Das mächtige Chlorophyll-Molekül
Einleitung – Landwirte können Wissenschaftler sein.
Was ist Chlorophyll? Es ist ein wesentliches Element in Pflanzen, das die Umwandlung von Licht in nutzbare Energie für das Pflanzenwachstum ermöglicht. Aber einige von uns sind von der ganzen Wissenschaft hinter den Kulissen eingeschüchtert. In diesem Artikel entmystifizieren wir dieses faszinierende Thema, um Landwirten und angehenden Wissenschaftlern zu helfen, neben dem großen Bild auch die Details zu verstehen.
Abb. 1 – Foto von Pixabay
Was ist so mächtig an Chlorophyll?
Wenn man darüber nachdenkt, stammt alles, was wir essen, entweder direkt oder indirekt von Pflanzen. Selbst das Fleisch, das wir verzehren, stammt von Pflanzenfressern oder pflanzenfressenden Tieren. Und es ist das Chlorophyll, das die Photosynthese auslöst, die zu einem Pflanzenwachstum führt, das die Bausteine für alle Nahrungsmittel darstellt. Chlorophyll könnte also neben Wasser das wichtigste Molekül für das Leben auf diesem Planeten sein.
Abb. 2 – Alle Lebensmittel stammen letztlich von Pflanzen – Foto von Lina Kivaka (Pexels)
Wo befinden sich Chlorophyll-Moleküle?
Das Chlorophyllmolekül ist Teil des Photosyntheseprozesses in Pflanzen, der in einem früheren Artikel behandelt wurde (hier). Dort haben wir erwähnt, dass die Photosynthese in der Pflanze > Pflanzenzelle > Chloroplast > Thylakoid > Thylakoidmembran stattfindet.
Abb. 3 – Chlorophyll ist Teil der Photosynthese, die in der Thylakoidmembran stattfindet (zum Vergrößern auf das Bild klicken).
Die Thylakoidmembran enthält eine Art Fabrik, die Licht empfängt und in nutzbare Pflanzenenergie (ADP und NADPH) umwandelt. In dieser Fabrik befinden sich PSII- und PSI-Komponenten; sie enthalten lichtabsorbierende Chlorophyllmoleküle.
Abb. 4 – Die Licht-Energie-Fabrik in der Thylakoidmembran
Was ist ein Molekül? Ein bisschen Wissenschaft.
Es ist einfach zu verstehen, was ein Molekül ist, wenn man an Wasser denkt. Ein „Atom“ ist ein grundlegendes, universelles Element. Es gibt zum Beispiel Sauerstoffatome und Wasserstoffatome. Wenn man ein Sauerstoffatom mit zwei Wasserstoffatomen verbindet, erhält man ein H2O-Molekül oder einfach Wasser. Kohlendioxid (CO2) besteht aus einem Kohlenstoff- und zwei Sauerstoffatomen, die alle miteinander verbunden sind. Ein Molekül ist also einfach eine Ansammlung von Atomen, die miteinander verbunden sind und eine einzigartige Substanz bilden.
Aber H2O ist eine Flüssigkeit und CO2 ist ein Gas. Ihre Eigenschaften sind unterschiedlich, aber warum? Denn die Merkmale ihrer Molekülstrukturen sind von Natur aus unterschiedlich: die Masse der Atome, die Ladung und die Unterteilchen in jedem Atom.
Das heißt, ein Chlorophyllmolekül ist einfach eine Ansammlung von Atomen, die miteinander verbunden sind. Seine Molekularstruktur bestimmt seine einzigartigen Eigenschaften, die darin bestehen, Licht zu absorbieren und die Photosynthese auszulösen.
Abb. 6 – Das Chlorophyll-Molekül
Abb. 5 – Atome und Moleküle
Chlorophyll-a und Chlorophyll-b
Wie bereits erwähnt, bestimmt die Molekularstruktur des Chlorophylls seine Fähigkeit, Licht zu absorbieren. Aber nicht nur irgendeine Lichtfarbe. Die Pflanzen haben sich in zwei Arten von Chlorophyll entwickelt, Chlorophyll-a und Chlorophyll-b.
Chlorophyll-a und Chlorophyll-b befinden sich beide in PSII und PSI unserer Fabrik. Allerdings kann Chlorophyll-b blaues Licht besser absorbieren, während Chlorophyll-a rotes Licht besser absorbiert. Sie sind sich grundsätzlich ähnlich, bis auf ein winziges Detail in ihrer Molekularstruktur (Abbildung 7). Aber dieser kleine Unterschied verändert die Lichtabsorptionsfähigkeit beider.
Abbildung 7 – Chlorophyll-a und Chlorophyll-b, unterschieden durch ein kleines Gebilde am Kopf des Moleküls.
Chlorophyll ist ein Pigmentmolekül
Wie bereits erwähnt, können beide Chlorophyllmoleküle Licht absorbieren. Chlorophylle reflektieren auch Licht, hauptsächlich im grünen Bereich des Spektrums, weshalb Pflanzen grün erscheinen.
