Einleitung

Die Sonne ist die wichtigste Energiequelle für den Aufbau der Biomasse und der Lebensprozesse in unserem Universum. Die Energie der Sonne wird in Form von elektromagnetischer Strahlung in den Weltraum abgegeben und trifft in verschiedenen Wellenlängen auf die Erde auf. Das menschliche Auge kann in der Regel Licht im Wellenlängenbereich von 380-780 Nanometer (nm) wahrnehmen. Wie das menschliche Auge eine Lichtwahrnehmung und Empfindlichkeit hat, so haben auch die Pflanzen ihre spezielle Empfindlichkeitskurve für die Photosynthese. Pflanzen absorbieren den Teil des Lichts im Wellenlängenbereich von 400-700 nm. Die Photosynthese aktivierende Strahlung wird abgekürzt als "PAR" (photosynthetically active radiation) bezeichnet.

Das Pflanzenwachstum wird durch drei lichtbedürftige Prozesse gesteuert:

► Photosynthese (Stoffwechsel)
► Photomorphogenese (Formentwicklung)
► Photoperiodismus (Tageslängenreaktion)

Photosynthese

Der wichtigste dieser Prozesse ist die Photosynthese: die Grundlage für das Pflanzenwachstum und die Entwicklung. Einfacher gesagt, es ist der Prozess, den Pflanzen verwenden, um die Energie aus dem Sonnenlicht zu sammeln. Die Pflanzen speichern die gesammelte Energie als Kohlenhydrate ab, so dass die Sonneneinwirkung im Grunde als Nahrung für die Pflanze dient. Das Licht wird mit Hilfe des Pigments Chlorophyll absorbiert.

Die zwei wichtigsten Arten von Chlorophyll sind Chlorophyll A und Chlorophyll B. Neben diesen beiden Pigmenten gibt es noch weitere Hilfspigmente, wie z. B. die Carotinoide. Wie in Abb. 1 zu sehen ist, verwendet Chlorophyll A Licht im Bereich der blauen und roten Strahlung, mit Absorptionsspitzen bei etwa 430 nm und 662 nm. Grüne und dunkelrote Strahlen werden dagegen kaum oder gar nicht absorbiert. Chlorophyll B verwendet einen ähnlichen Bereich, mit Absorptionsspitzen bei etwa 453 nm und 642 nm. Hilfspigmente, hier am Beta-Carotin dargestellt, verwenden kleinere Abschnitte vom Lichtspektrum mit einem Absorptionsspektrum zwischen 400-500 nm.

Für die Umsetzung von CO² in Kohlenhydrate ist Chlorophyll A das wichtigste Pigment. Die Hilfspigmente geben die aufgnommene Energie an das Chlorophyll A weiter, d.h. sie verbreitern nur das Aktionsspektrum. Das Aktionsspektrum ist die Empfindlichkeitskurve der Pflanze auf das Licht für die Photosynthese. Um genauere Aussagen über die Lichtabsorption verschiedener Pigmente machen zu können, messen Wissenschaftler in einem aufwändigen Verfahren mit Hilfe eines Spektralphotometers für jede Wellenlänge die Absorptionsrate. Das Ergebnis solcher Untersuchungen über die Aktivität aller Pigmente und Hilfspigmente wird in dem Aktionsspektrum (Abb. 2) graphisch dargestellt.

Abb. 1: Absorptionsspektrum von Chlorophyll A, B und Beta-Carotin

Abb. 2: Wirkungsspektrum (Aktionsspektrum)

