbe der meisten Biolumineszenz im Meer, weil die Evolution die Farbe gewählt hat, die am weitesten durch Meerwasser sichtbar ist, um die Kommunikation zu optimieren. Die meisten Tiere machen also blaues Licht und die meisten Tiere können auch nur blaues Licht sehen, aber dieser Fisch ist eine faszinierende Ausnahme, weil er zwei rote Leuchtorgane besitzt. Ich habe keine Ahnung warum er zwei hat, das ist eins der Dinge, die ich eines Tages herausfinden will. Er kann also nicht nur blaues, sondern auch rotes Licht sehen. Er nutzt rote Biolumineszenz wie ein Scharfschütze ein Infrarot-Fernrohr um sich an Tiere anzuschleichen die für rotes Licht blind sind und kann sie sehen ohne gesehen zu werden. Er hat außerdem eine kleine Kinnbartel mit einem blau leuchtenden Köder dran mit dem er Beute von weit weg anlocken kann. Viele Tiere nutzen ihre Biolumineszenz als Köder.

Das ist auch einer meiner Lieblingsfische. Das ist ein Viperfisch, er hat einen Köder am Ende einer langen Angelrute, die er vor seinem Kiefer hängen lässt, welcher dem Viperfisch seinen Namen gibt. Die Zähne dieses Fischs sind so lang, dass sie, wenn sie innen wären beim Schließen des Mauls in das Hirn des Fisches stoßen würden. Stattdessen gleiten sie in Kerben auf dem Äußeren des Kopfes. Dieser Fisch ist wie ein Christbaum, alles an ihm leuchtet. Nicht nur der Köder, er hat eingebaute Blitze, er hat diese juwelenartigen Leuchtorgane am Bauch, die er als eine Art Tarnung nutzt, die seinen Schatten verschwinden lässt. Wenn er also herumschwimmt und ein Jäger schaut von oben auf ihn, verschwindet er einfach. Er hat Leuchtorgane im Mund, in den Flossen, in einer Schleimschicht auf dem Rücken und dem Bauch, alle mit anderen Funktionen. Einige davon kennen wir, andere nicht.

Und wir haben einiges über Biolumineszenz durch Pixar gelernt, und ich danke Pixar sehr, dass sie mein Lieblingsthema mit so vielen Menschen geteilt haben. Ich wünschte mir, dass sie von ihrem Budget nur ein kleines bisschen mehr Geld dafür verwendet hätten einen armen, verhungernden Studenten zu bezahlen, der ihnen hätte sagen können, dass so Augen eines Fisches aussehen, die in Formalin konserviert wurden. Und so sehen Augen eines lebenden Seeteufels aus. Er hat einen Köder, den er vor diese lebende Mausefalle voller messerscharfer Zähne hält um ahnungslose Beute anzulocken. Und dieser hier hat einen Köder, an dem alle möglichen interessanten Fäden hängen.

Wir dachten zunächst, dass unterschiedliche Formen des Köders unterschiedliche Beute anlocken sollen, aber die Analyse des Mageninhalts solcher Fische, von Wissenschaftlern, oder wahrscheinlicher von ihren Doktoranden, zeigte, dass sie alle ziemlich das Gleiche essen. Daher glauben wir jetzt, dass die männlichen Seeteufel die weiblichen an der Form des Köders erkennen, weil viele dieser Männchen das sind, was wir als zwergenhaft kennen. Dieser kleine Kerl hier hat keine sichtbaren Hilfen zur Selbstversorgung. Er hat keinen Köder um Beute anzulocken und keine Zähne um sie zu fressen. Seine einzige Hoffnung zu überleben ist eine Liebhaberin. Er muss eine Freundin finden und dann sein ganzes Leben an ihr festhalten. Dieser kleine Kerl hier hat eine Freundin gefunden und Sie sehen, dass er schlau war und sich so an ihr festhält, dass er sie nicht anschauen muss. (Lachen) Aber er weiß, was gut für ihn ist und besiegelt die Beziehung mit einem ewigen Kuss. Sein Körper vereint sich mit ihrem, ihr Blutkreislauf wächst in seinen Körper und er wird zu nichts anderem als einem Samensack. (Lachen) Das ist die Tiefseeversion der Emanzipation. Sie weiß immer wo er gerade ist und sie muss nicht monogam sein, weil einige der Weibchen haben mehrere Männchen an sich hängen.

