Lichtabsorption. Handout zum Vortrag am REFERAT BIOLOGIE LEISTUNGSKURS. 11 Februar 2007 Verfasst von: Daniela Luxem

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1 Lichtabsorption Handout zum Vortrag am REFERAT BIOLOGIE LEISTUNGSKURS 11 Februar 2007 Verfasst von: Daniela Luxem

2 Lichtabsorption Handout zum Vortrag am Ziel dieser Arbeit ist, den Vorgang der Lichtabsorption bei der Photosynthese zu erklären. Die Lichtabsorption ist der wichtigste Vorgang bei der Photosynthese, da hier die benötigte Energie für den Vorgang von der Pflanze aufgenommen wird. Inhaltsverzeichnis 1. Lichtspektrum 1.1. Was ist das Lichtspektrum? 1.2. Zusammenhang mit der Photosynthese 2. Die Blattfarbstoffe 2.1. Wie funktionieren Pigmente 2.2. So funktionieren die Pigmente des Chlorophyll 3. Lichtabsorption im Detail 2.1. Lichtabsorption allgemein 2.2. Lichtabsorption beim Chlorophyll 4. Das Chlorophyll 5. Die Photosysteme 6. Das Reaktionszentrum 7. Quellenverzeichnis 1

3 1. Das Lichtspektrum 1.1 Was ist das Lichtspektrum? Die Abbildung zeigt die verschiedenen Bereiche des Lichts. Der für den Menschen sichtbare Bereich reicht von ca. 400 nm Wellenlänge bis ca. 700 nm. Der linke Bereich mit kurzen Wellenlängen ab 400 nm ist violettes Licht, wechselt dann in Blau, Grün, Gelb und schließlich Rot mit der längsten Wellenlänge. Je größer die Wellenlänge ist, desto weniger Energie enthält das Licht. 1.2 Zusammenhang mit der Photosynthese Bei der Photosynthese werden bestimmte Bereiche des Lichtspektrums durch das Chlorophyll und Carotinoide absorbiert. Hautpsächlich wird das Licht im blauen (ca. 450 nm) und roten Bereich (ca. 650 nm) absorbiert, am schwächsten ist die Absorption im mittleren Lichtspektrum sowie am Ende bei ca. 750 nm. 2

4 2. Die Blattfarbstoffe 2.1 Wie funktionieren Pigmente Pigmente absorbieren einen bestimmten Anteil des Lichtspektrums. Beispiel: Ein blauer Pullover Die Pigmente des Pullis absorbieren alle Wellenlängen außer blau, welches reflektiert und von unserem Auge gesehen wird. Der Pulli erscheint uns blau. Ein weißer Pulli würde also alle Wellenlängen wieder reflektieren, da alle Farben zusammen von uns als weißes Licht wahrgenommen werden. Pigmente, die alle Wellenlängen absorbieren, erscheinen uns als schwarz. 2.2 So funktionieren die Pigmente des Chlorophyll Das Chlorophyll absorbiert hauptsächlich die blauen und roten Wellenlängen. Die restlichen Wellenlängen, die reflektiert werden, ergeben die Farbe grün. 3

5 2.3 Der Engelmannsche Versuch Der Engelmannsche Versuch beweist die unterschiedliche Absorption: Zitat: Das Ziel dieses Experiments bestand darin, die Fähigkeit des Chlorophylls, aus Lichtenergie Sauerstoff zu produzieren, in verschiedenen Bereichen des Lichtspektrums zu testen. Zu diesem Zwecke ließ Engelmann einen Lichtstrahl durch einen Prisma hindurchstrahlen, so dass ein Spektrum erzeugt wurde. Dieses projizierte er auf einen dünnen Algenfaden, auf den er im Voraus sauerstoffliebende Bakterien gesetzt hatte. Je nach Licht, das auf den Algenfaden traf (vom langwelligen rot über orange zu gelb, über grün zum blau bis zum kurzwelligen violett), produzierte das in den Chloroplasten enthaltene Chlorophyll mehr oder weniger Sauerstoff, worauf sich die Bakterien mehr oder weniger stark vermehrten. Die Intensität der Bakterienvermehrung nahm er somit als Maß für die Photosynthesesrate. Das Resultat zeigt deutlich, dass der Optimalbereich für die Photosynthese bei dem langwelligen rot liegt, sowie im eher kurzwelligen blau. Dazwischen im Bereich von grün und gelb sinkt die Photosyntheserate auf ca. 10%. Dieser Versuch bewies also die unterschiedliche Lichtabsorption des Chlorophyll mit einfachen Mitteln. 4