Vergleicht man das Aktionsspektrum (Abb. 2) mit dem entsprechenden Absorptionsspektrum von Chlorophyll A und Chlorophyll B (Abb. 1), stellt man fest, dass Sie nicht übereinstimmen. Das Absorptionsspektrum zeigt auf, dass die Photosynthese in erster Linie von blauen und roten Wellenlängen (und am wenigsten durch grünes Licht) angetrieben wird. Das photosynthetische Wirkungsspektrum sagt jedoch aus, in welchem Lichtbereich und zu welchen Intensitäten der Durchschnitt aller Chlorophylle am stärksten absorbiert wird. Vielfach wird die Kurve des Absorptionsspektrums falsch interpretiert, um das optimale Lichtspektrum zu bestimmen. Es wird fälschlicherweise davon ausgegangen, dass in erster Linie nur rotes und blaues Licht verwendet werden muss. Das ist nicht ganz richtig, weil ein breiteres Lichtspektrum sehr viel effektiver ist als eine schmalbandiges Lichtspektrum (z.B. nur blau und rot). Insbesondere in der Pflanzenzucht ohne Tageslicht, würden dann einzelne Farben mit sehr hohen Intensitäten emittiert werden. Dies hat zur Folge, dass bei einer Pflanze eine Lichtsättigung stattfindet und nur ein kleiner Teil dieses Lichts würde verarbeitet werden. In einem Gewächshaus sind blau und rot jedoch eine gute Ergänzung zu dem breiten Sonnenlichtspektrum.

Photomorphogenese

Photomorphogenese ist der Einfluss des Licht auf die Formgebung der Pflanzen. Ein grosser Anteil von Licht im blauen Spektralbereich führt zu gedrungenem, buschigen Wachstum der Pflanzen, während eine hohe Konzentration im roten Bereich zu gestreckten Pflanzen mit wenig Seitentrieben führt.

Photoperiodismus

Photoperiodismus bezeichnet das Phänomen, dass Pflanzen auf unterschiedliche Weise auf die Länge der Licht- und Dunkelperioden reagieren. Einige Pflanzen blühen nur, wenn die Dauer der täglichen Belichtung unter einem kritischen Wert liegt (Kurztag-Pflanzen); andere dagegen blühen nur, wenn das tägliche Licht über diesem kritischen Wert liegt (Langtag-Pflanze).

Der Prozess des Photoperiodismus wird auch durch die Wellenlänge des Lichts beeinflusst. Wird die Pflanze mit rotem Licht beleuchtet, wird eine phytochrome Reaktion ausgelöst, die das Pr (phytochrome red) in die aktive Form umwandeln. Die Pflanze erwacht und die photosynthetischen Prozesse nehmen die Arbeit auf. Licht im Infrarotbereich bringt eine phytochrome Reaktion hervor, die das Pfr (phytochrome far red) in den inaktiven Zustand versetzt. Die Pflanze geht sozusagen in den Schlaf und die Blüteproduktion wird in der Dunkelperiode weiter vorangetrieben.

Das photosynthetische Wirkspektrum

Bestimmte Wellenlängen und Farben sind von entscheidender Bedeutung für die Photosynthese und bestimmte andere unterdrücken diese. Die richtige Zusammensetzung der Wellenlängen der Beleuchtung ist für ein gesundes und natürliches Pflanzenwachstum unerlässlich. Die meisten Pflanzen haben die höchste Photosyntheserate im blau-violetten, orangen, roten sowie in einem Minimum im grünen Lichtspektrum.

UV-Licht

Das für den Menschen unsichtbare UV-Licht wird in drei Teilbereiche unterteilt: UV-A, UV-B und UV-C.

UV-A ist im Wellenlängenbereich von 315-400 nm und wird grösstenteils durch die Atmosphäre durchgelassen und trifft auf die Erde auf. UV-A war für die Wissenschaft lange Zeit kein bedeutender Schlüssel für die Photosynthese¹. Neueste Studien haben jedoch gezeigt, dass UV-A Strahlung signifikante positive Effekte auf das Wachstum und die Blüte von Pflanzen hat^2,3. Dies zeigt auf, dass auch Strahlen ausserhalb des PAR Spektrums Einfluss auf die grundlegende Photosynthese haben.

