Lichtsensor im Herbstlaub entdeckt

Bild: Nicu Buculei [CC BY-SA 2.0] / flickr

Warum werden im Herbst die Blätter bunt? Der Antwort auf diese einfache Frage sind Wissenschaftler aus den USA und Österreich nun einen großen Schritt näher gerückt, wie sie gestern im Fachmagazin Angewandte Chemie berichteten. Die Chemiker untersuchten die gelben Abbauprodukte des grünen Blatt-Farbstoffs Chlorophyll und entdeckten dabei einen biochemischen Lichtsensor.

Herbstlaub ist lichtempfindlich

Mit Hilfe der Röntgenstrukturanalyse erhielten die Forscher ein exaktes räumliches Bild des gelben Farbstoffs aus dem Herbslaub, der Phylloxanthobilin heißt. Dieses Bild half dem Team, Datensätze aus verschiedenen Spektroskopie-Arten besser zu interpretieren. Die Chemiker entdeckten dabei, dass der gelbe Farbstoff durch Licht seine Struktur ändert. Etwas ähnliches geschieht auch beim Vorgang des Sehens: In unserer Netzhaut befindet sich die Substanz Retinal, die durch Licht ihre Form ändert und dadurch einen elektrochemischen Reiz auslöst. Ganz ähnlich „verbiegen“ sich auch die gelben Farbmoleküle aus dem Herbstlaub wenn sie mit Licht bestrahlt werden.

"Z"- oder "E"-Zustand: Lichteinstrahlung schaltet zwischen beiden Formen des gelben Farbstoffs hin und her. Bild: Li et al., Angewandte Chemie International Edition, 2016
„Z“- oder „E“-Zustand: Lichteinstrahlung schaltet zwischen beiden Formen des gelben Farbstoffs hin und her. Bild: Li et al., Angewandte Chemie International Edition, 2016

Darüber hinaus entdeckten die Forscher um Prof. Bernhard Kräutler von der Universität Innsbruck, dass das Phylloxanthobilin noch eine andere Schalterfunktion hat: Abhängig von der molekularen Umgebung können sich zwei Moleküle zu einem verbinden, wenn Licht auf sie fällt. Leichtes Erwärmen auf 30 °C spaltet das Doppelmolekül wieder in die beiden einzelnen gelben Farbstoffe auf.

Doppelform: In unpolaren Umgebungen, besipielsweise in Zellwänden, kann Licht zwei Moleküle Phylloxanthobilin zu einem fusionieren. Leichtes Erwärmen trennt das "Doppelpack" wieder auf. Bild: Li et al., Angewandte Chemie International Edition, 2016
Doppelform: In unpolaren Umgebungen, besipielsweise in Zellwänden, kann Licht zwei Moleküle Phylloxanthobilin zu einem einzelnen fusionieren. Leichtes Erwärmen trennt das „Doppelpack“ wieder auf. Bild: Li et al., Angewandte Chemie International Edition, 2016

Ein Schalter: Aber wofür?

Damit fungiert das gelbe Abbauprodukt des Blattgrüns auf zwei verschiedene Arten als Schalter und kann – je nach Licht und Umgebung des Moleküls – in jeweils einem von ingesamt vier möglichen Zuständen sein. Phylloxanthobiline  sind also hervorragend geeignet um biochemische Funktionen zu erfüllen. Die große Frage ist nun: Welche? Die Antwort darauf ist nach wie vor ungeklärt. Selbst die Frage, was mit der grünen Farbe der Blätter eigentlich passiert wenn der Herbst beginnt, konnte erst vor etwa 30 Jahren überhaupt beantwortet werden.

Die verschiedenen Farbstoffe des Laubs sind natürlich schon deutlich länger bekannt. Im Jahr 1903 gelang des dem russischen Botaniker Michail Zwet, die verschiedenen Komponenten des Blattgrüns erstmals zu isolieren. Dabei erfand er die Chromatographie, die heute zu den meistgenutzten Analysemethoden in chemischen Labor zählt. Das Prinzip ist so einfach und effektiv, dass man es auch selbst zuhause durchführen kann.

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