Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Wie schützen sich Pflanzen vor Sonnenbrand?

20.08.2009
Forscher klären Energiemechanismen im Blatt auf

TU Braunschweig: Nicht nur die meisten Menschen - auch Pflanzen müssen sich vor zu starker Sonnenstrahlung schützen. Sie nutzen das Sonnenlicht, um chemisch gespeicherte Energie herzustellen (Fotosynthese).

Ihr Reaktionszentrum arbeitet so effizient, dass jedes "Zuviel" an Sonne das System zum Durchbrennen bringen würde. Wie sich Pflanzen davor schützen, hat jetzt das Team um Prof. Peter Jomo Walla am Institut für Theoretische und Physikalische Chemie der Technischen Universität Braunschweig erforscht. Sein Fernziel ist es, die raffinierten Mechanismen unter anderem für Fotovoltaik-Systeme nutzbar zu machen.

("On the regulation of photosynthesis by excitonic interactions between carotenoids and chlorophylls" erschienen in "Proceedings of the National Academy of Sciences" (PNAS) USA, 28. Juli 2009.)

Im sogenannten Reaktionszentrum der Pflanze schafft die Natur Erstaunliches. Es speist sich von dem Licht, das viele Hundert Chlorophyllmoleküle, der grüne Farbstoff der Blätter, gesammelt haben. Jedes Lichtquant oder Photon - die kleinste Einheit, in der Licht vorkommen kann - wird zu fast 100 Prozent für eine elektrische Ladungstrennung eingesetzt. Diese primär elektrische Energie wird dann verwendet, um alle weiteren biologischen Prozesse anzutreiben.

Ein Sicherheitsschalter für die grüne Energiefabrik

Dies alles geschieht in der Regel unter moderaten Lichtbedingungen. In der Natur kann allerdings die Sonneneinstrahlung innerhalb von Sekunden tausend Mal stärker werden, wenn etwa Wolken aufbrechen oder ein Schattenspender verschwindet. Entsprechend müsste im Reaktionszentrum dann tausendmal mehr Energie umgesetzt werden. "Das ist, als wenn ein Automotor plötzlich statt dreitausend drei Millionen Umdrehungen leisten müsste", erläutert Prof. Peter Jomo Walla, "Kein Apparat hält das unbeschadet aus." Schlagartig muss also die Pflanze umschalten und überschüssige Energie irgendwie loswerden können. Tatsächlich kann man die aktuelle "Fitness" jeder Pflanze leicht daran erkennen, wie schnell und effektiv sie ihre Energieflüsse regeln kann.

Wie dies aber im Detail geschieht, war über Jahrzehnte unbekannt und Gegenstand intensiver Forschung. Der Arbeitsgruppe von Prof. Walla ist nun ein sehr wichtiger Schritt zur Aufklärung dieser Prozesse gelungen.

Ultraschnelle Reaktionen und Quantenmechanik in der Pflanze

Sobald die Sonne ein Blatt zu stark bestrahlt, verbindet sich das grüne Chlorophyll sekundenschnell mit orangefarbenen Karotinoid-Blattpigmenten, allerdings nicht chemisch sondern elektronisch. Durch quantenmechanische "Tricks" verhalten sich die beiden Moleküle dann zusammen wie ein einzelnes Molekül. Jedes Molekül erhält nun etwas von den Eigenschaften des anderen Moleküls. Während der grüne Farbstoff die Lichtenergie normalerweise kurzfristig elektronisch speichert, erzeugen Karotinoid-Moleküle daraus sehr schnell Wärme. Durch das "Mischen" dieser Karotinoideigenschaft mit dem Chlorophyll wird die überschüssige Energie daher sofort gefahrlos in Wärme umgewandelt. Bei sinkender Lichtintensität geben die beiden Moleküle ihre Liaison sofort wieder auf, und die Chlorophyllmoleküle versorgen das Reaktionszentrum wie üblich mit Energie.

Diese Prozesse finden in unvorstellbar kurzer Zeit statt, nämlich innerhalb weniger Femtosekunden - Billionstel von millionstel Sekunden. Zum Vergleich: Nichts ist schneller als Licht, und trotzdem braucht es schon über 100 Femtosekunden, um nur die Strecke zurückzulegen, die dem Durchmesser eines menschlichen Haares entspricht.

Laserblick ins Innere der lebenden Pflanze

"Erst seit der Erfindung der Ultrakurzzeitlaser ist es möglich, diese extrem schnellen und dabei elementaren Schritte überhaupt zu beobachten", erläutert Prof. Walla. Seine Arbeitsgruppe verfügt über mehrere Ultrakurzzeitlaser, die Lichtblitze von nur wenigen Femtosekunden Dauer erzeugen, um mit ihnen dann die ultraschnellen Prozesse in der Fotosynthese abtasten zu können. Durch eine spezielle Modifikation der Ultrakurzzeitlaser ist es ihr gelungen, sogar in lebenden Pflanzen während dieser Regulation direkt nachzuweisen, wie die grün-orangefarbene Gemeinschaftsaktion funktioniert.

