Den Einfluss des Umweltfaktors Lichtintensität auf die Photosyntheserate einer grünen Pflanze konnte man mit gesundem Menschenverstand noch vorhersagen: Je mehr Licht, desto höher die Photosyntheserate. Welchen Einfluss die Lichtfarbe auf die Photosyntheserate hat, lässt sich so einfach nicht erschließen. Man kann aber experimentell vorgehen, indem man den Wasserpest-Versuch leicht abändert, den wir auf der Methodenseite kennengelernt haben. Diesmal bestrahlen wir die Wasserpestpflanzen nicht mit weißem Licht, sondern mit farbigem Licht unterschiedlicher Wellenlänge. Dazu bietet der Lehrmittelversand spezielle Farbfilter an, die man in den Strahlengang halten kann. Inzwischen wird es aber auch bestimmt schon LED-Lichtquellen geben, deren Farbe man gezielt einstellen kann.
Methode: Farbfilter
Warum kann man nicht einfach mit dem Tintenstrahldrucker Overheadfolien in unterschiedlichen Farben bedrucken und diese in den Strahlengang halten?
Der Grund ist ganz einfach: Wenn wir den Photosynthesefaktor Lichtfarbe untersuchen wollen, müssen wir alle anderen Photosynthesefaktoren konstant halten. Dies gilt auch und vor allem für die Lichtintensität.
Bei selbst hergestellten Folien oder Filtern kann es aber gut sein, dass beispielsweise der Blaufilter mehr Licht absorbiert als der Rotfilter. Dann ist es nur logisch, wenn im Blaulicht die Photosyntheserate niedriger ist als im Rotlicht. Das liegt dann aber nicht an der Lichtfarbe, sondern einfach daran, dass weniger von dem Blaulicht durch den selbstgedruckten Filter kommt als von dem Rotlicht.
Bei den Filtern, die im Lehrmittelhandel angeboten werden, ist dieser Faktor bereits berücksichtigt worden. Diese Filter sind so abgestimmt, dass sie alle die gleiche Lichtintensität passieren lassen, unabhängig von der Farbe.
Der Engelmannsche Bakterienversuch
Dass die Photosyntheserate von der Lichtfarbe abhängig ist, kann man mit einem genialen Versuch beweisen:
Methode: Engelmannscher Bakterienversuch
Man nehme eine fädige Grünalge, lege diese unter ein Mikroskop, gebe sauerstoffliebende Bakterien in den Wassertropfen und bestrahle dann den Algenfaden nicht mit normalem Licht, sondern mit einem Lichtspektrum, indem man das Licht vorher durch ein Prisma leitet.
Ergebnis des Engelmannschen Bakterienversuchs zur Abhängigkeit der Photosyntheserate von der Lichtfarbe
Autor: Ulrich Helmich 2016, Lizenz: siehe Seitenende.
Man kann erkennen, dass sich besonders viele Bakterien im blauen und vor allem im roten Bereich des Spektrums sammeln, offensichtlich produziert der Algenfaden dort besonders viel Sauerstoff.
Obwohl die Versuche von Engelmann (siehe "externe Links") schon vor über 110 Jahren gemacht wurden, treffen die Aussagen immer noch zu. Mit modernen Untersuchungsmethoden konnten die Behauptungen Engelmanns bestätigt werden.
Sauerstoffproduktion in Abhängigkeit von der Lichtfarbe
Autor: Ulrich Helmich 2016, Lizenz: siehe Seitenende.
Wenn Sie wissen wollen, was Licht und Farbe überhaupt sind, und was man unter einem Absorptionsspektrum versteht und so weiter, dann gehen Sie bitte auf meine Seiten zur Farbstoffchemie.
Das Absorptionsspektrum des Blattgrüns
Absorptionsspektrum des Chlorophylls
Autor: Ulrich Helmich 2016, Lizenz: siehe Seitenende.
Die unmittelbare Ursache für die Tatsache, dass hauptsächlich im blauen und roten Licht Sauerstoff produziert wird, liegt begründet in den chemisch-physikalischen Eigenschaften des grünen Blattfarbstoffs Chlorophyll. Oben sehen Sie das Absorptionsspektrum des Chlorophylls. Hier kann man klar erkennen, dass der grüne Blattfarbstoff hauptsächlich blaues Licht absorbiert und zum Teil auch rotes Licht. Grünes und gelbes Licht dagegen wird so gut wie nicht absorbiert. Chlorophyll ist nun der für den Ablauf der Photosynthese verantwortliche Farbstoff, der die Lichtenergie in chemische Energie umwandelt.
