WAS DU ÜBER DIE AUSFÄRBUNG VON STEINKORALLEN WISSEN MUSST

Pigmente – die Farben der Natur

Moleküle oder Substanzen, die für die Farbgebung in biologischen Systemen verantwortlich sind, werden im Allgemeinen als Pigmente bezeichnet. In Steinkorallen treten diese Pigmente sowohl in den Chloroplasten der Zooxanthellen, als auch in den Geweben der Korallen auf. Trifft Licht auf die Pigmente, so wird dieses entweder absorbiert (= aufgenommen) oder reflektiert (= zurückgeworfen).

Chromophoren – Zentrum der Macht

Während es bei der Reflektion zu keiner Veränderung der Pigmentmoleküle oder des zurückgeworfenen Lichts kommt, wird die während der Absorption aufgenommene Lichtenergie auf eine spezielle chemische Gruppe übertragen, die als Chromophor bezeichnet wird.

Das Chromophor ist der Teil des Pigments, der für seine Farbigkeit verantwortlich ist. Innerhalb des Chromophors werden einzelne Elektronen durch die absorbierte Lichtenergie auf ein höheres Energieniveau angehoben.

Dieser energiereichere Zustand ist allerdings äußert instabil und nach nur kurzer Zeit kehren die angeregten Elektronen wieder auf ihr ursprüngliches Energieniveau zurück. Die überschüssige Energie wird in Form von Hitze oder Licht an die Umgebung abgegeben.

Eine Energieabgabe in Form von Licht wird als Fluoreszenz bezeichnet. Das durch die Pigmentmoleküle abgegebene Fluoreszenzlicht, weist, im Vergleich zu dem zuvor absorbierten Licht, einen geringeren Energiegehalt und dadurch in der Regel eine kürzere Wellenlänge auf. Dabei absorbiert (=aufnehmen) und emittiert (=abgeben) jedes Pigment, Licht einer spezifischen Wellenlänge.

Die verschiedenen Arten von Pigmenten in Steinkorallen

Pigmente, die in den Geweben von Steinkorallen auftreten, werden unterteilt in Fluoreszenz-, Nicht-Fluoreszenz-, Kindling- und photosynthetische Pigmente. Nicht-Fluoreszenz-Pigmente werden auch als Chromoproteine bezeichnet.

Sehr gut untersucht: Fluoreszenzproteine

Die Gruppe der Fluoreszenzproteine ist wissenschaftlich sehr gut beschrieben, da sie unter anderem in der Medizin als Markerproteine eingesetzt werden. Mithilfe von Markerproteinen lassen sich die Synthese und Dynamik von Proteinen im menschlichen Körper untersuchen.

Das erste Fluoreszenzprotein, das in der medizinischen Forschung Beachtung fand, war das so genannte Grün Fluoreszierende Protein (GFP), welches hierfür aus der Qualle Aequorea victoria isoliert wurde. Mittlerweile kennt man eine Vielzahl unterschiedlich farbiger Fluoreszenzproteine, die aber alle eine gemeinsame räumliche Grundstruktur aufweisen. Diese Struktur besteht aus einer fassartig angeordneten Aminosäurekette (=Peptid) in deren Zentrum drei Aminosäuren (=Tripeptid) das Chromophor bilden. Wird dieses Tripeptid in seiner Zusammensetzung verändert, so ändert sich die Wellenlänge des absorbierten und emittierten Lichts, und man erhält ein Fluoreszenzprotein mit neuen Eigenschaften.

So werden Fluoreszenzproteine im Organismus gebildet und aktiviert

Die Bildung von Proteinen läuft bei allen Organismen identisch ab. Die hierfür benötigten Informationen sind in der DNA gespeichert. Im ersten Schritt werden diese Informationen im Kern der Zellen abgelesen und kopiert (=Transkription). Die erstellten Kopien (=RNA; Ribonukelinsäuren) werden dann aus dem Zellkern ins Plasma transportiert und dort im Verlauf des zweiten Schrittes in eine Aminosäuresequenz übersetzt (=Translation). Im letzten Schritt wird aus der synthetisierten Sequenz eine räumliche Struktur gebildet (=posttranslationale Modifikation), wodurch ein funktionsfähiges Protein entsteht.

Im Fall von Fluoreszenzproteinen läuft die posttranslationale Aktivierung bzw. Modifikation der chromophorischen Gruppen von selbst ab. Dieser Prozess umfasst insgesamt drei Schritte: (1) Zyklisierung, (2) Dehydration sowie (3) Oxidation. Erst wenn diese drei Schritte vollständig durchlaufen wurden, kann das Protein Licht spezifischer Wellenlängen absorbieren und emittieren.