6 3. Die Lichtabsorption im Detail a. Allgemeiner Ablauf von Lichtabsorption Ein einfaches Beispiel ist die Absorption von Lichtenergie beim Wasserstoff Atom. Das H-Atom besitzt nur ein Außenelektron auf der K-Schale. Die Energie des Lichts ist in den Lichtteilchen, sogenannten Photonen, enthalten. Nun trifft so ein Photon auf das Elektron unseres H-Atoms. 5

7 Das Photon überträgt bei dem Zusammenstoß seine Energie auf das Elektron. Vorher war das Kräfteverhältnis ausgeglichen, die positive Anziehungskraft des Kerns hielten das Elektron in einer stabilen kreisförmigen Umlaufbahn. Durch die Übertragung der Energie auf das Eletkron kreist dies nun schneller um den Kern, mit der Folge, das die Zentrifugalkraft das Elektron weiter vom Kern entfernt. Man sagt, das Elektron befindet sich auf einem höheren Energienieveau. Das Elektron kann jetzt viel leichter vom Kern entfernt werden, man sagt dass das Redoxpotential steigt. b. Die Absorption bei Chlorophyll Chlorophyll absorbiert hauptsächlich rotes und blaues Licht. Wir haben bereits gesagt, dass kurzwelliges Licht energiereicher ist als langwelliges. Das langwellige rote Licht bringt die Elektronen des Chlorophylls auf ein höheres Energieniveau 6

8 Durch das energiereichere blaue Licht wird das Energieniveau weiter erhöht. Jetzt ist aber zuviel Energie vorhanden, um eine stabile Reaktion des Chlorophylls zu erreichen. Erst durch Abgabe von Energie wird wieder der stabile Zustand erreicht, bei dem das Chlorophyll die Reaktionen zur Photosynthese betreiben kann. Das heißt, nur der rote Lichtbereich kann direkt zur Photosynthese benutzt werden, der blaue Lichtbereich nur indirekt durch Weitergabe der Energie an andere Chlorophyllmoleküle. Das hat natürlich den Vorteil, dass das eigentlich unbrauchbare aber viel energiereichere blaue Licht ebenfalls für die Photosynthese benutzt werden kann. 7

9 4. Das Chlorophyll Wie schon gesagt, hat das Chlorophyll die Aufgabe, Licht zu absorbieren. Aber es kann noch mehr: Weiterleiten der Energie In Gang setzen der Photosynthese Die Absorbierte Energie muss ja irgendwo hin. Die Chlorophyllmoleküle absorbieren die Energie nicht nur, sie leiten sie auch weiter zum Reaktionszentrum, wo die eigentliche Photosynthese stattfindet. Es gibt verschiedene Arten von Chlorophyll, wobei sie alle die gleiche Aufgaben haben, Absorption und Reaktion. Die wichtigsten sind: Chlorophyll a blaugrün Absorptionsmaxima in den Wellenlängen 430, 662 nm Chlorophyll b gelbgrün Absorptionsmaxima in den Wellenlängen 454, 643 nm Außerdem enthalten einige Pflanzen auch noch Carotinoide. Mehrere hundert Chlorophyllmoleküle bilden mit den übrigen Pigmentmolekülen Photosynthetische Elementareinheiten. Hier ist nur jeweils ein Chlorophyll-a-Molekülpaar (nach neuesten Erkenntnissen, die Paare werden als Special Pair bezeichnet) aktiv und bildet das Reaktionszentrum. Die Aufgabe von Chlorophyll b und Carotinoiden ist die Absorption in Wellenbereichen des Lichts, in denen Chlorophyll a keine Energie absorbieren kann. Chlorophyll b und Carotinoide sind sogenannte Antennenpigmente, die Energie absorbieren und sie an die Reaktionszentren weitergeben. Jedes Chloroplast enthält Millionen solcher Photosysteme. 8