Methode Absorptionsspektrum
Man bestrahlt eine Lösung von Blattgrün mit Licht unterschiedlicher Wellenlänge, aber gleicher Intensität. Mit einem geeigneten Gerät misst man dann, wie viel Prozent des jeweils eingestrahlten Lichts von der Flüssigkeit absorbiert werden. Messtechnisch funktioniert das ganz einfach: Man vergleicht die eingestrahlte Lichtintensität mit der Intensität des Lichtes, das hinter dem Gefäß mit der Blattgrünlösung wieder heraus kommt.
Bei einfachen Photometern arbeitet man mit weißem Licht, dass man durch verschiedene Farbfilter schickt, und dann schreibt man sich die jeweiligen Absorptionswerte auf.
Bei modernen Photometern wird das weiße Licht durch ein Prisma geschickt, dass sich mit einer bestimmten Winkelgeschwindigkeit dreht, so dass die Probe nacheinander mit den verschiedenen Wellenlängen bestrahlt wird. Das Photometer wird dann an einen Computer angeschlossen, der für jede Wellenlänge die Absorption aufzeichnet und anschließend als Graphik darstellt - fertig ist das Absorptionsspektrum.
Ganz moderne Photometer bestrahlen die Probe irgendwie mit allen Wellenlängen gleichzeitig oder zumindest so schnell hintereinander, dass man das Absorptionsspektrum innerhalb weniger Sekunden am Computermonitor zur Verfügung hat.
Warum läuft die Photosynthese im Blaulicht besonders gut?
Der "tiefere" Grund für die Tatsache, dass die Photosynthese am besten mit blauem oder rotem Licht gelingt, liegt in der Zusammensetzung des Sonnenlichtes. Helles Sonnenlicht ist aus allen sichtbaren Farben zusammengesetzt. Das sieht man ja sofort, wenn man das weiße Sonnenlicht mit Hilfe eines Prismas in seine spektralen Bestandteile zerlegt (das geht übrigens auch mit der unbedruckten Seite einer CD sehr gut). Der Blau-Anteil im Sonnenlicht ist aber besonders hoch, höher als der Rot-, Grün- oder Gelb-Anteil. Das sieht man im Spektrum allerdings nicht, sondern muss man mit empfindlichen Messgeräten herausfinden. Jedenfalls ist das der Grund, warum die Photosynthese besonders gut im Blaulicht abläuft.
Wieso funktioniert die Photosynthese auch im Rotlicht?
Die Frage ist jetzt, wieso läuft die Photosynthese auch im Rotlicht besonders gut ab? Die unmittelbare Antwort wäre: Weil das Chlorophyll auch rotes Licht ziemlich stark absorbiert. Dann müsste sich aber sofort die tiefergehende Frage anschließen: Warum absorbiert denn das Chlorophyll rotes Licht? Welchen Sinn macht das? Welchen Vorteil haben diejenigen Pflanzen, die Chlorophyll-Moleküle in ihren Chloroplasten haben, welche in der Lage sind, nicht nur blaues, sondern auch rotes Licht zu absorbieren?
Dazu darf man sich nicht nur die spektrale Zusammensetzung des Sonnenlichtes anschauen, wo ja der Blau-Anteil deutlich überwiegt, sondern man muss auch untersuchen, wie das Licht im Schatten zusammengesetzt ist, in dem ja viele Pflanzen leben müssen. Und hier stellt sich heraus, dass Schattenlicht einen recht hohen Rot-Anteil enthält.
Pflanzen mit Chlorophyll, das Blau UND Rot absorbiert und chemisch verwertet, haben also einen deutlichen Überlebensvorteil gegenüber Pflanzen, deren Chlorophyll nur das Blaulicht absorbiert. Sie können nämlich sowohl in der Sonne wie auch im Schatten Photosynthese betreiben. Aus diesem Grund haben sich solche Pflanzen im Laufe der Jahrmillionen gegenüber Pflanzen ohne Rot-Absorption durchgesetzt.