Das blaue Wunder

Begonien nutzen Nanostrukturen für eine bessere Lichtausbeute

27.10.2016 | von Redaktion Pflanzenforschung.de

Die irisierende, blaue Färbung bestimmter Begonien ist ein Nebeneffekt der besonderen Lichternte-Technik. (Bildquelle: © University of Bristol)
Die irisierende, blaue Färbung bestimmter Begonien ist ein Nebeneffekt der besonderen Lichternte-Technik. (Bildquelle: © University of Bristol)

Bestimmte Begonien-Arten gedeihen auch an sehr schattigen Standorten. An diesen schattigen Plätzen bilden sie blau schimmernde Blätter. Bisher war nicht klar, welche Funktion hinter diesem Effekt steckt. Wissenschaftler fanden jetzt heraus, dass in den Chloroplasten der Blätter photonische Kristalle eingelagert werden. Diese sorgen für eine bessere Lichtausbeute an schattigen Plätzen.

Begonien (Begonia) werden aufgrund ihrer farbenprächtigen Blätter oder ihrer eindrucksvollen Blüten als Zierpflanzen in Räumen oder als Beet- und Balkonpflanzen geschätzt. Die zur Familie der Schieferblattgewächse (Begoniaceae) gehörende Pflanzengattung hat allerdings noch einen weitere Besonderheit: Sie gedeiht auch an sehr schattigen Plätzen. Diesen Standortvorteil haben einige der knapp 15.000 Begonien-Arten perfektioniert. Sie können sogar unter dichten Baumkronen im tiefsten tropischen Regenwald wachsen. Wissenschaftler beobachteten, dass mit der ungewöhnlichen Platzwahl eine blaue, irisierende Färbung der Blätter einhergeht.

Optisches Phänomen verursacht metallischen Glanz

Irisieren beschreibt ein optisches Phänomen, bei dem bestimmte Lichtwellen gebrochen und reflektiert werden. Eine Oberfläche erscheint unserem Auge dadurch metallisch glänzend. In der Natur ist dieser Effekt weit verbreitet, beispielsweise im Tierreich bei Schnecken wie den Seeohren (Haliotis) oder bei Insekten wie den Goldwespen (Chrysididae). Aber auch im Pflanzenreich lässt sich dieser Effekt beobachten. Zum Beispiel bei bestimmten Begonien-Arten. Jedoch tritt der Effekt nur an bestimmten Standorten auf. Wachsen die Begonien an lichtdurchfluteten Orten, ist auch der Effekt verschwunden. Dieses Phänomen weckte das Interesse der Forscher. Ob und wie der irisierende Effekt mit der Photosynthese zusammenhängt, wurde zum Gegenstand ihrer Forschung.

Grünes Licht wird bevorzugt

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In der Natur ist der Effekt des Irisieren weit verbreitet, beispielsweise bei Insekten wie den Goldwespen (Chrysididae).

In der Natur ist der Effekt des Irisieren weit verbreitet, beispielsweise bei Insekten wie den Goldwespen (Chrysididae).

Bildquelle: © Pudding4brains/wikimedia.org; CC0

Unter dem Mikroskop untersuchten sie die blauen Blätter einer Kreuzung aus Begonia grandis und Begonia pavonina. Sie entdeckten besonders strukturierte Chloroplasten, sogenannte Iridoplasten. Im Inneren der Iridoplasten fanden die Wissenschaftler präzise angeordnete Membransysteme. Diese photonischen Kristalle bilden etwa 40 Nanometer große Strukturen, welche die Bewegung von Lichtteilchen (Photonen) beeinflussen. Die Reflexionsspektren der Iridoplasten sind auf Wellenlängen spezialisiert, wie diese an schattigen Standorten auftreten. Blaue Wellenlägen um 470 Nanometer werden durch die Nanostruktur stark reflektiert. Grüne Wellenlängen um 500 bis 550 Nanometer dagegen werden im Blattgewebe gebündelt und stärker absorbiert. Diese Präferenz passt zu einem schattigen Standort. Denn blaues, aber auch gelbes und orangenes Licht des Farbspektrums wird größtenteils von den Pflanzen in den oberen Stockwerken des Waldes genutzt.

Durch die photonischen Kristalle wird das Licht dieser Wellenlängenbereiche für die Photosynthese regelrecht konzentriert. Dies geschieht, indem sich die verschiedenen Wellenlängen des Lichts innerhalb der Struktur der Iridoplasten in Schwingung versetzen und verstärkend überlagern. Durch den Fokus auf bestimmte Wellenlängen kann die Pflanze ihre Licht-Effizienz um fünf bis 10 Prozent steigern. Dies verschafft den Pflanzen einen Vorteil gegenüber der Konkurrenz am Boden. Die irisierende, blaue Färbung der Blätter ist nur ein Nebeneffekt der besonderen Lichternte-Technik.

Übertragung auf andere Pflanzen und Solarzellen

Das Verständnis von einer besonders effizienten Lichtausbeute ist für die Wissenschaft in doppelter Hinsicht von Bedeutung. Einerseits erhofft man sich, durch die gewonnenen Erkenntnisse die natürlich Photosynthese der Pflanzen zu optimieren. Denn betrachtet man den Wirkungsgrad, so ist die Photosynthese ein extrem ineffizienter Prozess. In der Natur, wo Licht in allen Wellenlängen auf ein Blatt auftrifft, wandelt eine Pflanze netto etwa zwei Prozent der Lichtenergie in chemische Energie um. Das Wissen um die Nanostrukturen und ihre Wirkung kann aber auch zur weiteren Optimierung von Photovoltaik-Anlagen genutzt werden. Gelingt es die Nanostrukturen der Blätter technisch zu kopieren, könnten Solaranlagen entwickelt werden, die auch an Standorten mit geringerer Sonneneinstrahlung eine gute Energieausbeute liefern.

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