Diese blaublättrige Pflanze hat keine Angst vor der Dunkelheit

Früchte und Blumen sind in einer Vielzahl von Farben erhältlich, die Pflanzen dabei helfen können, nützliche Tiere wie Bestäuber anzulocken. Die Blätter sind normalerweise grün, da dies die Farbe von Chlorophyll ist, die die Pigmentpflanzen für die Photosynthese verwenden.

Photosynthesizer müssen jedoch nicht unbedingt grün sein. Viele Pflanzen haben rötliches Laub, zum Beispiel aufgrund des Vorhandenseins anderer Pigmente neben Chlorophyll, wie Carotinoiden oder Anthocyanen. Und bevor die Erde eine Sauerstoffatmosphäre hatte, hat der Planet möglicherweise sogar eine "lila Phase" durchlaufen, angeführt von violett gefärbten Mikroben, die ein anderes lichtempfindliches Molekül - Netzhaut - anstelle von Chlorophyll verwendeten.

Und jetzt lernen wir dank eines Teams von Photonikforschern und Biologen eine weitere merkwürdige Wendung der Photosynthese kennen: hellblaue Begonien.

In Blau verwickelt

Im Gegensatz zu den lila Mikroben sind die blauen Blätter dieser Begonien ebenso wie die grüne Vegetation auf Chlorophyll angewiesen. Im Gegensatz zu vielen rotblättrigen Pflanzen erhalten sie ihre Farbe jedoch auch nicht durch zusätzliche Pigmente. Laut einer neuen Studie, die in der Zeitschrift Nature Plants veröffentlicht wurde, stammt ihr Saphirlaub von etwas noch Seltsamerem: nanoskaligen Kristallen, die ihnen helfen, in der Dunkelheit eines Regenwald-Unterwuchses zu überleben.

Begonien sind beliebte Zimmerpflanzen, auch weil sie in Innenräumen ohne direkte Sonneneinstrahlung überleben können. Diese Fähigkeit entwickelte sich unter wilden Begonien auf tropischen und subtropischen Waldböden, wo nur Sonnenstrahlen durch den Baldachin rinnen. Damit die Photosynthese dort funktioniert, müssen Chloroplasten - die Zellstrukturen, die Chlorophyll enthalten - das Beste aus dem wenig Licht herausholen, das sie erhalten.

Mehr als 1.500 Begonienarten sind der Wissenschaft bekannt, darunter einige, die Menschen lange Zeit mit einem bläulichen Schimmer auf ihren Blättern geblendet haben. Wie die neue Studie erklärt, war der biologische Zweck dieser blauen Blätter jedoch unklar, was Wissenschaftler dazu veranlasste, sich zu fragen, ob sie Raubtiere abschrecken oder Pflanzen vor zu viel Licht schützen.

Dieses Rätsel blieb bestehen, bis Forscher der britischen Universität Bristol und der Universität Essex etwas über die Pfauenbegonie ( Begonia pavonina ) bemerkten, eine Art, die in Bergwäldern in Malaysia heimisch ist. Es ist bekannt für hellgrüne Blätter, die manchmal in bestimmten Lichtwinkeln schillernd blau schimmern. Dennoch bleibt es grün, wenn es in hellem Licht wächst, und wird nur in relativer Dunkelheit blau.

Der dunkle Kristall

Der blaue Morpho-Schmetterling verdankt seine schillernden Flügel photonischen Kristallen. (Foto: caspar s / Flickr)

Normalerweise enthalten Chloroplasten abgeflachte, membrangebundene Säcke, sogenannte Thylakoide, die lose in Stapeln organisiert sind. In diesen Stapeln findet die Photosynthese sowohl in grünen Pflanzen als auch in blauen Begonien statt. In letzterem sind Thylakoide jedoch genauer angeordnet - so genau bilden sie tatsächlich photonische Kristalle, eine Art Nanostruktur, die die Bewegung von Photonen beeinflusst.

"Unter dem Mikroskop reflektierten einzelne Chloroplasten in diesen Blättern blaues Licht hell, fast wie ein Spiegel", sagt der leitende Autor Matthew Jacobs, Ph.D. Biologiestudent an der Universität von Bristol in einer Erklärung über die Entdeckung.

