Pflanzen sind überall um uns herum. Es ist leicht, sich an ihre Anwesenheit zu gewöhnen. Aber stellen Sie sich eine Welt ohne üppige grüne Gräser und Bäume vor – einen Planeten, der von Wüste bedeckt ist. Könnten wir überleben? Pflanzen sind ein wesentlicher Bestandteil unserer Umwelt und liefern die Nahrung, den Sauerstoff und die Fasern, auf die wir zum Überleben angewiesen sind. Und ihre Fähigkeit, Photosynthese zu betreiben, ist eines der erstaunlichsten und wesentlichsten Phänomene der Natur.

Das weiß Alessia Para Gallio, Forschungsassistentin am Northwestern und am Chicago Botanic Garden, nur zu gut. Sie absolvierte ihren Master in Biologie an der Universität Pavia, Italien, und promovierte in Physiologischer Botanik an der Universität Uppsala, Schweden, mit einer Arbeit über die Pflanzenentwicklung. Zu ihren aktuellen Forschungsinteressen gehören die zirkadiane Uhr und die Mineralienernährung in Pflanzen.

Wissenschaft in der Gesellschaft sprach mit Para Gallio über die Bedeutung der Photosynthese und die Rolle, die sie in ihrer Forschung spielt.

Was ist Photosynthese überhaupt?

Photosynthese ist der Prozess, bei dem Lichtenergie von der Sonne absorbiert und in organische Verbindungen umgewandelt wird. Organische Verbindungen sind im Grunde verschiedene Formen von Zucker. Sie werden verstoffwechselt und dann wird aus ihnen Energie extrahiert. Und diese Energieformen können dann von biologischen Systemen wie uns und Tieren im Allgemeinen genutzt werden.

Was passiert, wenn Pigmente das Sonnenlicht absorbieren?

Pigmente sind spezielle Moleküle, die daran beteiligt sind, Licht von der Sonne zu ernten. Wenn man ein Pigment mit Licht bestrahlt, kann die Absorption von Photonen Elektronen mit Energie versorgen und sie dazu bringen, von einem niedrigen in einen höheren Energiezustand zu wechseln. Um in den niederenergetischen Zustand zurückzukehren, wird die Energie schnell als Wärme, Licht oder Phosphoreszenz abgegeben, oder sie kann, bei photosynthetischen Pigmenten, auf ein anderes Pigmentmolekül wie Chlorophyll übertragen werden.

Welche Rolle spielt Chlorophyll?

Chlorophyll ist wahrscheinlich das wichtigste lichtabsorbierende Pigment, nicht nur in Pflanzen, sondern auch in Algen und Bakterien. Wenn Chlorophyll angeregt wird, gibt es ein Elektron an einen Elektronenakzeptor ab, wodurch eine Elektronentransportkette in Gang gesetzt wird. Das bedeutet, dass Elektronen vom Donor (Reduktionsmittel) auf den Akzeptor (Oxidationsmittel) übertragen werden, der ein etwas niedrigeres Energieniveau hat.

Während des Elektronentransfers werden Protonen (d.h. Wasserstoffionen) durch die Membran der Chloroplasten gepumpt, den spezialisierten Organellen, in denen die Photosynthese stattfindet. Die Chloroplasten arbeiten also wie kleine Batterien, mit einem unterschiedlichen Potential auf jeder Seite, und dieser Unterschied wird zur Energiegewinnung genutzt.

Warum ist die Photosynthese wichtig? Was würde passieren, wenn wir sie nicht hätten?

Pflanzen, Algen und Bakterien sind die einzigen Organismen, die Sonnenlicht einfangen und die Energie nutzen können, um CO2 (Kohlendioxid) in organisches Material umzuwandeln. Kohlendioxid ist einer der größten Luftschadstoffe, daher halten photosynthetische Organismen die Luft tatsächlich sauber. Dabei produzieren sie Sauerstoff, der einen bedeutenden Teil der Luft ausmacht, die wir atmen. Weniger Pflanzen bedeuten also weniger Recycling von Kohlendioxid und weniger Sauerstoffproduktion. Pflanzen geben uns auch Nahrung und Fasern zur Herstellung von Kleidung, und ohne Photosynthese wären wir nicht in der Lage, das Leben zu erhalten, das wir führen.

Welche Rolle spielt die Photosynthese in Ihrer Forschung?