Die Fähigkeit eines Moleküls, mit Licht zu interagieren, macht es zu einem„Pigmentmolekül„. Die meisten Objekte, die Farbe zeigen können, haben Pigmentmoleküle, wie Farben und Farbstoffe, aber es gibt auch natürliche Pigmentmoleküle, zum Beispiel in der Farbe unserer Haare.
Manche Objekte, wie transparentes Glas oder Wasser, haben jedoch keine Pigmentmoleküle.
Das Absorptionsdiagramm oder die Empfindlichkeitskurven (Abbildung 8) zeigen das Chlorophyll-Pigmentmolekül in Aktion.
- Chlorophyll a: Hauptpeaks bei 430nm (blau) und 662nm (rot).
- Chlorophyll b: Hauptpeaks bei 453nm (blau) und 642nm (orange)
Beachten Sie auch, dass es im grün-gelben Bereich eine große Delle gibt. Das liegt daran, dass das Blatt das Grün nicht absorbiert, sondern reflektiert oder durchlässt.
Abb. 8 (Cholorophyll-Empfindlichkeitskurven) – Bild von Daniele Pugliesi CCA Share Alike 3.0
Abb. 9 – Chlorophylle, die blaues und rotes Licht für die Photosynthese nutzen. Unterhalb der Baumkronen ist das fernroten Licht reichlicher vorhanden, und hier kommen die Phytochrome ins Spiel.
Warum blaues Licht und rotes Licht?
Die Antwort auf diese Frage ist eine faszinierende Folge der Evolution.
Blaues Licht
Blaues Licht hat eine kürzere Wellenlänge als andere Farben des visuellen Spektrums, und eine kürzere Wellenlänge bedeutet, dass es mehr Energie enthält – mit anderen Worten: Blaues Licht hat ein besseres Preis-Leistungs-Verhältnis. Pflanzen haben sich so entwickelt, dass sie von diesem Energieschub profitieren.
Blätter, die direkt der Sonne zugewandt sind, erhalten das gesamte Farbspektrum (Abbildung 10), das auf ihre Oberfläche fällt. Blätter, die nicht der Sonne zugewandt sind, aber immer noch auf den weiten blauen Himmel blicken, nutzen dieses blaue Licht (Abbildung 11). Dies wird als indirektes Sonnenlicht bezeichnet; viele Zimmerpflanzen kommen damit gut zurecht.
Rotes Licht
Was ist mit rotem Licht? Aus Abbildung 8 ist ersichtlich, dass Chlorophyll-a den Bereich der für die Photosynthese verfügbaren Spektren erweitert.
Fernrotes Licht
Bei den oben genannten Strategien handelt es sich um evolutionäre Methoden, mit denen Pflanzen die Nutzung von Lichtenergie optimieren. Selbst unter einem dichten Blätterdach kann noch ein Teil der Photosynthese stattfinden, da etwas blaues und rotes Licht eindringt. Die häufigsten Lichtspektren unter den Blättern sind jedoch die fernroten Spektren über 700 nm (siehe Abbildung 12). An dieser Stelle kommen die Phytochrome ins Spiel, die die Fernrotenergie absorbieren, um die Chlorophyllproduktion zu steigern und das Stammwachstum zu fördern. (Siehe Phytochrome und Photomorphogenese).
Abb. 10 – Vollständiges Farbspektrum unter direktem Sonnenlicht – Pflanzen verwenden sowohl Chlorophyll-a als auch Chlorophyll-b.
Abb. 11 – Spektrum des blauen Himmels für Blätter, die der Sonne abgewandt sind (indirektes Sonnenlicht) – Chlorphyll-b kann noch blaues Licht nutzen.
Abb. 12 – Spektrum unter einem Kronendach, wo die Photosynthese beeinträchtigt ist, aber oberhalb von 700 nm ist es weit rot, wo Phytochrome zur Rettung kommen.
Chlorophyll und der Kreislauf des Lebens
Chlorophyll setzt die Photosynthese in Gang, die den Pflanzen hilft, zu wachsen und zu den Nahrungsmitteln oder den daraus gewonnenen Nahrungsmitteln zu werden, die alles Leben erhalten. Aus diesem Leben entsteht stickstoffhaltiger Dünger (Exkremente), der den Prozess auf den Feldern von neuem beginnt. Die Photosynthese recycelt auch das erstickende CO2 und produziert den wertvollen Sauerstoff, den wir atmen.
Es ist das Modell eines nachhaltigen Ökosystems schlechthin – und alles beginnt mit Chlorophyll.
In diesem Artikel haben wir das Was, Wo und Wie von Chlorophyll für Anbauer, die angehende Wissenschaftler sein wollen, behandelt. Wir hoffen, wir konnten Sie über dieses mächtige Molekül aufklären und Sie davon überzeugen, dass die Wissenschaft doch nicht so schlecht ist.
Abb. 13 – Foto von Joshua J. Cotten auf Unsplash
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