Sie nutzen es also um Fressen und Partner zu finden. Viele nutzen es zur Verteidigung in vielen verschiedenen Arten. Viele von ihnen können ihr Luciferin, ihre Luciferase, ausstoßen, wie ein Krake oder ein Oktopus eine Tintenwolke. Dieser Schrimp schießt tatsächlich Licht aus seinem Mund, wie ein feuerspuckender Drachen, um Viperfische zu blenden oder abzulenken, damit er in die Dunkelheit davon schwimmen kann. Und es gibt viele verschiedene Tiere, die das können. Zum Beispiel Quallen, Kraken, und viele verschiedene Krustentiere.

Es gibt sogar Fische, die das können. Dieser Fisch hier heißt Schlauchschulterfisch weil er einen Schlauch auf seiner Schulter hat aus dem er Licht herausspritzen kann. Und ich hatte Glück und konnte so einen Fisch fangen, als wir für den Tiefseeteil von "Unser blauer Planet" auf einer Fischerei-Expedition an der Nordwestküste von Afrika waren. Wir hatten ein spezielles Schleppnetz, mit dem wir die Tiere lebend an Bord brachten. Wir haben also so einen gefangen und ins Labor gebracht. Ich halte ihn fest, und als ich den Schlauch auf seiner Schulter berühren will, sehen Sie Biolumineszenz. Was mich aber erstaunt hat war nicht nur die Menge des erzeugten Lichts, sondern, dass es nicht nur Luciferin und Luciferase waren. Bei diesem Fisch waren es sogar ganze Zellen mit Kernen und Hüllen. Das kostet den Fisch sehr viel Energie und wir wissen nicht, warum er das macht. Ein weiteres großes Rätsel, das wir lösen wollen.

Eine andere Form der Verteidigung ist das, was wir Alarmanlage nennen. Genau wie bei der Alarmanlage in Ihrem Auto, sollen die Hupe und die blinkenden Lichter Aufmerksamkeit erzeugen und im besten Fall kommt die Polizei und nimmt den Dieb fest. Wenn ein Tier in den Fängen eines Jägers ist, ist es vielleicht seine einzige Hoffnung auf Flucht, ein größeres Tier anzulocken, das den Angreifer angreift und somit die Chance zur Flucht schafft. Diese Qualle zum Beispiel hat eine spektakuläre Biolumineszenz-Anzeige. Hier verfolgen wir sie in unserem U-Boot. Das ist noch keine Lumineszenz, das ist Licht von den Keimdrüsen. Wir haben sie mit Spezialausrüstung vorne am U-Boot gefangen, so dass wir sie in ihrem ursprünglichen Zustand nach oben ins Schiffslabor bringen können. Um dann die Reaktion herbeizurufen, die sie gleich sehen. Ich habe sie einmal pro Sekunde mit einer scharfen Spitze an ihrem Nervenring berührt, wie die scharfen Zähne eines Fisches. Und wenn das Leuchten einmal begonnen hat, habe ich sie nicht mehr berührt. Das ist eine unglaubliche Lichtshow, dieses leuchtende Rad. Ich habe berechnet, dass Jäger das in bis zu 100m Entfernung sehen können. Und ich dachte mir, das könnte ein ziemlich guter Köder sein Weil eins der Dinge, die mich als Tiefseeforscher frustrierten, sind die vielen Tiere im Ozean, über die wir quasi nichts wissen aufgrund der Art und Weise, wie wir den Ozean erforschen.

Das meiste erfahren wir über den Ozean, indem wir rausfahren und Netze hinter Schiffen herschleppen. Ich fordere Sie auf mir eine andere Wissenschaft zu nennen, die immer noch hunderte Jahre alte Technologie verwendet. Die zweite oft verwendete Technik ist das Tauchen mit U-Booten und ferngesteuerten Fahrzeugen. Ich bin schon hunderte Male in einem U-Boot getaucht. Wenn ich aber in so einem U-Boot sitze weiß ich, dass ich nicht gerade unauffällig bin, mit den hellen Lichtern und lauten Motoren. Tiere die das wahrnehmen werden längst verschwunden sein. Daher will ich schon lange eine andere Möglichkeit finden die Tiefen zu erforschen.

