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Umwelt+Natur

Photonik-Geheimnis blauer Blätter aufgedeckt

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Ein blau schimmerndes Begonien-Blatt. (Credit: University of Bristol)
Was hat es mit diesem bläulichen Schimmer mancher Begonien-Arten auf sich? Britische Forscher haben herausgefunden: Die Schatten-Gewächse haben Nano-Strukturen in ihren Blättern entwickelt, um auch noch am dunklen Waldboden genügend Licht für die Photosynthese einzufangen. Möglicherweise könnte man dieses Bio-Patent der Begonien auch auf andere Pflanzen übertragen oder zur technischen Energiegewinnung aus Licht nutzen.

Wegen ihrer dekorativen Blüten und Blätter avancierten einige Begonienarten zu beliebten Garten- und Zimmerpflanzen. Doch auch eine weitere Eigenschaft dieser Pflanzen trug  dazu bei: Sie benötigen wenig Licht und eignen sich damit zur Begrünung schattiger Plätzchen. Dieses Merkmal berut auf ihrer Fähigkeit, Licht besonders effektiv zu nutzen, was ihnen das Überleben in ihrer ursprünglichen Heimat ermöglichte: dem tropischen Waldboden im Schatten dichter Baumkronen. Unter den 1500 Begonienarten gibt es dabei wiederum besondere Schatten-Spezialisten, deren Blätter ein auffälliges Merkmal besitzen: Ihre Blätter schimmern bläulich. Welche Funktion hinter diesem Effekt steckt, war bisher unklar. Dieser Frage sind die Forscher um Heather Whitney von der University of Bristol nun gezielt nachgegangen.

„Bio-Nanotechnologie“ für mehr Lichtausbeute

Sie entdeckten zunächst, dass sich das Blau nur an besonders dunklen Plätzen bildet. Wenn die Pflanzen hingegen an einem vergleichsweise hellen Standort wachsen, entwickeln sie dieses Merkmal nicht. Dies ließ bereits vermuten, dass der Farbeffekt mit einem Mechanismus zusammenhängt, der mit einer verbesserten Lichtausbeute der Blätter verknüpft ist. Mikroskopische Untersuchungen zeigten dann, dass besondere Strukturen in den Chloroplasten der blauen Blätter für die Farbe verantwortlich sind. Chloroplasten sind die Zellorganellen der Pflanzen, in denen die Photosynthese stattfindet – der Licht-getriebene Aufbau von energiereichen Kohlenstoffverbindungen. Die Untersuchungen der Forscher an den Begonien zeigten: Ihre blauen Chloroplasten – die sogenannten Iridoplasten – sind mit „Nanotechnologie“ ausgerüstet: Sie besitzen innere Strukturen aus extrem gleichmäßigen Schichten von nur wenigen hundert Nanometern Dicke – tausendmal dünner als ein menschliches Haar.

Vergleiche zeigten, dass diese Schichten bemerkenswerte Ähnlichkeiten zu künstlichen Strukturen aufweisen, die bei der Erzeugung von Miniatur-Lasern und anderen technischen Einheiten für die Kontrolle des Lichtflusses genutzt werden. Durch Messmethoden, die auch in der Technik zum Einsatz kommen, fanden die Forscher schließlich Hinweise darauf, dass die Reflexion von blauem Licht ein Nebeneffekt der verbesserten Absorption von grünem Licht ist. Dieser Effekt macht für die Pflanzen Sinn, wie die Forscher erklären: Im schattigen Lebensraum der Begonien absorbiert das Blätterdach ohnehin den größten Teil des blauen Lichts und lässt nur grünliches zu den Pflanzen am Boden durch. Offenbar haben sich die Iridoplasten demnach entwickelt, um das verbleibende grüne Licht optimal zu nutzen.

Lässt sich das Bio-Patent nutzen?

Dass dies tatsächlich der Fall ist, konnten die Forscher auch experimentell nachweisen: Sie verglichen die Photosynthese-Rate der Iridoplasten mit der von normalen Chloroplasten. Es zeigte sich: Bei sehr geringen Lichtmengen ermöglicht das Solar-System der Begonien erheblich mehr Energieausbeute: Die Photosyntheseleistung wird durch den Effekt der Iridoplasten um fünf bis zehn Prozent erhöht.

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Das Geheimnis der blauen Farbe mancher Begonien-Blätter scheint damit nun gelöst. Doch wie die Forscher betonen, ergeben sich nun neue spannende Fragen: Sie wollen herausfinden, ob auch andere Pflanzengruppen photonische Versionen von Chloroplasten entwickelt haben. Außerdem könnte es sich lohnen, das Potenzial dieser optischen Konzepte auszuloten: Möglicherweise könnte man diese Fähigkeit auf andere Pflanzen übertragen, um Erträge bei wenig Licht zu verbessern. Außerdem ließen sich die  Biopatente möglicherweise auch bei technischen Elementen nutzen, um mehr Energieausbeute im Dämmerlicht zu ermöglichen.

Originalarbeit der Forscher:

© wissenschaft.de – Martin Vieweg
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