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Robert, 2018-12
Hopemaster 2020, 05

Lichtabsorption in Chloroplasten

Licht

Licht ist im Grunde elektromagnetische Strahlung, die vom menschlichen Auge wahrgenommen werden kann. Damit Pflanzen Fotosynthese betreiben können, benötigen sie bekanntlich Licht. Die Produktivität bei der Fotosynthese hängt dabei unter Anderem von der Farbe des Lichtes ab, was man mit Hilfe von weißem Licht untersuchen kann. Weißes Licht enthält alle für den Menschen sichtbaren Spektralfarben im elektromagnetischem Spektrum und wirft man dieses auf ein Prisma, so wird das weiße Licht in seine Spektralfarben eingeteilt.

 

Prisma

Ein Prisma spaltet weißes Licht in seine Bestandteile auf.

Wenn man eine Pflanze dann mit den Lichtstrahlen jeder einzelnen Spektralfarbe beschießt, so stellt man fest, dass die Fotosyntheserate, bemessen nach der Sauerstoffproduktion, von blauem und rotem Licht am höchsten ist.

Absorption

Damit eine Pflanze die Energie des Lichtes aufnehmen kann, muss sie das Licht absorbieren. Diese Absorption des Lichtes wird durch Fotosynthesepigmente in den Pflanzen ermöglicht. Isoliert man diese Pigmente, wird die unterschiedliche Fotosyntheserate bei unterschiedlichem Licht verständlich.

Absorptionsspektrum

Nun gibt es in einer Pflanze unterschiedliche Pigmente, welche bestimmtes Licht besser oder schlechter absorbieren als ein anderes Pigment. In der folgenden Abbildung wird die Absorption des Lichtes verschiedener Wellenlängen von unterschiedlichen Pigmenten einer Pflanze gezeigt. Dies ist das Absorptionsspektrum der unterschiedlichen Pigmente.

 

Lichtabsorption - Fotosyntheserate

ABBILDUNG: Lichtabsorption - Fotosyntheserate

 

Für die Grünfärbung der Pflanze sorgt das Chlorophyll a, denn dieses absorbiert das Licht nur im geringen Maße und reflektiert es hauptsächlich. Das blaue und das rote Licht wird am stärksten absorbiert.

Akzessorische Pigmente

Neben dem Absorptionsspektrum des Chlorophylls a ist auch das des Chlorophylls b dargestellt. Teilweise absorbiert das Chlorophyll b das von Chlorophyll a reflektierte Licht, wobei das Chlorophyll b die aufgenommene Energie den Molekülen des Chlorophylls a übergibt. Pigmente dieser Art bezeichnet man als die akzessorischen Pigmente der Fotosynthese. Zu diesen akzessorischen Pigmenten gehören auch Carotinoide und Phycobiline.

Das Pigmentmolekül nimmt mit seinen Valenzelektronen die Lichtenergie auf und befördert ein Elektron gegen die Anziehung des Atomkerns in einen höheren Energiezustand. Dadurch, dass das Molekül dabei angeregt wird, kann das Elektron nicht lange in diesem Zustand bleiben. Jedes Pigmentmolekül nimmt nur die Energie eines Lichtes einer bestimmten Wellenlänge auf und je kürzer die Wellenlänge ist, desto energiereicher ist das Licht. Die Energie von rotem Licht ist in der Lage, ein a-Molekül-Elektron anzuregen.

Dieser Zustand ermöglicht die Energieübertragung auf ein Nachbarmolekül. Somit wird das Nachbarmolekül angeregt und das Molekül, das die Energie übertragen hat, fällt in seinen Ursprungszustand zurück. Wird die Energie nicht an ein Nachbarmolekül weitergegeben, so wird sie in Form von Wärme oder energiearmem Fluoresenzlicht abgegeben. Allerdings ist dies aufgrund der Konzipierung des Fotosyntheseapparats nur selten der Fall. Folgt nach dem roten Licht noch blaues, wird der zweite Anregungszustand erreicht und beim Zurückfallen auf die erste Anregungsstufe entsteht unbrauchbare Wärme.

 

Was passiert im Chlorophyllmolekül, wenn Licht darauf fällt?

1. In jedem Atom bewegen sich ein Elektron im 1s Orbital (erste Elektronenhülle) um den Atomkern. Der Atomkern ist positiv geladen und hat eine hohe Anziehungskraft auf das negative Elektron. Um das Elektron zu entfernen und die Anziehungskraft zu überwinden müsste Energie aufgebracht werden. Bis dies geschieht, befindet sich das Elektron im Grundzustand.

2. Gelangt Licht, also ein Photon, auf das Elektron, so verfügt dieses auch über Energie. (Der Energiebetrag hängt von Wellenlänge ab, kurzwelliges Licht enthält mehr Energie als langwelliges). Die Lichtenergie wird auf das Atom und auf das Elektron übertragen (s. Energieerhaltungssatz).

Anregung eines Elektrons durch rotes Licht

3. Das Elektron verfügt nun über einen größeren Energiebetrag und kann sich schneller und weiter vom Atomkern wegbewegen!
=> Das Elektron hat ein höheres Energieniveau (= 1. angeregter Zustand).

Bei energiereichem Licht kann auch der 2. angeregte Zustand (= 3. Elektronenhülle) erreicht werden.

4. Nach einiger Zeit fällt das Elektron, normalerweise unter Abgabe von Lichtenergie, in seinen Grundzustand zurückgelangen. In der Fotosynthese wird aber keine Lichtenergie abgegeben, sondern chemische Energie, die dann im weiteren Verlauf zum Aufbau energiereicher Substanzen genutzt wird.

Beachte: Das Chlorophyllatom hatte zuerst ein recht positives Redoxpotential. Wird in der Fotosynthese nun ein Elektron abgegeben, hat es ein negativeres, a es oxidiert wurde.


Allgemein: Angeregte Atome und Moleküle werden leichter (durch Abgabe eines Elektrons) oxidiert und sind somit gute Reduktionsmittel

 

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