Grundsätze der Biologie

Wie kann Licht zur Herstellung von Nahrung genutzt werden? Es ist einfach, an Licht als etwas zu denken, das existiert und lebenden Organismen, wie dem Menschen, das Sehen ermöglicht, aber Licht ist eine Form von Energie. Wie alle Energie kann sich Licht fortbewegen, seine Form verändern und zur Verrichtung von Arbeit genutzt werden. Im Fall der Photosynthese wird Lichtenergie in chemische Energie umgewandelt, die autotrophe Organismen zum Aufbau von Kohlenhydratmolekülen verwenden. Autotrophe nutzen jedoch nur eine bestimmte Komponente des Sonnenlichts (Abbildung 1).

Die Sonne sendet eine enorme Menge an elektromagnetischer Strahlung (Sonnenenergie) aus. Der Mensch kann nur einen Bruchteil dieser Energie sehen, der als „sichtbares Licht“ bezeichnet wird. Die Art und Weise, wie sich die Sonnenenergie ausbreitet, lässt sich als Wellen beschreiben und messen. Wissenschaftler können die Energiemenge einer Welle bestimmen, indem sie ihre Wellenlänge messen, den Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden, ähnlichen Punkten in einer Reihe von Wellen, z. B. von Wellenberg zu Wellenberg oder von Wellental zu Wellental (Abbildung 2).

Das sichtbare Licht ist nur eine von vielen Arten der elektromagnetischen Strahlung, die von der Sonne ausgeht. Das elektromagnetische Spektrum ist der Bereich aller möglichen Wellenlängen der Strahlung (Abbildung 3). Jede Wellenlänge entspricht einer anderen Energiemenge.

Jede Art von elektromagnetischer Strahlung hat einen charakteristischen Bereich von Wellenlängen. Je länger die Wellenlänge ist (oder je gestreckter sie erscheint), desto weniger Energie wird übertragen. Kurze, enge Wellen tragen die meiste Energie. Das mag unlogisch erscheinen, aber stellen Sie sich das wie ein Stück bewegtes Seil vor. Um ein Seil in langen, breiten Wellen zu bewegen, bedarf es wenig Anstrengung durch eine Person. Um ein Seil in kurzen, engen Wellen zu bewegen, müsste eine Person deutlich mehr Energie aufwenden.

Die Sonne sendet ein breites Spektrum an elektromagnetischer Strahlung aus, einschließlich Röntgen- und ultravioletter (UV) Strahlung (Abbildung 3) . Die energiereicheren Wellen sind für Lebewesen gefährlich; Röntgen- und UV-Strahlen können zum Beispiel für den Menschen schädlich sein.

Absorption von Licht

Lichtenergie gelangt in den Prozess der Photosynthese, wenn Pigmente das Licht absorbieren. Bei Pflanzen absorbieren die Pigmentmoleküle für die Photosynthese nur sichtbares Licht. Das sichtbare Licht, das der Mensch als weißes Licht wahrnimmt, besteht in Wirklichkeit aus einem Regenbogen von Farben. Bestimmte Objekte, wie z. B. ein Prisma oder ein Wassertropfen, streuen das weiße Licht, um diese Farben für das menschliche Auge sichtbar zu machen. Der sichtbare Lichtanteil des elektromagnetischen Spektrums wird vom menschlichen Auge als ein Regenbogen von Farben wahrgenommen, wobei Violett und Blau kürzere Wellenlängen haben und daher eine höhere Energie. Am anderen Ende des Spektrums, bei Rot, sind die Wellenlängen länger und haben eine geringere Energie.

Die Wellenlängen des Lichts, die von einem Objekt reflektiert werden und abprallen, werden von unseren Augen erkannt. Die Wellenlängen des Lichts, die von einem Objekt absorbiert werden, schaffen es nicht bis zu unseren Augen. Das bedeutet, dass die Farbe, die ein Objekt erscheint, auf die Wellenlängen zurückzuführen ist, die reflektiert werden, und nicht auf die Wellenlängen, die absorbiert werden. Zum Beispiel erscheint der Apfel in Abbildung 4 rot (vorausgesetzt, Sie sind nicht farbenblind). Das liegt daran, dass die roten Wellenlängen des Lichts vom Apfel reflektiert werden und die anderen Wellenlängen (gelb, grün, blau, violett) vom Apfel absorbiert werden.

Understanding Pigments

Es gibt verschiedene Arten von Pigmenten, und jedes absorbiert nur bestimmte Wellenlängen (Farben) des sichtbaren Lichts. Pigmente reflektieren die Farbe der Wellenlängen, die sie nicht absorbieren können. Alle photosynthetischen Organismen enthalten ein Pigment namens Chlorophyll a, das Menschen als die übliche grüne Farbe sehen, die mit Pflanzen assoziiert wird. Chlorophyll a absorbiert Wellenlängen von beiden Enden des sichtbaren Spektrums (blau und rot), aber nicht von grün. Weil Grün reflektiert wird, erscheint Chlorophyll grün.

Andere Pigmenttypen sind Chlorophyll b (das blaues und rot-oranges Licht absorbiert) und die Carotinoide. Jeder Pigmenttyp kann durch das spezifische Muster der Wellenlängen identifiziert werden, die er vom sichtbaren Licht absorbiert, was sein Absorptionsspektrum ist.

Viele photosynthetische Organismen haben eine Mischung von Pigmenten; zwischen ihnen kann der Organismus Energie aus einem breiteren Bereich von Wellenlängen des sichtbaren Lichts absorbieren. Nicht alle photosynthetischen Organismen haben vollen Zugang zum Sonnenlicht. Einige Organismen wachsen unter Wasser, wo die Lichtintensität mit der Tiefe abnimmt und bestimmte Wellenlängen durch das Wasser absorbiert werden. Andere Organismen wachsen im Wettbewerb um Licht. Pflanzen auf dem Boden des Regenwaldes müssen in der Lage sein, jedes bisschen Licht zu absorbieren, das durchkommt, weil die größeren Bäume das meiste Sonnenlicht blockieren (Abbildung 5).