Auf dem Boden eines Buchenmischwaldes findet man im zeitigen Frühjahr
häufig das Buschwindröschen. Es gedeiht hier recht gut, weil die
noch wenig entwickelten Blätter der Bäume genügend Licht
durchdringen lassen. Wenn sich das Blätterdach schließt und der
Boden stark beschattet wird, sterben die oberirdischen Teile dieser Pflanzen
bald ab.
Wenn die Lichtintensität zu gering ist, überwiegt der
Verlust an organischer Substanz durch Atmung den Zugewinn durch Photosynthese.
Die Lichtintensität, bei der genausoviel durch Atmung verbraucht wird,
wie durch Photosynthese produziert wird, nennt man Lichtkompensationspunkt.
Licht
Die Photosynthese ist in erster Linie von der Lichtintensität abhängig.
Laborexperimente haben jedoch gezeigt, dass die Photosynthese nicht
beliebig durch Steigerung der Belichtung erhöht werden kann. Bei einer
bestimmten Lichtintensität, der Lichtsättigung, wird ein Maximum
der Photosyntheseleistung erreicht. Dieses liegt beim Buschwindröschen
bei einer höheren Lichtintensität als beim Maiglöckchen,
das auf beschatteten Böden noch gut gedeiht.
Man unterscheidet deshalb zwischen Sonnenpflanzen und Schattenpflanzen.
Der Vorteil der Schattenpflanzen liegt in einer besseren Ausnutzung schwacher
Lichtintensitäten. Ihr Lichtkompensationspunkt wird schon bei sehr
geringer Lichtintensität überschritten. Dadurch wird ihnen die
Besiedlung beschatteter Standorte möglich. Die Sonnenpflanzen nützen
dagegen hohe Lichtstärken viel besser aus.
Temperatur
Die volle Photosyntheseleistung einer grünen Pflanze wird nur in einem
engen Temperaturbereich, dem Optimum, erzielt. Als Anpassung an die Bedingungen
der natürlichen Standorte kann dieses Optimum bei verschiedenen Pflanzenarten
ganz unterschiedlich liegen. Außerhalb des Optimumbereichs fällt
die Photosynthese stark ab. Bei Kälte laufen alle chemischen Reaktionen,
auch diejenigen der Photosynthese, langsamer ab. Bei zu hoher Temperatur
werden Enzyme der Photosynthese geschädigt.
Kohlenstoffdioxidgehalt der Luft
In Gewächshäusern werden manchmal feuchte Strohballen ausgelegt,
um das Wachstum der Pflanzen zu steigern. Bakterielle Abbauprozesse im feuchten
Stroh erhöhen nämlich den Kohlenstoffdioxidgehalt der Treibhausluft.
Bei diesem Verfahren nutzt man die starke Abhängigkeit der Photosynthese
vom Kohlenstoffdioxidgehalt der Luft. Dieser liegt mit 0,03% in der Atmosphärenluft
weit unter dem experimentell erreichbaren Optimum.
Blattfarbstoffe
Im Herbst verfärbt sich das Laub unserer Bäume und Sträucher.
Die grünen Blattfarbstoffe Chlorophyll a und b, die im Frühjahr
und Sommer die Farbe des Laubs bestimmt haben, werden chemisch abgebaut.
Wiederverwendbare Substanzen, vor allem Magnesium, wandern in den Stamm
zurück. In den Blättern bleiben braune Abbauprodukte der Chlorophylle
und weitere gelbe und rote Blattfarbstoffe, deren Farbe bisher durch die
grünen Chlorophylle überdeckt wurde. Diese Farbstoffe sind vor
allem Carotinoide, wie z.B. das ß-Carotin. Je nach Zusammensetzung
bewirken die zurückbleibenden Farbstoffe die unterschiedliche Herbstfärbung
des Laubs. Bei einigen Pflanzen, wie z.B. der Blutbuche, überlagern
auch im Sommer rote Farbstoffe (Anthocyan) die Chlorophylle.