10 5. Die Photosysteme Die Systeme sind aber nicht wahllos angeordnet, es wirken immer zwei Systeme zusammen. Man unterscheidet zwischen Fotosystem I und Fotosytem II. Sie sind hintereinander geschaltet und unterscheiden sich in der Zusammensetzung aus Chlorophyll a- und b Molekülen sowie den Carotinoiden. Fotosystem I: Antennenkomplex: Dieses System enthält weniger Chlorophyll b, sondern in der Hautpsache Chlorophyll a Moleküle, die in einem Wellenbereich von 660 bis 720 nm absorbieren. Das Reaktionszentrum dieses Fotosystems ist ein Chlorophyll a Molekülpaar, welches bei 700 nm aborbiert, deshalb nennt man es Pigment 700 (P 700). Fotosystem II: Antennenkomplex: Es enthält mehr Chlorophyll b Moleküle und ist insgesamt in einem niedrigeren Wellenbereich wirksam, von 660 nm bis 680 nm. Das Reaktionszentrum wird aus einem Paar Chlorophyll a Molekülen gebildet, welches bei 680 nm absorbiert. Es heißt also Pigment 680. Die Antennenkomplexe haben nur die Aufgabe, die absorbierte Energie an das Reaktionszentrum weiterzuleiten. Das Reaktionszentrum enthält ein Paar Chlorophyll a Moleküle, welche die aufgenommene Energie nutzen, um die Photosynthese in Gang zu setzen. 9

11 6. Das Reaktionszentrum Das Reaktionszentrum ist der zentrale Bestandteil, in dem die Photosynthese stattfindet. Die absorbierte Lichtenergie führt zu einer Ladungstrennung, wobei H2O aufgespalten wird. Die freigesetzten Elektronen werden dann aus dem Reaktionszentrum abgeleitet und nach vielen Zwischenschritten zur Produktion von Kohlenwasserstoff-Verbindungen benutzt. Die Reaktionszentren in den Photosystemen sind bis heute noch nicht vollständig erforscht, es gibt Bestandteile bei denen ungeklärt ist, wie sie an der Photosynthese beteiligt sind. Die komplette Erforschung der Photosynthese würde die Möglichkeit eröffnen, diese Reaktion künstlich nachzubilden und so viel effektiver die Sonnenenergie zu nutzen. Die Photosysteme absorbieren im Schnitt fast 90% der Energie von der betroffenen Wellenlänge und leiten diese nahezu verlustfrei ans Reaktionszentrum weiter. Eine heutige Solaranlage hat etwa 15% Wirkungsgrad, d.h. 15% der zur Verfügung stehenden Energie werden tatsächlich elektrische Energie umgewandelt. Die Photosynthese hat einen Wirkungsgrad von 20,0 Prozent für blaues und 35,5 Prozent für rotes Licht unter natürlichen Bedingungen. Durch Veränderung der Einflüsse kann der Wirkungsgrad aber nochmal stark gesteigert werden. In Gewächshäusern beispielsweise bewirkt die Zugabe von CO2 eine Steigerung der Reaktion um den Faktor 2,5. 10

12 7. Quellenverzeichnis: Karl Heinz Scharf, Wilhelm Weber: Cytologie Schroedel Verlag; ISBN Seite 147 Dorn, Bader: Physik in einem Band Schroedel Verlag; ISBN Seiten 159 ff., 571 Oberstudienrat Jürgen Groth: Lehrheft Physik Größen und Einheiten, Formeln und Tabellen Seite