In Abhängigkeit vom emittierten Licht, werden insgesamt fünf verschiedene Gruppen von Fluoreszenzproteinen unterschieden: (1) Türkis (CFP), (2) Grün (GFP), (3) Gelb (YFP), (4) Orange (OFP) und (5) Rot (RFP) Fluoreszierende Proteine.

Die Rolle von Fluoreszenzproteinen in Steinkorallen

Bis jetzt konnte die biologische Funktion von Fluoreszenzproteinen in tropischen Steinkorallen noch nicht eindeutig geklärt werden und verschiedene Theorien werden aktuell diskutiert.

Einer der wohl bekanntesten Erklärungsansätze geht von einer photoprotektiven Funktion der Fluoreszenzproteine aus. Natürliches Sonnenlicht, besonders das darin enthaltene UV-Licht, ist sehr energiereich und kann in den Zooxanthellen unter Umständen zur Schädigung der Photosysteme führen. In den Geweben der Steinkorallen liegen die FPs teilweise oberhalb der Zooxanthellen und schatten diese dadurch von der schädlichen Strahlung ab.

Desweiteren könnten die Fluoreszenzproteine als so genannte Antioxidantien wirken. Als unerwünschte Nebenprodukte werden im Verlauf der Photosynthese gefährliche Sauerstoffradikale freigesetzt, die zu schweren Zellschäden führen können. Fluoreszenzproteine könnten in Steinkorallen derartige Moleküle binden und die Zooxanthellen bzw. Korallenzellen dadurch vor Zellschäden schützen.

Auch in den tiefer gelegenen Abschnitten (=Dämmerlichtzonen) der tropischen Korallenriffe lassen sich noch zooxanthellate Steinkorallen finden. Im Roten Meer beispielsweise, kommt die großpolypige Steinkoralle Leptoseris fragilis bis zu einer Tiefe von 160 Metern vor. Die Menge des verfügbaren Lichtes ist dort allerdings sehr gering. Außerdem fehlen bestimmte Bereiche des Lichtspektrums vollständig. Wie also schaffen es die Zooxanthellen von L. fragilis in diesem extremen Lebensraum noch Photosynthese zu betreiben? Eine Antwort auf diese Frage könnte eine weitere mögliche Funktion der Fluoreszenzproteine liefern. Die in den Geweben von L. fragilis enthaltenen Fluoreszenzproteine können das stark blaulastige Licht in der Tiefe absorbieren und anschließend ein Fluoreszenzlicht emittieren, welches eine Wellenlänge aufweist, die von den symbiontischen Algen für die Photosynthese genutzt werden kann.

Wissenschaftliches Neuland: Chromoproteine

Im Gegensatz zu Fluoreszenzproteinen, wurde den Nicht-Fluoreszenz- oder Chromoproteinen in der Vergangenheit wenig wissenschaftliche Aufmerksamkeit geschenkt.

Eine Ausnahme sind die pink- und blaufarbenen Pocilloporine, welche zuerst in Korallen des Taxons Pocilloporidae nachgewiesen werden konnten.
Pocilloporine besitzen chromophorische Gruppen, die keine Aminosäuren, sondern nicht-proteinogene Moleküle oder Metallionen enthalten. Dabei liegt das Absorptionsspektrum der Pocilloporine hauptsächlich im Wellenlängenbereich von 570 bis 580 nm. Dies entspricht einem grün- bis orange-gelblichen Licht.
Im natürlichen Lebensraum nimmt die Konzentration der Pocilloporine in den Geweben der Korallen mit zunehmender Tiefe ab. Außerdem wird für die Initiation der Pocilloporin-Synthese starkes Licht mit einem hohen UV-Anteil benötigt. Deshalb könnten Pocilloporine möglicherweise ebenfalls eine photoprotektive Funktion erfüllen.

Nichts Halbes und nichts Ganzes: Kindling-Proteine

Im Grund handelt es sich bei den Kindling-Proteinen um eine Zwischenform der Chromo- und Fluoreszenzproteine. Sie besitzen die Fähigkeit in Abhängigkeit von der Wellenlänge des auftreffenden Lichts, die Strahlung entweder zu reflektieren oder zu absorbieren. Besonders Licht des grünen Spektralbereichs regt den Übergang der Kindling-Proteine von Chromo- in Fluoreszenzproteine an. Aufgrund der sehr spärlichen Datenlage, lässt sich die Wichtigkeit von Kindling-Proteinen für die Farbigkeit von Steinkorallen aktuell leider nicht genau beurteilen.

