Warum sind Pflanzen grün?

Wir haben drei unserer Studenten der International Undergraduate Summer School, Poppy Smith, Lyvy Hall und Tom Hammond, gefragt, warum Pflanzen grün sind.

„Die kurze Antwort ist, dass Pflanzen für uns grün aussehen, weil rotes Licht für sie die nützlichste Wellenlänge ist.

Die längere Antwort liegt in den Details der Photosynthese, dem elektromagnetischen Spektrum, der Energie und den „speziellen Paaren“ von Chlorophyllmolekülen in jeder Pflanzenzelle.

Pflanzen lassen sich grob in vier Hauptkomponenten unterteilen: Wurzeln, Stamm, Blüten und Blätter. Die Blätter erzeugen die Energie oder Nahrung der Pflanze, wie jeder GCSE-Schüler weiß, durch den Prozess, der Photosynthese genannt wird.

Pflanzen (sowie Algen und bestimmte Bakterien) absorbieren Licht, um Zucker zu erzeugen, der die Pflanze mit Energie und einigen anderen nützlichen biochemischen Produkten versorgt, die die Pflanze benötigt, um erfolgreich zu wachsen.

Das Licht, das vom menschlichen Auge gesehen werden kann (das sichtbare Lichtspektrum), besteht aus dem Regenbogen der Farben, der sich von Violett bis Rot erstreckt. Objekte werden vom Menschen als farbig wahrgenommen, wenn das Objekt das Licht zurück zu unseren Augen reflektiert. Alle anderen sichtbaren Wellenlängen des Lichts werden absorbiert, und wir sehen nur die reflektierten Wellenlängen.

Die Farben des sichtbaren Lichts bilden einen Farbkreis. Innerhalb dieses Kreises erscheint ein Gegenstand in der Farbe, die zu der Farbe komplementär ist, die er am stärksten absorbiert. So sehen Pflanzen grün aus, weil sie rotes Licht am stärksten absorbieren und das grüne Licht reflektiert wird.

Licht und das elektromagnetische Spektrum

Sichtbares Licht ist Teil des elektromagnetischen Spektrums, der Gesamtheit des Lichts.

Licht breitet sich in Wellen aus und hat daher eine Wellenlänge, die dem Abstand zwischen den Spitzen der Wellen entspricht. Das sichtbare Licht hat Wellenlängen von 380 Nanometern für Violett bis zu 730 Nanometern für Rot. Zum Vergleich: Ein menschliches Haar ist 100.000 Nanometer dick.

Kürzere Wellenlängen haben eine höhere Energie, die Frequenz der „Welle“ ist höher, also hat violettes Licht mehr Energie als rotes Licht.

Wie Pflanzen Licht nutzen

Photosynthese ist im Wesentlichen der Prozess, bei dem die Pflanze das atmosphärische Gas Kohlendioxid (CO2) und Wasser (H2O) in einfache Zucker umwandelt und dabei Sauerstoff (O2) als Nebenprodukt produziert. Dazu benötigt sie Energie, die sie aus dem Licht erhält, das sie absorbiert.

Durch die Absorption von Licht absorbiert das Objekt auch einen Teil der vom Licht übertragenen Energie. Im Fall von Pflanzen ist es das Pigment Chlorophyll, das das Licht absorbiert, und es ist wählerisch, welche Wellenlängen es absorbiert – meist entscheidet es sich für rotes Licht und etwas blaues Licht.

Die absorbierte Energie bewirkt, dass die Elektronen im Objekt angeregt werden.

Wenn Elektronen angeregt werden, werden sie von einem niedrigen Energieniveau auf ein höheres Energieniveau gebracht. Die Energie des Lichts regt die Elektronen an und entzieht dem Licht Energie – dies ist ein Beispiel für den ersten Hauptsatz der Thermodynamik – Energie wird weder erzeugt noch zerstört, sie kann nur übertragen oder von einer Form in eine andere umgewandelt werden.

Dieser Prozess findet in speziellen Kompartimenten innerhalb der Zellen, den Chloroplasten, statt und ist in zwei Phasen unterteilt;

1 – In der ersten Phase findet eine Abfolge von Reaktionen statt, die „lichtabhängig“ sind. Die Chloroplasten enthalten viele Scheiben, Thylakoide genannt, die mit Chlorophyll gefüllt sind. Die Strukturen innerhalb der Thylakoide, die als Photosysteme bezeichnet werden, bilden das Herzstück der Photosynthese, und im Zentrum jedes Photosystems befindet sich ein „spezielles Paar“ von Chlorophyllmolekülen. Die Elektronen in diesen Chlorophyllmolekülen werden bei der Absorption von Sonnenlicht angeregt. Die Aufgabe der übrigen Chlorophyllmoleküle im Chloroplasten besteht lediglich darin, Energie an das spezielle Paar weiterzuleiten.

2 – Eine zweite Gruppe von Reaktionen ist lichtunabhängig. Diese nutzen die Energie, die während des lichtabhängigen Schrittes eingefangen wurde, um Zucker herzustellen. Diese Reaktionen finden in der Flüssigkeit statt, die die Thylakoide umgibt (das Stroma).

Bei diesen Reaktionen löst sich CO2 im Stroma und wird für die lichtunabhängigen Reaktionen verwendet. Dieses Gas wird in einer Reihe von Reaktionen verwendet, die zur Bildung von Zuckern führen. Die Zuckermoleküle werden dann von der Pflanze ähnlich wie beim Menschen als Nahrung verwendet, wobei überschüssiger Zucker als Stärke gespeichert wird, um später verwendet zu werden, ähnlich wie bei der Fettspeicherung bei Säugetieren.

Das rote Ende des Lichtspektrums regt also die Elektronen in den Blättern der Pflanzen an, und das reflektierte (oder ungenutzte) Licht besteht mehr aus Wellenlängen der komplementären (oder entgegengesetzten) Farbe, Grün.

Die Pflanzen und ihre Blätter sehen also grün aus, weil das „besondere Paar“ der Chlorophyllmoleküle das rote Ende des sichtbaren Lichtspektrums nutzt, um die Reaktionen in jeder Zelle anzutreiben. Das ungenutzte grüne Licht wird vom Blatt reflektiert und wir sehen dieses Licht. Durch die chemischen Reaktionen der Photosynthese wird Kohlendioxid aus der Luft in Zucker umgewandelt, der die Pflanze ernährt, und als Nebenprodukt produziert die Pflanze Sauerstoff.

Diese Vorliebe für Licht am roten Ende des Spektrums ist der Grund, warum Dr. Brande Wulff und sein Team die Technologie der Schnellzucht entwickelt haben. Die Technik, die erstmals von der NASA für den Anbau von Nutzpflanzen im Weltraum eingesetzt wurde, nutzt eine verlängerte Tageslänge, verbesserte LED-Beleuchtung und kontrollierte Temperaturen, um ein schnelles Wachstum der Pflanzen zu fördern.

Sie beschleunigt den Züchtungszyklus von Pflanzen: So können beispielsweise sechs Weizengenerationen pro Jahr gezüchtet werden, verglichen mit zwei Generationen bei herkömmlichen Züchtungsmethoden.

Durch die Verkürzung der Züchtungszyklen ermöglicht die Methode Wissenschaftlern und Pflanzenzüchtern, genetische Verbesserungen wie Ertragssteigerung, Krankheitsresistenz und Klimaresistenz bei einer Reihe von Kulturpflanzen wie Weizen, Gerste, Raps und Erbsen schneller zu erzielen.“