Photosynthese Pflanzen schützen sich bei der Photosynthese vor zuviel Sonnenlicht

Wie sich Pflanzen vor zuviel Sonnenlicht schützen, hat das Team um Prof. Peter Jomo Walla am Institut für Theoretische und Physikalische Chemie der Technischen Universität Braunschweig erforscht. Sein Fernziel ist es, die raffinierten Mechanismen unter anderem für Fotovoltaik-Systeme nutzbar zu machen.

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Institut für theoretische und physikalische Chemie der TU Braunschweig

Braunschweig – Wenn Wolken aufbrechen oder Schatten weichen, müssen Pflanzen innerhalb von Sekunden auf intensive Sonneneinstrahlungen reagieren und überschüssige Energie abbauen. Wie dies im Detail geschieht, ist seit Jahrzehnten Forschungsgegenstand. Der Arbeitsgruppe von Prof. Walla ist nun ein Schritt zur Aufklärung dieser Prozesse gelungen: Sobald die Sonne ein Blatt zu stark bestrahlt, verbindet sich das grüne Chlorophyll sekundenschnell mit orangefarbenen Karotinoid-Blattpigmenten, allerdings nicht chemisch sondern elektronisch. Die beiden Moleküle verhalten sich dann zusammen wie ein einzelnes Molekül. Während der grüne Farbstoff die Lichtenergie normalerweise kurzfristig elektronisch speichert, erzeugen Karotinoid-Moleküle daraus sehr schnell Wärme. Durch das „Mischen“ dieser Karotinoideigenschaft mit dem Chlorophyll wird die überschüssige Energie daher sofort gefahrlos in Wärme umgewandelt. Bei sinkender Lichtintensität geben die beiden Moleküle ihre Liaison wieder auf, und die Chlorophyllmoleküle versorgen das Reaktionszentrum wie üblich mit Energie.

Mit Ultrakurzzeitlasern dem Prozess auf der Spur

Diese Prozesse finden innnerhalb weniger Femtosekunden statt. „Erst seit der Erfindung der Ultrakurzzeitlaser ist es möglich, diese extrem schnellen und dabei elementaren Schritte überhaupt zu beobachten“, erläutert Prof. Walla. Seine Arbeitsgruppe verfügt über mehrere Ultrakurzzeitlaser, die Lichtblitze von nur wenigen Femtosekunden Dauer erzeugen, um mit ihnen dann die ultraschnellen Prozesse in der Fotosynthese abtasten zu können. Durch eine spezielle Modifikation der Ultrakurzzeitlaser ist es ihr gelungen, in lebenden Pflanzen während dieser Regulation direkt nachzuweisen, wie die grün-orangefarbene Gemeinschaftsaktion funktioniert.

Nutzen für Fotovoltaik und Pflanzenzüchtung

„Wir erhalten damit Erkenntnisse, die zum Beispiel für die Züchtung von Nutzpflanzen wichtig sein können, die auch unter extremen Klimabedingungen wie in Ländern der Dritten Welt ertragreich sind“, so Walla. Ein mittelfristiges Ziel unserer Forschung sei die Entwicklung künstlicher Fotosynthese- und neuartiger Fotovoltaik-Systeme zum Beispiel mit speziellen Nanopartikeln. Erste Modellsysteme, deren Effizienz ähnlich wie in der Natur von der Schnelligkeit der Energieumwandlungsprozesse abhängt, werden bereits an der TU Braunschweig entwickelt und mit den Ultrakurzzeitlasern untersucht.

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