Und vor einiger Zeit hatte ich die Idee für ein Kamerasystem. Es ist eigentlich nichts weltbewegendes, wir nennen es das "Auge im Meer" und Wissenschaftler an Land machen das schon lange, wir nutzen einfach nur eine Farbe, die die Tiere nicht sehen können und dann eine Kamera, die diese Farbe sehen kann. Man kann im Meer kein Infrarot verwenden. Wir haben rotes Licht verwendet, aber auch das ist problematisch, weil es schnell absorbiert wird. Wir hatten eine sensible Kamera und wollten eine elektronische Qualle bauen. Das Problem in der Wissenschaft ist: Man muss den Geldgebern sagen, was man entdecken wird, bevor sie einem Geld geben. Und ich wusste nicht was ich entdecken werde, daher bekam ich kein Geld dafür. Also kümmerte ich mich selbst darum, die Harvey Mudd Engineering Clinic machte daraus ein Studentenprojekt und ich sammelte Gelder von vielen verschiedenen Quellen.

Das Monterey Bay Aquarium and Research Institute stellte seinen Unterwasserroboter zur Verfügung, damit wir es testen konnten um zum Beispiel herauszufinden, welches Spektrum des roten Lichts wir verwenden müssen, damit wir die Tiere sehen, sie uns aber nicht, damit die elektronische Qualle funktioniert. Und Sie können sehen, wie knapp unser Budget war, wir haben die 16 LED in Epoxid gegossen und in der Gussform können Sie noch das Wort Ziploc erkennen. Selbstverständlich gibt es, wenn es so zusammengeschustert ist, viele Probeläufe und Hindernisse um es zum Laufen zu bringen. Aber es kam der Moment, an dem alles passte und alles funktionierte und dieser Moment wurde vom Fotografen Mark Richards bildlich festgehalten, der zufällig gerade in dem Moment dabei war, als wir merkten, dass alles funktionierte. Das ganz links bin ich, rechts meine damalige Doktorandin Erica Raymond und Lee Fry, der Ingenieur des Projekts. Wir haben dieses Bild in unserem Labor an einen Ehrenplatz gehängt, mit dem Text: "Ingenieur macht zwei Frauen auf einmal glücklich." Und wir waren sehr, sehr glücklich.

Damit hatten wir jetzt ein System, das wir an einen Ort brachten, der eine Art Oase am Meeresgrund ist und möglicherweise von großen Jägern besucht wird. Wir haben es also zu einem Becken mit höherem Salzgehalt am Meeresgrund gebracht, im Norden des Golfs von Mexiko. Das ist ein magischer Ort. Ich weiß, dass diese Bilder für Sie nichts Besonderes sind - wir hatten damals eine schlechte Kamera - aber ich war begeistert. Wir sind am Rande des Salzwasserbeckens und sehen einen Fisch, der auf die Kamera zuschwimmt. Er wird von uns offensichtlich nicht gestört. Und somit hatte ich ein Fenster in die Tiefsee und konnte zum ersten mal beobachten, wie sich die Tiere verhalten, wenn sie nicht von uns gestört werden. Wir haben die elektronische Qualle so programmiert, dass sie vier Stunden nach dem Aufstellen das erste mal aktiviert wird. 86 Sekunden, nachdem ihre LEDs leuchteten haben wir das hier aufgezeichnet. Das ist ein über zwei Meter langer Krake, der der Wissenschaft nicht bekannt ist und daher keiner Familie zugeordnet werden kann. Ich hätte mir keinen besseren Beweis denken können.

Und damit ging ich zurück zur National Science Foundation und sagte: "Das ist es, was wir entdecken werden." Und dann gaben sie mir genug Geld um es richtig gut zu machen, wofür die Entwicklung der ersten Tiefseewebcam nötig war. Sie ist seit einem Jahr im Monterey Canyon installiert. Und seit kurzem gibt es eine modulare Version des Systems, die sehr mobil ist und einfacher eingesetzt und wieder abgebaut werden kann. Ich hoffe sie kann genutzt werden um Sylvia's "hope spots" zu erkunden und diese Gebiete zu schützen und damit ich mehr über Biolumineszenz an diesen Orten lernen kann.

Eine wichtige Botschaft hier ist also, dass es in den Meeren immer noch viel zu entdecken gibt. Und Sylvia hat gesagt, dass wir die Meere zerstören, bevor wir sie überhaupt kennengelernt haben, und sie hat Recht. Wenn Sie also jemals die Möglichkeit haben in einem U-Boot zu tauchen, nehmen Sie sie unbedingt wahr und schalten Sie bitte die Lichter aus. Ich verspreche Ihnen, Sie werden es lieben.

Vielen Dank.

(Applaus)