Warum Pflanzen grün sind
Warum
bleibt bei der Fotosynthese der intensivste Teil des Sonnenspektrums –
die grünen Wellenlängen – so gut wie ungenutzt? Forscher der University
of California glauben, den Grund zu kennen: Die Evolution setze auf
Stabilität, nicht auf Effizienz.
Alles Leben auf der Erde beginnt mit den Lichtquanten der Sonne, die, von den Pigmenten grüner Pflan-zen, Algen und bestimmter Bakterien aufgefangen, zu chemischer Energie umgewandelt und in das Wachs-tum der Pflanze investiert werden. Das ist der Anfang der Nahrungskette, an deren Ende der Mensch zu-sammen mit den Raubtieren in Wasser, Luft und Erde steht.
Offensichtlich ist dieser Prozess der Lichternte bestens an das Leben auf der Erde angepasst: Er funktio-niert in direktem Sonnenlicht, aber auch im schattigen Unterholz eines Waldes und sogar unter Wasser, wo das Lichtspektrum eine andere Zusammensetzung aufweist als ohne die Filterwirkung von Wasser oder Baumkronen. Bei niedriger Lichtintensität erweisen sich die pflanzlichen Lichtsammelkomplexe als äusserst effizient und wandeln sorgsam alle verfügbare Energie um; trotzdem gehen sie bei einem Über-fluss von Licht nicht zugrunde. Diese Robustheit war es, die Nathaniel Gabor, Physiker an der University of California in Riverside, an der Fotosynthese faszinierte.
Gabors Hypothese: Die Evolution habe nicht die Effizienz der Lichternte optimiert, es also gerade nicht darauf abgesehen, ein Maximum von Energie aus dem zur Verfügung stehenden Licht zu extrahieren. Vielmehr sei die Fotosynthese im Lauf der Evolution auf eine möglichst stabile Performance bei ständig wechselnden Umweltbedingungen optimiert worden. Denn, so argumentiert Gabor, wollte man die Menge gesammelter Energie maximieren, dann müssten die Antennenpigmente der Fotosynthese bevorzugt jene Wellenlängen auffangen, die im Lichtspektrum der Sonne am häufigsten auftreten. Das wären die grünen Wellenlängen. Gerade diese werden aber zurückgestreut, deswegen überwiegen in der Pflanzenwelt ja die satten Grüntöne. Stattdessen absorbieren die Chlorophylle bevorzugt blaues und gelbes Licht.
Ein ähnliches Bild zeigt sich bei den photosynthetisch aktiven Bakterien: Obwohl das Spektrum des Son-nenlichts in deren Lebensräumen im schattig-Feuchten oder unter Wasser stark eingeschränkt ist und viel weniger intensives Licht zur Verfügung steht als zum Beispiel auf einer Wiese, absorbieren die Lichtsam-melkomplexe dieser Lebewesen gerade nicht diejenigen Wellenlängen, die in dieser Umgebung am inten-sivsten strahlen.
Gabor entwickelte eine relativ einfache Simulation, um seine Hypothese von der Evolution hin zur Stabi-lität zu überprüfen; die Ergebnisse erscheinen diese Woche im Fachblatt «Science».1 Gabor bildet darin das komplexe Geschehen der Fotosynthese als Netzwerk nach, in welches Energie über mehrere, stark ver-rauschte Input-Kanäle eingespeist wird. Diese simulieren die Antennenpigmente. Die «geerntete» Energie wird in Gabors Modell auf einer Vielzahl von Wegen an einen einzigen Output-Kanal weitergegeben – genau so, wie bei der Fotosynthese die gesammelte Energie in das fotosynthetische Reaktionszentrum geleitet wird.
Tatsächlich vermochten im Modell jene Netzwerke die externen Energie- beziehungsweise Lichtschwan-kungen am besten zu amortisieren, deren Input-Kanäle abseits des Maximus des verfügbaren Lichtspek-trums absorbieren. Die Studienautoren interpretieren dies als starken Hinweis darauf, dass der evolutionär gesehen «fitteste» Prozess der Lichternte in der Tat einer ist, der variierende Umweltbedingungen am besten auszugleichen zu vermag – und nicht jener, der die höchste Effizienz anstrebt.
Das ist auch insofern eine interessante Aussage, als das Problem, trotz schwankenden Umweltbedingungen einen möglichst gleichbleibenden Output zu erzielen, auch viele Bereiche der Technik tangiert. Als ein Beispiel seien hier nur Stromnetze genannt, in die eine Vielzahl Energieversorger einspeist, gleichzeitig aber ein konstanter Output gewährleistet werden muss.
Alles Leben auf der Erde beginnt mit den Lichtquanten der Sonne, die, von den Pigmenten grüner Pflan-zen, Algen und bestimmter Bakterien aufgefangen, zu chemischer Energie umgewandelt und in das Wachs-tum der Pflanze investiert werden. Das ist der Anfang der Nahrungskette, an deren Ende der Mensch zu-sammen mit den Raubtieren in Wasser, Luft und Erde steht.
Offensichtlich ist dieser Prozess der Lichternte bestens an das Leben auf der Erde angepasst: Er funktio-niert in direktem Sonnenlicht, aber auch im schattigen Unterholz eines Waldes und sogar unter Wasser, wo das Lichtspektrum eine andere Zusammensetzung aufweist als ohne die Filterwirkung von Wasser oder Baumkronen. Bei niedriger Lichtintensität erweisen sich die pflanzlichen Lichtsammelkomplexe als äusserst effizient und wandeln sorgsam alle verfügbare Energie um; trotzdem gehen sie bei einem Über-fluss von Licht nicht zugrunde. Diese Robustheit war es, die Nathaniel Gabor, Physiker an der University of California in Riverside, an der Fotosynthese faszinierte.