Photosynthesepigmente

Die letzte große Gruppe von Pigmenten, die sich in Steinkorallen finden lassen, sind die Pigmente der endosymbiontischen Algen (=Zooxanthellen). Diese sind in den Antennenkomplexen der Photosysteme lokalisiert und dienen dort primär der Umwandlung der Lichtenergie in chemische Energie. Obwohl die Hauptfunktion der Photosynthesepigmente dadurch nicht im Bereich der Farbgebung liegt, tragen sie dennoch zu großen Teilen dazu bei. Da diese Pigmente vor allem Licht des blauen und roten Spektralbereichs absorbieren, wird hauptsächlich Licht des orange-gelben Spektralbereichs (575 bis 650 nm) reflektiert und es entsteht ein insgesamt bräunlicher Farbeindruck. Deshalb erscheinen Steinkorallen, die ihren Geweben eine hohe Konzentration an Zooxanthellen aufweisen, eine eher bräunliche Färbung.

Die Mischung macht´s!

Die Farbe von Steinkorallen ergibt sich letztendlich aufgrund der Reflektion und/oder Absorption des Lichtes durch all die hier aufgeführten Pigmente. Deren Konzentration wird aber, neben der genetischen Veranlagung, von vielen weiteren Faktoren (Lichtintensität, Lichtspektrum, Nährstoffverhältnisse, etc.) beeinflusst, weshalb es in der Regel sehr schwer ist vorauszusagen, wie sich die Färbung einer Steinkoralle unter bestimmten Bedingungen verhält oder verändert. Die Farbbildung bei Steinkorallen ist ein äußerst komplexes Thema und bis jetzt wurden nur wenige wissenschaftliche Arbeiten dazu veröffentlicht. Allerdings können einige allgemeine Annahmen und Zusammenhänge formuliert werden.

Fazit: Fluoreszenz- und Chromoproteine vs. Photosynthesepigmente

Vereinfacht betrachtet, ergibt sich die Färbung der Steinkorallen aus dem Zusammenspiel zwischen Fluoreszenz- und/oder Chromoproteinen und der Dichte der Zooxanthellen. Ist die Dichte der Zooxanthellen und dadurch die Konzentration der Photosynthesepigmente in den Geweben der Korallen hoch, so überlagern diese die Fluoreszenz- und Chromoproteine, und es ergibt sich ein insgesamt bräunliches Erscheinungsbild der Koralle. Dieser Effekt wird verstärkt, wenn die Konzentration der Fluoreszenz- und Chromoproteine gering ist.

Um eine intensive Färbung von Steinkorallen zu erhalten, sollte die Zooxanthellendichte deshalb möglichst gering, die Konzentration der Fluoreszenz- und Chromoproteine dagegen möglichst hoch sein.

Zooxanthellendichte senken

Der erste Ansatz zur Reduzierung der Zooxanthellendichte ist die Senkung und Stabilisierung der Nährstoffkonzentrationen. Gelöste Nährstoffe (NH4+, NO2-, NO3-, PO43-) können von den Zooxanthellen aus der Umgebung aufgenommen und in Biomasse umgewandelt werden. Idealerweise sollten hierfür die Konzentrationen von Ammonium und Nitrit unterhalb der Nachweisgrenze liegen, sowie die Nitratkonzentration maximal 3 - 5 mg/l und der Phosphatgehalt maximal 0,03 - 0,05 mg/l betragen. Für die Senkung der Nährstoffkonzentrationen können unterschiedliche Methoden angewendet werden. Besonders gut eignet sich hierfür der Betrieb eines Pellet- oder eines Zeolithfilters. In beiden Fällen sollte zusätzlich ein kräftiger (aber nicht überdimensionierter) Abschäumer zum Einsatz kommen.

Die Verwendung einer sehr starken Beleuchtung wirkt sich ebenfalls positiv auf die Dichte der Zooxanthellen aus. Da mehr Lichtenergie zur Verfügung steht, werden weniger Zooxanthellen benötigt, um den Energiebedarf der Korallen zu decken. Um optimale Ergebnisse zu erzielen, sollte die Leistung der gewählten Beleuchtung zwischen 1,0 bis 1,2 Watt pro Liter Beckenvolumen oder aber 450 bis 550 Watt pro Quadratmeter Beckenfläche betragen. Um die besten Ergebnisse bei der Farbausbildung zu erreichen, empfiehlt sich bei der Pflege von SPS-Korallen ein PAR Wert (=Photosynthetically Active Radiation) von 450 bis 650 µmol*m-2*s-1.