Es gibt auch chlorophyllfreie Pflanzen. So ist der "Rotschopf-Kaktus"
eine chlorophyllfreie Mutante, die durch Carotinoide leuchtend rot oder
gelb gefärbt ist und nur aufgepfropft auf einem grünen Kaktus
leben kann. Die Sommerwurz oder die Kleeseide sind chlorophyllfreie Pflanzenarten,
die als Parasiten auf anderen Pflanzen leben und sich heterotroph ernähren.
Spektren der Blattfarbstoffe
Laubblätter sind grün, weil auftreffendes Licht zum Teil absorbiert
wird. Dies kann man mit einem Blattpigment-Extrakt beweisen:
Weißes Licht wird durch die grüne Lösung geschickt und danach
durch ein Prisma spektral zerlegt. Das Spektrum des weißen Lichts
enthielt alle Regenbogenfarben. Jetzt sind einige Farben, nämlich Violett,
Blau und Hellrot, gelöscht. Beim Durchdringen des Blattpigment-Extrakts
sind demnach diese Wellenlängenbereiche des weißen Lichts von
den Blattfarbstoffen absorbiert worden. Die Farben Grün und Gelb werden
kaum absorbiert.
Man kann durch Chromatographie die Blattfarbstoffe trennen und dann in einem
Spektralphotometer die Lichtabsorption für alle Wellenlängen des
Lichtes messen. Die graphische Darstellung der Meßwerte ergibt ein
Absorptionsspektrum.
Bestrahlt man grüne Pflanzen, z.B. eine Grünalgensuspension,
mit Licht einer bestimmten Wellenlänge, kann man aus der entstehenden
Sauerstoffmenge die Photosyntheseleistung bestimmen. Unterschiedliche Wellenlängen
bewirken ganz verschiedene Photosyntheseleistungen. Auch diese Ergebnisse
kann man graphisch darstellen und erhält so ein Wirkungsspektrum. Vergleicht
man dieses mit den Absorptionsspektren der Blattfarbstoffe, fällt die
weitgehende Übereinstimmung mit dem Chlorophyll-Spektrum auf. Dies
bedeutet, daß die für die Photosynthese benötigte Lichtenergie
hauptsächlich vom Chlorophyll absorbiert wird.
Lichtanregung von Chlorophyll
Weißes Licht besteht aus elektromagnetischen Wellen mit Wellenlängen
zwischen etwa 400 und 800 nm. Die verschiedenen Wellenlängen entsprechen
bestimmten Farben und Energieinhalten: Beispielsweise ist blaues Licht kurzwellig
und energiereich, rotes Licht dagegen langwellig und energiearm.
Farbstoffe absorbieren bestimmte Wellenlängen des Lichts. Die absorbierte
Energie hebt Elektronen aus den Doppelbindungssystemen der Pigmentmoleküle
auf ein höheres Energieniveau. Die Elektronen befinden sich dann in
einem Anregungszustand. In einem Molekül können Elektronen nur
ganz bestimmte Energieniveaus besetzen. Deshalb werden aus dem einfallenden
Licht nur diejenigen Wellenlängen absorbiert, deren Energieinhalt der
Differenz zwischen Grundzustand und Anregungszustand entspricht. Ein Elektron
verbleibt nur sehr kurze Zeit in einem Anregungszustand. Bei der Rückkehr
in den Grundzustand wird die Energie meist als Wärme oder Licht (Fluoreszenzlicht)
frei.
In einem Chlorophyllmolekül gibt es zwei Anregungszustände. Rotlicht
hebt ein Elektron in den 1. Anregungszustand, Blaulicht in den energiereicheren
2. Anregungszustand. Unter Wärmeabgabe springt das Elektron von hier
aus in den 1. Anregungszustand zurück. Jetzt kann das Chlorophyll photochemische
Arbeit leisten. Es gibt ein Elektron an ein Redoxsystem ab, und dieses wird
reduziert. Das Elektron kann aber auch unter Abgabe von Wärme oder
Fluoreszenzlicht aus dem 1. Anregungszustand in den Grundzustand zurückkehren. |