Ich interessiere mich für zwei Hauptthemen. Das eine ist die pflanzliche Mineralernährung im Allgemeinen und Stickstoff im Besonderen. Der Stickstoff-Stoffwechsel ist eng mit der Photosynthese verbunden, denn eines der Produkte der Stickstoff-Assimilation, Glutamat, ist die Quelle des Chlorophylls. Und die Zucker, die bei der Photosynthese entstehen, werden zur Herstellung von Glutamat und anderen Aminosäuren verwendet.

Eines der ersten Anzeichen für Stickstoffmangel ist Chlorose, ein Zustand, bei dem sich die Blätter gelb verfärben, weil nicht genug Stickstoff zur Herstellung von Glutamat vorhanden ist. Daher gibt es nicht genug Chlorophyll.

Das andere Thema, an dem ich sehr interessiert bin, ist die zirkadiane Uhr der Pflanzen und die Art und Weise, wie die zirkadiane Uhr viele verschiedene Aspekte der Pflanzenentwicklung und des Stoffwechsels reguliert.

Und einer der Prozesse, der unter sehr enger zirkadianer Regulation steht, ist die Photosynthese. Was die zirkadiane Uhr tut, ist, den Organismus auf das vorzubereiten, was als nächstes kommt. So werden vor der Morgendämmerung alle Gene, die für die Photosynthese benötigt werden, angeschaltet, so dass, sobald es Licht gibt (Sonnenaufgang), der Prozess bereit ist, zu beginnen. Es gibt also keine Verzögerung zwischen dem Sonnenaufgang und dem Zeitpunkt, an dem die Pflanzen bereit sind, das Licht zu nutzen.

Gleichermaßen müssen wir, bevor wir aufwachen, unser Adrenalin hochfahren, den Spiegel einiger Hormone verändern und Zucker in den Kreislauf bringen. Wenn also der Wecker klingelt, sind wir bereit, loszulegen. Und einige Studien legen nahe, dass wir ohne die zirkadiane Uhr jedes Mal, wenn wir aufwachen, einen Herzinfarkt bekommen würden, weil wir nicht darauf vorbereitet wären.

Das ist also der Vorteil, wenn man eine zirkadiane Uhr hat. Man ist bereit für das, was als Nächstes kommt, wenn das, was als Nächstes kommt, jeden Tag passiert.

So, Pflanzen und Menschen haben eine ähnliche zirkadiane Uhr?

Ja, die molekulare Architektur ist anders, aber die Funktion ist die gleiche, nämlich die Anpassung an ein Leben auf einem Planeten, der eine 24-Stunden-Rotationsperiode hat und Zyklen von Licht und Dunkelheit, die sich abwechseln.

Wie beeinflusst das Wetter die Photosynthese?

Die Photosynthese ist sehr empfindlich gegenüber der Lichtintensität. So schaltet sich das System in der Regel zur Mittagszeit oder zum Höhepunkt der heißesten Stunden des Tages ab, weil zu viel Sonnenenergie die biologische Struktur schädigen kann. Es werden also eine Menge Elektronen umhergeschleudert, die dann sehr giftig für biologische Strukturen werden. Sie wollen also sicherstellen, dass sie eine Lichtintensität verwenden, die geeignet ist. Und wenn es einfach zu viel ist, schaltet sich das System ab.

Was passiert im Winter, wenn keine Blätter an den Bäumen sind, mit unserer Sauerstoffversorgung?

Ich glaube nicht, dass wir nur den Sauerstoff atmen, der dort produziert wird, wo wir leben. Der Amazonas zum Beispiel produziert eine Menge Sauerstoff und der gelangt schließlich auch zu uns. Wir sind also nicht nur von den Pflanzen abhängig, die um uns herum sind. Wir sind abhängig von der Menge an Pflanzen auf dem Planeten, auf der Erde.

Haben Wissenschaftler einen Weg gefunden, den Prozess der Photosynthese zu replizieren?

Es war eine Herausforderung für viele Jahre, und viele Labore haben sich dieser Herausforderung gestellt. Aber vor kurzem ist es einer Gruppe am Royal Institute of Technology in Stockholm gelungen, einen Katalysator herzustellen, der in der Lage ist, Sonnenlicht zu nutzen, um Wasser in Sauerstoff aufzuspalten, wie es die Photosynthese tut.

Die Bedeutung dieser Entdeckung bezieht sich nicht nur auf den Sauerstoff. Wenn man Wasser spaltet, entsteht auch Wasserstoff, und das ist wirklich wichtig für die Dringlichkeit, die wir haben, um alternative Quellen für erneuerbare Energie zu finden.

Wenn sie das also richtig hinbekommen, könnten sie damit erneuerbare Energie produzieren?