Eigenschaften von Licht. Wie Chlorophylle und andere Pigmente Licht absorbieren.
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Einführung
Wenn Sie schon einmal zu lange in der Sonne waren und sich einen Sonnenbrand zugezogen haben, sind Sie sich wahrscheinlich der immensen Energie der Sonne bewusst. Leider kann der menschliche Körper die Sonnenenergie nicht ausreichend nutzen, abgesehen von der Produktion von etwas Vitamin D (ein Vitamin, das in der Haut durch Sonnenlicht synthetisiert wird).
Pflanzen hingegen sind Experten darin, Lichtenergie einzufangen und daraus durch einen Prozess namens Photosynthese Zucker herzustellen. Dieser Prozess beginnt mit der Absorption von Licht durch spezielle organische Moleküle, sogenannte Pigmente, die in den Chloroplasten pflanzlicher Zellen vorkommen. Hier betrachten wir Licht als eine Form von Energie und sehen auch, wie Pigmente – wie die Chlorophylle, die Pflanzen grün machen – diese Energie absorbieren.
Was ist Lichtenergie?
Licht ist eine Form elektromagnetischer Strahlung, eine Art Energie, die sich in Wellen ausbreitet. Andere Arten elektromagnetischer Strahlung, denen wir in unserem täglichen Leben begegnen, sind Radiowellen, Mikrowellen und Röntgenstrahlen. Alle Arten elektromagnetischer Strahlung bilden zusammen das elektromagnetische Spektrum.
Jede elektromagnetische Welle hat eine bestimmte Wellenlänge oder einen bestimmten Abstand von einem Kamm zum nächsten, und verschiedene Arten von Strahlung haben unterschiedliche charakteristische Wellenlängenbereiche (wie im Diagramm unten dargestellt). Strahlungsarten mit langen Wellenlängen, wie zum Beispiel Radiowellen, tragen weniger Energie als Strahlungsarten mit kurzen Wellenlängen, wie zum Beispiel Röntgenstrahlen
[Mehr über Wellenlänge]
Bild einer Welle, das die Wellenkämme, das Wellental und die Wellenlänge (Abstand von Wellenkamm zu Wellenkamm) zeigt.
Das elektromagnetische Spektrum umfasst den gesamten Wellenlängenbereich elektromagnetischer Strahlung. Eine längere Wellenlänge ist mit niedrigerer Energie verbunden und eine kürzere Wellenlänge ist mit höherer Energie verbunden. Die Strahlungsarten im Spektrum, von der längsten bis zur kürzesten Wellenlänge, sind: Radio, Mikrowelle, Infrarot, sichtbares Licht, Ultraviolett, Röntgenstrahlung und Gammastrahlung. Sichtbares Licht besteht aus verschiedenen Farben mit jeweils unterschiedlicher Wellenlänge und unterschiedlichem Energieniveau. Die Farben, von der längsten bis zur kürzesten Wellenlänge, sind: Rot, Orange, Gelb, Grün, Blau, Indigo und Violett.
Bild geändert von "Elektromagnetisches Spektrum," durch Induktive Last (CC BY-SA 3.0) und "EM-Spektrum," von Philip Ronan (CC BY-SA 3.0). Das geänderte Bild ist unter einer CC BY-SA 3.0-Lizenz lizenziert
Das sichtbare Spektrum ist der einzige Teil des elektromagnetischen Spektrums, der vom menschlichen Auge gesehen werden kann. Dazu gehört elektromagnetische Strahlung, deren Wellenlänge zwischen etwa 400 nm und 700 nm liegt. Sichtbares Licht der Sonne erscheint weiß, besteht aber tatsächlich aus mehreren Lichtwellenlängen (Farben). Sie können diese verschiedenen Farben sehen, wenn weißes Licht durch ein Prisma fällt: Da die verschiedenen Wellenlängen des Lichts beim Durchgang durch das Prisma in unterschiedlichen Winkeln gebogen werden, breiten sie sich aus und bilden das, was wir als Regenbogen sehen. Rotes Licht hat die längste Wellenlänge und die geringste Energie, während violettes Licht die kürzeste Wellenlänge und die meiste Energie hat
[Prismenanimation]
Obwohl Licht und andere Formen elektromagnetischer Strahlung unter vielen Bedingungen als Wellen wirken, können sie sich unter anderen Bedingungen wie Teilchen verhalten. Jedes Teilchen elektromagnetischer Strahlung, Photon genannt, hat eine bestimmte Energiemenge. Strahlungsarten mit kurzen Wellenlängen verfügen über hochenergetische Photonen, wohingegen Strahlungsarten mit langen Wellenlängen über niederenergetische Photonen verfügen.
