Prof. Blumes Tipp des Monats Oktober 2003 (Tipp-Nr. 76)


Beim Experimentieren den Allgemeinen Warnhinweis unbedingt beachten.


Bild 1: Goldener Oktober an der Bielefelder Uni
(Foto: Blume)


Die Frage, die immer wieder gestellt wird:
Warum wird im Herbst das Laub bunt und braun?

Wenn kleine Kinder fragen "Warum wird das Laub bunt?", reicht erfahrungsgemäß die Antwort aus: "Weil es Herbst wird!". Ältere Kinder wollen es schon etwas genauer wissen.

Gleich vorneweg: Das Bunte in den Blättern wird gar nicht erst im Herbst gebildet. Die Farbstoffe sind schon von Anfang an darin enthalten.

Denn Blätter sind nicht nur grün, sondern sie enthalten eine vielfältige Farbstoffkollektion, für die eine Vielzahl von Substanzen verantwortlich zeichnet:


(Zur Herkunft der Namen der Farbstoffe klicke hier.)

Die Farbstoffe zeigen nicht nur prächtige Farben, sondern haben auch tolle Strukturformeln:


Die ersten drei Farbstoffgruppen sind wichtig für die pflanzliche Fotosynthese, bei der aus CO2 und Wasser Traubenzucker gemacht wird.

Dass im Blatt viele unterschiedliche Farbstoffe vorhanden sind, können wir anhand eines einfachen Experiments zeigen, mit der chromatographischen Auftrennung der Blattfarbstoffe. Dazu haben wir zwei Versuchsvarianten anzubieten:

Versuch 1: Die Chromatographie mit einem Kreidestück
(-> Webseite)

Bild 2: Die Chromatographie von Blattfarbstoffen an einem Kreidestück
(Foto: Daggi)


Versuch 2: Die Säulen-Chromatographie mit Aluminiumoxid
Diese Chromatographie verläuft wie bei Versuch 1. Als Trägermaterial verwenden wir anstatt Kreide Aluminiumoxid.

Bild 3: Die Säulen-Chromatographie von Blattfarbstoffen an Aluminiumoxid
(Foto: Steffi)


Da aber die Chlorophylle im Allgemeinen die weitaus häufigsten Blattfarbstoffe und dazu noch die mit der intensivsten Farbe sind, sehen Blätter meistens grün aus. Bekanntlich gibt es nicht nur das Grün, sondern unglaublich viele deutlich unterscheidbare Grüntöne - je nachdem, wie das Mischungsverhältnis aller Farbstoffe untereinander ist.

Bei manchen Blättern schaut manchmal sogar auch das rote Cyanidin durch, weil davon in einzelnen Fällen zu viel gebildet wird - dahinter steckt dann eine Mutation wie zum Beispiel bei der Blutbuche. Das überschießende Rot überdeckt für unsere Augen das für die Fotosynthese in durchaus ausreichenden Mengen vorhandene Blattgrün. Bei anderen Blättern steht das Gelb im Vordergrund - wie bei der Goldulme. Der gelbe Farbstoff ist hier das Quercetin, ein Flavon, das auch in der Eiche vorkommt (daher der Name: lat. quercus, die Eiche). Zur Chemie der Antocyane und Flavone haben wir einen besonderen Tipp: "Bunte Blumenfarben".

Was ist bei den weißen Blättern, die manche Pflanzen haben? Die beruhen auf Mutationen, bei denen in Blattteilen der ganze Fotosyntheseapparat fehlt. Damit fehlen auch die farbgebenden Chlorophylle, Carotinoide und Xanthophylle. Das Blatt ist also weiß.


Das Chlorophyll wird nicht mehr gebraucht
Dass der Herbst beginnt, erkennt die Pflanze daran, dass es kalt wird und weniger Licht einfällt. Die pflanzlichen Empfangsantennen für das Licht, die Chlorophylle und die Carotinoide sowie Xanthophylle, werden nun nicht mehr gebraucht, da die Fotosynthese "zurückgefahren" wird. Die weniger stabilen Chlorophylle werden enzymatisch abgebaut, das darin enthaltene Magnesium im Wurzelbereich gelagert. Die roten Carotinoide und die gelben Xanthophylle bleiben zunächst erhalten.
Bemerkenswert ist aber auch, dass die primär gebildeten Abbauprodukte des Chlorophylls rot gefärbt sind und somit zur intensiven Blattfärbung beitragen.


Bild 4: Herbstlaub der Roteiche
(Foto: Blume)


Die resultierenden bunten Blätter sammeln wir und pressen sie vielleicht zum Trocknen. Nur so stabilisieren wir die bunten Farben. Aber wir müssen schnell sein!


Warum werden die bunten Blätter so rasch braun?
Wir stellen fest: Kaum fallen die bunten Blätter vom Baum, werden sie braun. Die Bräunung setzt bei Eichen und Buchen sogar schon ein, auch wenn die Blätter noch am Zweigen hängen (-> Bild 5). Dahinter steckt wieder Chemie - genau genommen Biochemie.


Bild 5: Braunfärbung von Buchenlaub, sogar bevor es abfällt
(Foto: Blume)


Pflanzen enthalten neben den Farbstoffen Gerbstoffe, die Catechine. Strukturell sind sie reduziertes Cyanidin.

Beziehung zwischen Cyanidin (oben) und Catechin (unten)


Die Umwandlung von Cyanidin in Catechin ist eine Reduktion. Sie bewirkt die Teilung des farbliefernden p-Elektronen-Systems in zwei voneinander unabhängige Teilsysteme. Das hat ein Verschwinden der Farbigkeit zur Folge. Catechine sind somit farblos.