Außerdem sollten die Korallen regelmäßig gefüttert werden. Steht ihnen keine zusätzliche Energie- und Nährstoffquelle zur Verfügung, so bleibt ihnen nichts anderes übrig, als auf die Photosyntheseprodukte der Zooxanthellen zurückzugreifen. Dies führt aber unweigerlich dazu, dass die Dichte der Zooxanthellen wiederum zunimmt. Besonders die Fütterung mit gelösten organischen Substanzen, wie beispielsweise Aminosäuren, Lebendfutter oder aber speziellen Trockenfuttermischungen, hat sich hierbei bewährt.

Fluoreszenz- und Chromoprotein-Konzentrationen steigern

Da die Fluoreszenz- und Chromoproteine im Verdacht stehen als photoprotektive Substanzen zu fungieren, kann ihre Konzentration effektiv durch die Verwendung einer starken Beleuchtung (siehe oben) gesteigert werden. Daneben spielt das verwendete Spektrum eine wichtige Rolle. Während für die Synthese von Chromoproteinen (pinke & blaue Farbtöne) ein Spektrum von 380 bis 720 nm benötigt wird, sollte das Spektrum für die Bildung und Aktivierung von Fluoreszenzproteinen einen Wellenlängenbereich von 380 bis 500 nm abdecken.

Eine weitere Möglichkeit die Konzentration und Bildung von Fluoreszenz- und Chromoproteinen im Korallengewebe zu steigern, ist die Zugabe von spezifischen (Spuren-) Elementen. Es handelt sich dabei allerdings nicht um eine wissenschaftlich belegte Erkenntnis, sondern um Erfahrungen und Beobachtungen durch Aquarianer.

Da die molekulare Struktur der farbgebenden Proteine selbst keine (Spuren-) Elemente enthält, könnten die Elemente beispielsweise durch Anlagerung die räumliche Struktur der Proteine beeinflussen und dadurch den Fluoreszenzeffekt verstärken oder aber, aufgrund ihrer photoprotektiven und antioxidativen Funktion, dabei helfen, dass physiologische Prozesse unter Starklichtbedingungen überhaupt ablaufen können.

In der Praxis konnte beobachtet werden, dass die Zugabe von Eisen die Bildung der Farbe Grün, die Zugabe von Kalium und Mangan die Bildung der Farben Rot und Pink sowie Zugabe von Iod die Bildung der Farben Blau und Violett unterstützt und fördert.

Für die Dosierung dieser Elemente sollten Fertigprodukte verwendet werden. Allerdings empfiehlt es sich nur mit der Hälfte der vom Hersteller angegebenen Dosierung zu starten und zu beobachten, wie sich die Korallen verhalten bzw. sich das Aquarium insgesamt entwickelt. Die Elemente sollten dabei nur so lange zugegeben werden, bis der vorliegende Farbmangel behoben ist. Erst wenn sich wieder ein Farbverlust einstellt, sollte erneut mit der Dosierung begonnen werden. Außerdem sollte die Konzentration der zudosierten Elemente in regelmäßigen Abständen überprüft werden. Hierfür eignen sich im Handel angebotene Testkits (Eisen, Iod, Kalium) oder eine ICP-Analyse.

Eine Überdosierung der Elemente spiegelt sich in einer Braunfärbung der Korallen wieder und/oder in einem gesteigerten Wachstum von Algen. Außerdem kann es bei der Überdosierung von Kalium zum so genannten „Tip Burning“ kommen, wobei sich das Gewebe an den Wachstumsspitzen von SPS-Korallen löst.

Bei dem Versuch die Farben von Korallen zu steigern, sollten alle Änderungen langsam vorgenommen werden. Die Korallen benötigen einige Zeit, um sich an die neuen Bedingungen anzupassen. Dies betrifft vor allem die Erhöhung der Beleuchtungsintensität oder die Änderung des verwendeten Spektrums. Die ersten Effekte einer zusätzlichen Elementdosierung zeigen sich frühestens nach drei Tagen.

Unter welchen Bedingungen erreichst Du die beste Ausfärbung Deiner Korallen? Was unternimmst Du, um mehr Farbe aus den Korallen rauszukitzeln und wovon würdest Du eher abraten?