Fünf Jahre hat es gedauert, bis der Abbau des Blattgrüns des Adlerfarns entschlüsselt werden konnte.

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Was für viele Menschen den Herbst so attraktiv macht, ist vor allem seine Farbenpracht. Wenn die einst grünen Blätter in allen Gelb-, Rot- und Braunschattierungen erstrahlen, spricht die Forschung nüchtern von Chlorophyllabbau. Es handelt sich dabei um den Abbau des grünen Blattpigments, das für die Absorption des Sonnenlichts zuständig ist. Aber wohin verschwindet das Grün? Angesichts einer Milliarde Tonnen Chlorophyll, die weltweit pro Jahr gebildet und wieder abgebaut werden, eine durchaus berechtigte Frage. Beantworten konnte sie die Wissenschaft erst Anfang der 1990er.

Damals gelang es einer Forschergruppe um Bernhard Kräutler an der ETH Zürich und später am Institut für Organische Chemie der Universität Innsbruck, die Geheimnisse des Chlorophyllabbaus zu lüften. "In Zusammenarbeit mit Botanikern wurde erstmals aufgeklärt, dass die Abbauprodukte des grünen Farbpigments farblos und damit unsichtbar sind", berichtet Thomas Müller, der maßgeblich an diesen Untersuchungen mitgewirkt hat. "Das erklärt auch, warum man so lange brauchte, den Weg des Grüns zu verfolgen." Inzwischen haben die Wissenschafter der Universität Innsbruck den Chlorophyllabbau bereits bei einer Reihe sich verfärbender Pflanzen untersucht. Zum Teil gemeinsam mit Schülerinnen und Schülern, die im Rahmen zweier vom Wissenschaftsministerium finanzierten "Sparkling Science"-Projekte fleißig beim Sammeln und Analysieren der Pflanzen mithalfen.

Molekulares Fossil

Unter den zusammengetragenen Gewächsen aus den Tiroler Bergen befand sich auch der weitverbreitete Adlerfarn. Auch bei ihm wollten die Forscher den Chlorophyllabbau untersuchen und die Struktur der Abbauprodukte analysieren. "Das war, wie sich bald herausstellte, aber außergewöhnlich schwierig und erforderte ausgeklügelte chemische Tricks", sagt Müller.

Fünf Jahre hat es gedauert, bis die Forscher den chemischen Aufbau des Chlorophyllabbauprodukts dieses Farns entschlüsselt hatten. Aber der Aufwand hat sich gelohnt. "Wir konnten völlig neuartige Abbauprodukte isolieren, die wir von den bisher untersuchten Pflanzen noch nicht kannten." Aber das ist noch nicht alles: "Diese Stoffe bergen entwicklungsgeschichtlich ausgesprochen spannende Informationen, da sie den ersten Beleg für einen erdgeschichtlich sehr frühen Chlorophyllabbau liefern", sagt der Chemiker. Farne haben sich nämlich in ihrer Entwicklung vor rund 350 Millionen Jahren von den anderen gefäßbildenden Pflanzen abgespalten. "Wir haben also per Zufall ein 'molekulares Fossil' entdeckt, das uns indirekt Aufschluss über den Chlorophyllabbau in höheren Pflanzen vor über 350 Millionen Jahren gibt."

Keine Nährstoffe vergeuden

Warum aber wendet eine Pflanze für den Abbau des Chlorophylls überhaupt noch Energie auf, bevor sie ihre Blätter abwirft? Welchen Sinn hat dieser Aufwand kurz vor dem Ende? "Bevor eine Pflanze ihre Blätter abwirft, will sie noch möglichst viele Nährstoffe aus ihnen herausholen", sagt Müller. Dabei kann das Chlorophyll unter bestimmten Bedingungen allerdings zum Zellgift werden. "Bei Lichteinstrahlung nimmt das Blattgrün Energie auf und kann diese auf andere Stoffe übertragen", so der Chemiker. "Dadurch kann das Chlorophyll etwa Sauerstoff unkontrolliert in eine zerstörerisch wirkende, hochreaktive Form umwandeln."

Wenn die Pflanzen im Herbst also verstärkt Nährstoffe aus den Blättern gewinnen wollen, müssen sie das Chlorophyll loswerden. Zu diesem Zweck wandeln sie den farbigen Stoff in einen farblosen um, damit kein Licht mehr absorbiert werden kann. Und dieser farblose Stoff, fanden die Forscher heraus, hat eine besondere, schützende Wirkung: Es handelt sich um hochwirksame Antioxidantien. Solche fanden die Wissenschafter auch in den Schalen von reifen Äpfeln und Birnen. "Beim Reifen der Früchte passiert in Hinblick auf das Chlorophyll das Gleiche wie beim Sterben der Blätter – am Ende sind farblose Abbauprodukte in der Schale." Möglicherweise sorgen die Antioxidantien dafür, dass die Früchte länger genießbar bleiben.

Ungenutzter Schatz

Rund 30 unterschiedliche Abbauprodukte des Chlorophylls sind derzeit bekannt, und jedes einzelne davon wirkt antioxidativ. Ob sich die Pharmaindustrie diese Erkenntnisse schon zunutze gemacht hat? "Erstaunlicherweise noch nicht", wundert sich Müller. "Vielleicht sind aus Pflanzen gewonnene Stoffe einfach nicht lukrativ genug." Um herauszufinden, wie man diesen bislang weitgehend ungenutzten pflanzlichen Schatz verwerten kann, sind also noch weitere Forschungsarbeiten nötig. Offene Fragen gibt es jedenfalls genug: etwa welche Rolle diese Abbauprodukte bei der Abwehr von Pflanzenkrankheiten spielen.

Und wie konnte man die Schüler in die zum Teil doch recht schwierigen Untersuchungen einbinden? "Das Um und Auf sind engagierte Lehrer, die ihre Schülerinnen und Schüler für die Chemie zu begeistern verstehen", sagt Müller. "In unseren Sparkling-Science-Projekten hatten die Jugendlichen dieses Glück." Vier Schüler haben nach dem Sammeln und Analysieren der Pflanzen sogar mehrere Sommerwochen mit den Forschern am Institut gearbeitet. "Diese 17-Jährigen legten ein wissenschaftliches Niveau an den Tag, das mich sprachlos machte", sagt der Forscher. Kein Wunder, dass sich alle vier schließlich für ein Chemiestudium entschlossen haben. (Doris Griesser, 12.1.2019)