Pigmente absorbieren Licht, das bei der Photosynthese verwendet wird
Bei der Photosynthese wird die Energie der Sonne durch photosynthetische Organismen in chemische Energie umgewandelt. Allerdings werden die verschiedenen Wellenlängen des Sonnenlichts nicht alle gleichermaßen in der Photosynthese genutzt. Stattdessen enthalten photosynthetische Organismen lichtabsorbierende Moleküle, sogenannte Pigmente, die nur bestimmte Wellenlängen des sichtbaren Lichts absorbieren und andere reflektieren.
Die Menge der von einem Pigment absorbierten Wellenlängen ist sein Absorptionsspektrum. Im Diagramm unten sehen Sie die Absorptionsspektren von drei Schlüsselpigmenten der Photosynthese: Chlorophyll a, Chlorophyll b und β-Carotin. Die Wellenlängen, die ein Pigment nicht absorbiert, werden reflektiert, und das reflektierte Licht sehen wir als Farbe. Pflanzen erscheinen uns beispielsweise grün, weil sie viel Chlorophyll a enthalten und b Moleküle, die grünes Licht reflektieren.
Jedes photosynthetische Pigment hat eine Reihe von Wellenlängen, die es absorbiert, ein sogenanntes Absorptionsspektrum. Absorptionsspektren können durch die Wellenlänge (nm) auf der x-Achse und den Grad der Lichtabsorption auf der y-Achse dargestellt werden. Das Absorptionsspektrum von Chlorophyllen umfasst Wellenlängen von blauem und orangerotem Licht, was durch ihre Spitzen bei etwa 450–475 nm und etwa 650–675 nm angezeigt wird. Hinweis: Chlorophyll a absorbiert etwas andere Wellenlängen als Chlorophyll b. Chlorophylle absorbieren keine grünen und gelben Wellenlängen, was durch eine sehr geringe Lichtabsorption im Bereich von etwa 500 bis 600 nm angezeigt wird. Das Absorptionsspektrum von β-Carotin (einem Carotinoidpigment) umfasst violettes und blaugrünes Licht, was durch seine Peaks bei etwa 450 und 475 nm angezeigt wird.
Die optimale Lichtabsorption erfolgt bei unterschiedlichen Wellenlängen für unterschiedliche Pigmente. Bild geändert von "Die lichtabhängigen Reaktionen der Photosynthese: Abbildung 4," von OpenStax College, Biologie (CC BY 3.0)
Die meisten photosynthetischen Organismen verfügen über eine Vielzahl unterschiedlicher Pigmente, sodass sie Energie aus einem breiten Wellenlängenbereich absorbieren können. Hier betrachten wir zwei Gruppen von Pigmenten, die in Pflanzen wichtig sind: Chlorophylle und Carotinoide.
Chlorophylle
Es gibt fünf Haupttypen von Chlorophyllen: Chlorophylle a, b, c und d sowie ein verwandtes Molekül namens Bakteriochlorophyll, das in Prokaryoten vorkommt. In Pflanzen ist Chlorophyll a und Chlorophyll b sind die wichtigsten photosynthetischen Pigmente. Chlorophyllmoleküle absorbieren blaue und rote Wellenlängen, wie die Peaks in den Absorptionsspektren oben zeigen.
Strukturell umfassen Chlorophyllmoleküle ein hydrophobes ("Angst vor Wasser") Schwanz, der in die Thylakoidmembran eindringt, und ein Porphyrinringkopf (eine kreisförmige Gruppe von Atomen, die ein Magnesiumion umgibt), der Licht absorbiert^11start superscript, 1, end superscript.
Ein Chlorophyll a Das Molekül hat einen hydrophoben Schwanz, der in die Thylakoidmembran eindringt, und einen Porphyrinkopf, der Lichtenergie einfängt.