Mit dem Begriff UV-Licht wird häufig das UV-B assoziiert. UV-B liegt in dem Wellenlängenbereich zwischen 290-315 nm und wird gewöhnlich von der Ozonschicht (dort wo sie ausreichend dick ist) gefiltert. UV-Licht verursacht grundsätzlich Probleme bei Menschen, so wie auch bei den Pflanzen. Zu viel UV-B Licht kann den Prozess der Photosynthese verlangsamen⁴, und wichtige Nukleinsäuren werden geschädigt.⁵ PAR Licht und UV-A treiben die Chloroplastenproduktion (u.a. Beta-Carotin) an, stärken das Abwehrsystem gegen Stress und Krankheiten, und bieten einen gewissen Schutz gegen UV-B Strahlen. Eine dauerhafte Bestrahlung mit UV-B ist jedoch in jedem Falle zu meiden.⁶

Bei bestimmten Pflanzenarten kann etwas UV-B (3-4 Stunden pro Tag) während der Blütephase die Produktion von potenteren Blüten anregen.⁷ Durch die Zellschädigung versucht die Pflanze durch eine beispielsweise vermehrte Harzbildung, ausgesetzte Zellen zu schützen.

UV-C ist am weitesten vom sichtbaren Licht entfernt und liegt bei 200-290 nm. Nur sehr geringe UV-C Strahlung dringt durch die Atmosphäre, so dass es in der Wissenschaft nicht als wichtig für Bioorganismen erachtet wird.

Blau-Violett und Blau

Der blau-violette und blaue Bereich des Lichts erstreckt sich von ca. 400-520 nm. Wellenlängen im blauen Bereich sind elementare Antreiber in der Photosynthese.⁸ Je mehr Lichtanteile aus dem blau-violetten und blauen Spektrum, desto grösser werden die Blätter. Blaue Wellenlängen tragen eine entscheidende Rolle bei der Entwicklung der Chloroplasten.⁴ Chloroplasten sind die Teile der Blattzellen, die das Chlorophyll enthalten und die Photosynthese durchführen.

Blaues Licht hat eine Vielzahl von wichtigen Rollen in der Photomorphogenese der Pflanzen, einschliesslich der Regulierung der Stomata⁹, des Wasserhaushalts und CO²-Austausches, der natürlichen Formentwicklung¹⁰ sowie der Steuerung des Phototropismus¹¹ (Lichtempfindlichkeit).

Grün

Der mittlere Bereich des Spektrums erstreckt sich von Grün bei 520 nm und läuft in gelb bis ungefähr 600nm. Bis vor kurzer Zeit wurde von der Wissenschaft angenommen, dass Grün und Gelb von der Mehrheit der Pflanzen nur wenig oder gar nicht absorbiert werden. Insbesondere das grüne Licht wird von den Blättern reflektiert und dies sei der Grund warum Chlorophyll ein grünes Erscheinungsbild hat, welches wiederum den Blättern die grüne Farbe gibt. Es wurde völlig ignoriert, dass Carotinoide und andere Hilfspigmente die Wellenlängen in der Mitte des Spektrums absolvieren und damit einen enormen Beitrag zur Photosynthese leisten. Jüngste Studien haben gezeigt, dass die Pflanzen die Mehrheit der Wellenlängen im grünen Bereich absorbieren.¹²

Rot und Infrarot

Rotes Licht ist die effektivste Art für die Photosynthese^4,7. Infrarotes Licht wird meist von der Pflanze verwendet um Konkurrenzpflanzen anhand der Schattenbildung zu erkennen.¹³

Der Rote Bereich erstreckt sich von 600-730 nm, Infrarot fängt im Nah-Infraotbereich bei 730 nm und endet bei ca. 1.400 nm. Rotlicht und Infrarot beeinflussen die Phytochromwandlungen zwischen den aktiven und inaktiven Formen (Pr und Pfr). Für eine optimale Photosynthese muss sowohl Rot als auch Infrarot für die Pflanze verfügbar sein.⁷

Im Übrigen decken sich die Effekte des Rotlichtes auf die Photosynthese und andere Kernelemente des Pflanzenwachstums mit denen des blauen Lichtspektrums.⁸

Quellen:

¹ Caldwell M. (1971): Solar ultraviolet radiation and the growth and development of higher plants. In: Photophysiology. Academic Press, New York.

² Yao X., Liu Q. (2006): Changes in morphological, photosynthetic and physiological responses of Mono Maple seedlings to enhanced UV-B and to nitrogen addition.

³ Barta C., Kalai T., Hideg K., Vass I., and Hideg E. (2004). Differences in the ROS-generating efficacy of various ultraviolet wavelengths in detached spinach leaves.