Gabors Hypothese: Die Evolution habe nicht die Effizienz der Lichternte optimiert, es also gerade nicht darauf abgesehen, ein Maximum von Energie aus dem zur Verfügung stehenden Licht zu extrahieren. Vielmehr sei die Fotosynthese im Lauf der Evolution auf eine möglichst stabile Performance bei ständig wechselnden Umweltbedingungen optimiert worden. Denn, so argumentiert Gabor, wollte man die Menge gesammelter Energie maximieren, dann müssten die Antennenpigmente der Fotosynthese bevorzugt jene Wellenlängen auffangen, die im Lichtspektrum der Sonne am häufigsten auftreten. Das wären die grünen Wellenlängen. Gerade diese werden aber zurückgestreut, deswegen überwiegen in der Pflanzenwelt ja die satten Grüntöne. Stattdessen absorbieren die Chlorophylle bevorzugt blaues und gelbes Licht.
Ein ähnliches Bild zeigt sich bei den photosynthetisch aktiven Bakterien: Obwohl das Spektrum des Son-nenlichts in deren Lebensräumen im schattig-Feuchten oder unter Wasser stark eingeschränkt ist und viel weniger intensives Licht zur Verfügung steht als zum Beispiel auf einer Wiese, absorbieren die Lichtsam-melkomplexe dieser Lebewesen gerade nicht diejenigen Wellenlängen, die in dieser Umgebung am inten-sivsten strahlen.
Gabor entwickelte eine relativ einfache Simulation, um seine Hypothese von der Evolution hin zur Stabi-lität zu überprüfen; die Ergebnisse erscheinen diese Woche im Fachblatt «Science».1 Gabor bildet darin das komplexe Geschehen der Fotosynthese als Netzwerk nach, in welches Energie über mehrere, stark ver-rauschte Input-Kanäle eingespeist wird. Diese simulieren die Antennenpigmente. Die «geerntete» Energie wird in Gabors Modell auf einer Vielzahl von Wegen an einen einzigen Output-Kanal weitergegeben – genau so, wie bei der Fotosynthese die gesammelte Energie in das fotosynthetische Reaktionszentrum geleitet wird.
Tatsächlich vermochten im Modell jene Netzwerke die externen Energie- beziehungsweise Lichtschwan-kungen am besten zu amortisieren, deren Input-Kanäle abseits des Maximus des verfügbaren Lichtspek-trums absorbieren. Die Studienautoren interpretieren dies als starken Hinweis darauf, dass der evolutionär gesehen «fitteste» Prozess der Lichternte in der Tat einer ist, der variierende Umweltbedingungen am besten auszugleichen zu vermag – und nicht jener, der die höchste Effizienz anstrebt.
Das ist auch insofern eine interessante Aussage, als das Problem, trotz schwankenden Umweltbedingungen einen möglichst gleichbleibenden Output zu erzielen, auch viele Bereiche der Technik tangiert. Als ein Beispiel seien hier nur Stromnetze genannt, in die eine Vielzahl Energieversorger einspeist, gleichzeitig aber ein konstanter Output gewährleistet werden muss.
1 Science 368, p. 1490-149.
Nota. - Die Evolution setzt weder auf dies noch auf das und tut auch sonst nichts. 'Die Evolution' ist wie 'die Natur' eine Abstraktion und existiert nur in der Vorstellung. Sie hat sich daher auch an nichts und nie-mand angepasst. Da ist keine Energie, die "von sich aus" in die eine oder andere Richtung drängt. Da exi-stiert 'das Leben', das nichts anderes ist als ein abstrakter Ausdruck für die Gesamtheit aller Prozesse von Stoffwechsel und Arterhaltung, die es geben könnte.
Und wenn es sie gibt, dann jeweils in bestimmten Situationen. Der einen 'Lebensform' ist diese, der ande-ren jene Situation förderlicher. Wenn sie sich in eine Richtung entwickelt, dann liegt das an den Situatio-nen, die sie zufällig, nämlich nicht aus eigenere Willkür, vorfindet.
Die Situationen wechseln; wenn nicht kurzfristig, dann immerhin langfristig. Wechseln sie stark, aber nur kurzfristig, können Extreme einander womöglich ausgleichen, doch wechseln sie zu stark oder zu lange, dann werden am oberen oder unteren Rande die Empfindlichsten absterben. Erhalten bleiben die Formen, die sich im Durchschnitt, nämlich im Mittelfeld bewährt und behauptet haben. Der Forscher, dem es heute mehr als früher auf Publizität ankommt, wird sagen, die Evoluiton habe auf Stabilität statt auf Effizienz (er meint Masse) gesetzt.
JE
Und wenn es sie gibt, dann jeweils in bestimmten Situationen. Der einen 'Lebensform' ist diese, der ande-ren jene Situation förderlicher. Wenn sie sich in eine Richtung entwickelt, dann liegt das an den Situatio-nen, die sie zufällig, nämlich nicht aus eigenere Willkür, vorfindet.
Die Situationen wechseln; wenn nicht kurzfristig, dann immerhin langfristig. Wechseln sie stark, aber nur kurzfristig, können Extreme einander womöglich ausgleichen, doch wechseln sie zu stark oder zu lange, dann werden am oberen oder unteren Rande die Empfindlichsten absterben. Erhalten bleiben die Formen, die sich im Durchschnitt, nämlich im Mittelfeld bewährt und behauptet haben. Der Forscher, dem es heute mehr als früher auf Publizität ankommt, wird sagen, die Evoluiton habe auf Stabilität statt auf Effizienz (er meint Masse) gesetzt.
JE
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