Bild geändert von "Chlorophyll-a-2D-Skelett," von Ben Mills (gemeinfrei)
Obwohl sowohl Chlorophyll a und Chlorophyll b absorbieren Licht, Chlorophyll a spielt eine einzigartige und entscheidende Rolle bei der Umwandlung von Lichtenergie in chemische Energie (wie Sie im Artikel über lichtabhängige Reaktionen näher erläutern können). Alle photosynthetischen Pflanzen, Algen und Cyanobakterien enthalten Chlorophyll a, wohingegen nur Pflanzen und Grünalgen Chlorophyll b enthalten, zusammen mit einigen Arten von Cyanobakterien^{2,3}2,3start superscript, 2, komma, 3, end superscript.
Aufgrund der zentralen Rolle von Chlorophyll a Bei der Photosynthese werden neben Chlorophyll auch alle anderen Pigmente verwendet werden als akzessorische Pigmente bezeichnet – darunter auch andere Chlorophylle sowie andere Pigmentklassen wie die Carotinoide. Durch die Verwendung von Zusatzpigmenten kann ein breiterer Wellenlängenbereich absorbiert und somit mehr Energie aus dem Sonnenlicht gewonnen werden.
Carotinoide
Carotinoide sind eine weitere wichtige Gruppe von Pigmenten, die violettes und blaugrünes Licht absorbieren (siehe Spektraldiagramm oben). Die leuchtend gefärbten Carotinoide in Früchten – etwa das Rot von Tomaten (Lycopin), das Gelb von Maissamen (Zeaxanthin) oder das Orange einer Orangenschale (β-Carotin) – werden oft als Werbung verwendet, um Tiere anzulocken kann dabei helfen, die Samen der Pflanze zu verbreiten.
Bei der Photosynthese helfen Carotinoide dabei, Licht einzufangen, spielen aber auch eine wichtige Rolle bei der Beseitigung überschüssiger Lichtenergie. Wenn ein Blatt der vollen Sonne ausgesetzt ist, erhält es eine enorme Energiemenge; Wenn diese Energie nicht richtig gehandhabt wird, kann sie die Photosynthesemaschinerie beschädigen. Carotinoide in Chloroplasten helfen dabei, die überschüssige Energie zu absorbieren und als Wärme abzugeben.
Was bedeutet es, dass ein Pigment Licht absorbiert?
Wenn ein Pigment ein Lichtphoton absorbiert, wird es angeregt, was bedeutet, dass es zusätzliche Energie hat und sich nicht mehr in seinem normalen oder Grundzustand befindet. Auf subatomarer Ebene liegt eine Anregung vor, wenn ein Elektron in ein Orbital mit höherer Energie stößt, das weiter vom Kern entfernt liegt.
Nur ein Photon mit genau der richtigen Energiemenge, um ein Elektron zwischen den Orbitalen hin- und herzubewegen, kann ein Pigment anregen. Tatsächlich absorbieren verschiedene Pigmente aus diesem Grund unterschiedliche Wellenlängen des Lichts: die "Energielücken" zwischen den Orbitalen sind in jedem Pigment unterschiedlich, was bedeutet, dass jeweils Photonen unterschiedlicher Wellenlänge benötigt werden, um einen Energieschub zu liefern, der der Lücke^44start superscript, 4, end superscript entspricht.
Wenn ein Pigmentmolekül Licht absorbiert, wird es von einem Grundzustand in einen angeregten Zustand versetzt. Dies bedeutet, dass ein Elektron auf ein Orbital mit höherer Energie (ein Orbital, das weiter vom Kern entfernt ist) springt.
Bild geändert von "Bis2A 06.3 Photophosphorylierung: die Lichtreaktionen der Photosynthese: Abbildungen 7 und 8," von Mitch Singer (CC BY 4.0).
Ein angeregtes Pigment ist instabil und hat verschiedene "Optionen" verfügbar, um stabiler zu werden. Beispielsweise kann es entweder seine zusätzliche Energie oder sein angeregtes Elektron auf ein benachbartes Molekül übertragen. Wir werden im nächsten Abschnitt sehen, wie diese beiden Prozesse funktionieren: die lichtabhängigen Reaktionen.
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