Nutzen für Fotovoltaik und Pflanzenzüchtung

"Wir erhalten damit Erkenntnisse, die zum Beispiel für die Züchtung von Nutzpflanzen wichtig sein können, die auch unter extremen Klimabedingungen wie in Ländern der Dritten Welt ertragreich sind," so Walla. "Ein mittelfristiges Ziel unserer Forschung ist die Entwicklung künstlicher Fotosynthese- und neuartiger Fotovoltaik-Systeme zum Beispiel mit speziellen Nanopartikeln. Diese verhalten sich ähnlich wie die Chlorophylle oder Karotinoide, sind aber dafür wesentlich stabiler." Erste Modellsysteme, deren Effizienz ähnlich wie in der Natur von der Schnelligkeit der Energieumwandlungsprozesse abhängt, werden bereits an der TU Braunschweig entwickelt und mit den Ultrakurzzeitlasern untersucht.

Kontakt:

Prof. Dr. Peter Jomo Walla
Institut für theoretische und physikalische Chemie
der Technischen Universität Braunschweig
Hans-Sommer-Straße 10, 38106 Braunschweig
Tel.-Nr.: +49 531 391-5328
E-Mail: p.walla@tu-braunschweig.de

Dr. Elisabeth Hoffmann | idw
Weitere Informationen:
http://www.tu-braunschweig.de/pci/forschung/walla

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Kieselalge in der Antarktis liest je nach Umweltbedingungen verschiedene Varianten seiner Gene ab
17.01.2017 | Stiftung Zoologisches Forschungsmuseum Alexander Koenig, Leibniz-Institut für Biodiversität der Tiere

nachricht Proteinforschung: Der Computer als Mikroskop
16.01.2017 | Ruhr-Universität Bochum

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Biowissenschaften Chemie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Interfacial Superconductivity: Magnetic and superconducting order revealed simultaneously

Researchers from the University of Hamburg in Germany, in collaboration with colleagues from the University of Aarhus in Denmark, have synthesized a new superconducting material by growing a few layers of an antiferromagnetic transition-metal chalcogenide on a bismuth-based topological insulator, both being non-superconducting materials.

While superconductivity and magnetism are generally believed to be mutually exclusive, surprisingly, in this new material, superconducting correlations...

Im Focus: Erforschung von Elementarteilchen in Materialien

Laseranregung von Semimetallen ermöglicht die Erzeugung neuartiger Quasiteilchen in Festkörpersystemen sowie ultraschnelle Schaltung zwischen verschiedenen Zuständen.

Die Untersuchung der Eigenschaften fundamentaler Teilchen in Festkörpersystemen ist ein vielversprechender Ansatz für die Quantenfeldtheorie. Quasiteilchen...

Im Focus: Studying fundamental particles in materials

Laser-driving of semimetals allows creating novel quasiparticle states within condensed matter systems and switching between different states on ultrafast time scales

Studying properties of fundamental particles in condensed matter systems is a promising approach to quantum field theory. Quasiparticles offer the opportunity...

Im Focus: Mit solaren Gebäudehüllen Architektur gestalten

Solarthermie ist in der breiten Öffentlichkeit derzeit durch dunkelblaue, rechteckige Kollektoren auf Hausdächern besetzt. Für ästhetisch hochwertige Architektur werden Technologien benötigt, die dem Architekten mehr Gestaltungsspielraum für Niedrigst- und Plusenergiegebäude geben. Im Projekt »ArKol« entwickeln Forscher des Fraunhofer ISE gemeinsam mit Partnern aktuell zwei Fassadenkollektoren für solare Wärmeerzeugung, die ein hohes Maß an Designflexibilität erlauben: einen Streifenkollektor für opake sowie eine solarthermische Jalousie für transparente Fassadenanteile. Der aktuelle Stand der beiden Entwicklungen wird auf der BAU 2017 vorgestellt.

Im Projekt »ArKol – Entwicklung von architektonisch hoch integrierten Fassadekollektoren mit Heat Pipes« entwickelt das Fraunhofer ISE gemeinsam mit Partnern...

Im Focus: Designing Architecture with Solar Building Envelopes

Among the general public, solar thermal energy is currently associated with dark blue, rectangular collectors on building roofs. Technologies are needed for aesthetically high quality architecture which offer the architect more room for manoeuvre when it comes to low- and plus-energy buildings. With the “ArKol” project, researchers at Fraunhofer ISE together with partners are currently developing two façade collectors for solar thermal energy generation, which permit a high degree of design flexibility: a strip collector for opaque façade sections and a solar thermal blind for transparent sections. The current state of the two developments will be presented at the BAU 2017 trade fair.

As part of the “ArKol – development of architecturally highly integrated façade collectors with heat pipes” project, Fraunhofer ISE together with its partners...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Bundesweiter Astronomietag am 25. März 2017

17.01.2017 | Veranstaltungen

Über intelligente IT-Systeme und große Datenberge

17.01.2017 | Veranstaltungen

Aquakulturen und Fangquoten – was hilft gegen Überfischung?

16.01.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Bundesweiter Astronomietag am 25. März 2017

17.01.2017 | Veranstaltungsnachrichten

Intelligente Haustechnik hört auf „LISTEN“

17.01.2017 | Architektur Bauwesen

Satellitengestützte Lasermesstechnik gegen den Klimawandel

17.01.2017 | Maschinenbau