"Bei genauerer Betrachtung mit einer als Elektronenmikroskopie bekannten Technik haben wir einen bemerkenswerten Unterschied zwischen den 'blauen' Chloroplasten in den Begonien, die aufgrund ihrer leuchtend blau schillernden Färbung auch als 'Iridoplasten' bekannt sind, und denen in anderen Pflanzen festgestellt Die innere Struktur hatte sich in extrem gleichmäßigen Schichten mit einer Dicke von nur wenigen 100 Nanometern oder einem 1000stel der Breite von menschlichem Haar angeordnet. "

Diese Schichten sind klein genug, um blaue Lichtwellen zu stören, und da die Begonienblätter blau sind, wussten Jacobs und seine Kollegen, dass es einen Zusammenhang geben muss. Deshalb haben sie sich mit Photonikforschern an der Universität von Bristol zusammengetan, die erkannten, dass die natürlichen Strukturen wie künstliche photonische Kristalle aussehen, die in winzigen Lasern und anderen Geräten verwendet werden, die den Lichtfluss steuern.

Mit den gleichen Techniken, mit denen diese künstlichen Kristalle gemessen wurden, begannen die Forscher, die Version der Pfauenbegonie zu beleuchten. Seine Iridoplasten reflektieren alles blaue Licht und lassen sie ohne Pigment blau erscheinen, ähnlich wie schillernde blaue Tiere wie der blaue Morpho-Schmetterling. Sie absorbieren auch mehr grünes Licht als Standard-Chloroplasten, wie die Studie ergab, und geben einen Hinweis darauf, warum Begonien blau werden.

Vorbild

Dichte Regenwalddächer zwingen kürzere Pflanzen dazu, das magere Sonnenlicht optimal zu nutzen. (Foto: THPStock / Shutterstock)

Grüne Pflanzen sehen grün aus, weil sie hauptsächlich andere Wellenlängen des Lichts absorbieren und Grün für unsere Augen reflektieren - und zwar durch Lücken im Baldachin. Während eine Baumdecke viel blaues Licht frisst, ist Grün auf Waldböden weniger selten. Und da Iridoplasten grünes Licht konzentrieren, können sie Begonien helfen, im tiefen Schatten zu leben, indem sie verfügbares Licht effizienter nutzen. Als die Forscher die Photosyntheseraten unter dunklen Bedingungen maßen, stellten sie fest, dass blaue Begonien 5 bis 10 Prozent mehr Energie als normale Chloroplasten in grünen Pflanzen ernten.

Das ist kein großer Unterschied, aber in hartnäckigen Regenwäldern könnte es Begonien den nötigen Schub geben. Und mehr über ihr Laub zu erfahren, könnte auch der Menschheit zugute kommen, fügt die Pressemitteilung von Bristol hinzu und liefert Blaupausen, die wir "in anderen Pflanzen zur Verbesserung der Ernteerträge oder in künstlichen Geräten zur Herstellung besserer Elektronik" verwenden könnten.

Weitere Forschung wird erforderlich sein, um potenzielle Vorteile wie diese zu untersuchen, sagen die Autoren der Studie, und um aufzudecken, wie selten dieses Phänomen wirklich ist. Die Studie ergab, dass Pfauenbegonien eine Mischung aus Iridoplasten und normalen Chloroplasten enthalten, was darauf hindeutet, dass die blauen Strukturen "fast wie ein Backup-Generator funktionieren", sagt die Co-Autorin und Bristol-Biologin Heather Whitney gegenüber Popular Mechanics. Pflanzen können herkömmliche Chloroplasten verwenden, wenn genügend Licht vorhanden ist, und dann umschalten, wenn die Lichtverhältnisse zu niedrig sind.

"Es ist einfach wunderbar und logisch zu glauben, dass eine Pflanze die Fähigkeit entwickelt hat, die Beleuchtung um sie herum auf verschiedene Arten physisch zu manipulieren", sagt sie.

Auch wenn dies weit verbreitet ist, wird ein wichtiger Punkt in Bezug auf Menschen und Pflanzen hervorgehoben. Das Pflanzenreich ist voll von erstaunlichen Anpassungen, die dem Menschen helfen können, von lebensrettenden Medikamenten bis hin zu leicht biegenden Kristallen. Sie wachsen jedoch tendenziell in Wäldern - Ökosystemen, die weltweit einem zunehmenden Druck durch Holzeinschlag und Landwirtschaft ausgesetzt sind.

Blaue Begonien mögen sicher sein, aber sie sind nur ein Hinweis auf die Schätze, die in den Überresten der alten Wälder der Erde verborgen sind. Wie Whitney der Washington Post mitteilt, treibt das Leben in einem wettbewerbsorientierten Ökosystem Pflanzen dazu, sich zu entwickeln oder zu sterben. "Sie haben wahrscheinlich eine Menge Tricks, von denen wir noch nichts wissen", sagt sie, "weil sie so überleben."

(Peacock Begonia Fotos mit freundlicher Genehmigung von Matthew Jacobs / University of Bristol)

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