Hier erkennen wir wieder einen Zusammenhang mit der Laubfärbung. Wie schon gesagt ist ja das Cyanidin nicht nur der rote Farbstoff der Blutbuche, sondern in den Blättern fast aller Blättern enthalten.

Welche Aufgabe haben eigentlich die Catechine in den Pflanzen? Gerbstoffe sind Polyphenole; sie dienen nicht nur der Abwehr von Fressfeinden, da sie sauer-bitter ("adstringierend") schmecken, sondern sie dienen auch der Abwehr von pflanzlichem Oxidationsstress. Dem sind die Pflanzen aufgrund ihres selbst gebildeten Sauerstoffs im Übermaß ausgesetzt. (Deshalb produzieren Pflanzen auch so viel Vitamin C). Beim bakteriellen Abbau entsteht aus den Catechinen unter anderem Brenzkatechin; seine chemische Bezeichnung ist ortho-Diphenol. Dieser Stoff entsteht auch beim Erhitzen von Catechinen - darauf weist der Name hin: Brenzen stammt vom Brennen, Erhitzen.

Brenzkatechin

Brenzkatechin ist ein Stoff, der leicht zu einem gelben Chinon oxidiert wird. Dazu reicht schon Luftsauerstoff aus. Besonders gut läuft die Oxidation in alkalischem Milieu ab.

Bildung von Chinon aus Brenzkatechin

Die Chinone können weiter zu braunen Produkten polymerisieren.

Versuch 3: Oxidation von Brenzkatechin im Reagenzglas
Fülle 10 ml einer wässrigen Lösung von Brenzkatechin (w = 5 %) (Xi) in ein Reagenzglas.
Gib dazu mit einer Tropfpipette 5 ml Natronlauge (c = 2 mol/l) (C). Schüttle das Glas nicht um, sondern beobachte nur.

Ergebnis:
Die Lösung verfärbt sich grünlich. Dann entwickelt sich ausgehende von der Oberfläche her ein brauner Niederschlag. Der Grund ist das Eindiffundieren von Sauerstoff in die Lösung.

Schüttele irgendwann danach die Lösung gut durch, damit der Luftsauerstoff überall Zutritt erhält.
Die gesamte Lösung wird dunkel; die grüne Farbe verschwindet zusehends und geht in ein dunkles Braun über. Das erkennst du ganz besonders an der Glaswand.


Bild 6: Oxidation von Brenzkatechin:
1. Glas: Lösung in Wasser
2. Glas: Zugabe von Natronlauge und zunehmende Oxidation
3. Glas: Lösung 2 nach Schütteln
(Foto: Daggi)


Mit Enzymen wie den Phenoloxidasen gelingt die Oxidation von Brenzkatechin mit Sauerstoff auch im schwach sauren Milieu der pflanzlichen Zellen.

Das betrifft auch die Bräunung von Bananenschalen. Dass dazu von außen kommender Sauerstoff notwendig ist, erkennt man am folgenden Bild 6: Hier wurde ein Teil der Schale durch ein rundes Klebe-Etikett luftdicht abgedeckt.

Bild 7: Bräunung einer Bananenschale
(Fotos: Blume)


So kommt es auch zur Braunfärbung des zunächst bunten Laubs. (Auf dieser Phenoloxidase-Reaktion beruht auch die Braunfärbung von angeschnittenem Obst. Man verhindert sie durch Unterbinden der Sauerstoffzufuhr - zum Beispiel durch Zusatz von Hydrogensulfit oder Ascorbinsäure.)

Die auf der Bildung von Brenzkatechin und seiner Oxidation beruhende Blattbräunung kann man auch - beschleunigt - im Labor zeigen. Es handelt sich um einen Versuch, den man nach dem Entdecker, dem Botaniker A. Molisch, etwas martialisch Molisch´s Todesring nennt. (Nach Molisch ist auch eine allgemeine Nachweisreaktion auf Monosaccharide benannt.)

Versuch 4: Molisch´s Todesring
Presse eine nicht zu heiße Münze auf ein Blatt einer Pflanze. Das Blatt soll nicht ankokeln! Nimm die Münze rasch wieder herunter.

Bild 8: Molisch´s Todesringe auf Blättern von Hibiscus
(Foto: Blume)


Nach dem Entfernen der Münze sieht man auf dem Blatt erstaunlicherweise nur einen braunen Ring - etwas größer als der Münzdurchmesser. Das Innere hingegen bleibt grün, obwohl dort auch eigentlich noch viel mehr Hitze hingekommen sein sollte als am Rand.
Das lässt sich alles ganz einfach erklären: Durch die Hitze wird überall unter der Münze Catechin in Brenzkatechin umgewandelt ("gebrenzt"). Letzteres wird aber nur im Ringbereich zu den bekannten braunen Verbindungen oxidiert. Ursache dafür sind die außen in angrenzenden Blattgebieten liegenden intakten Phenoloxidasen. Dagegen werden die im Ringinneren liegenden Phenoloxidasen durch die Hitze der Münze zerstört. Damit bleibt hier die Braunfärbung aus.

Die Bedeutung dieses Versuchs: Molisch konnte auf diese Art und Weise das erste Mal zeigen, dass der Vorgang der Blattbräunung ein enzymatisch katalysierter Vorgang sein musste. Bei manchen Bäumen geschieht das im Herbst sehr rasch, wobei die Blätter noch am Ast hängen können - wie zum Beispiel bei den Buchen (-> Bild 5).

Der Molisch-Effekt funktioniert nicht bei allen Pflanzen. So sind Liliengewächse nicht geeignet. Auch der Ginkgo verhält sich nach meiner Erfahrung nicht kooperativ - er färbt nach dem Münzauflegen alles gelbbraun, nach und nach auch die weite Umgebung des Rings.

Beim Abbau der Blätter werden außerdem ziemlich rasch nach und nach auch die roten Carotinoide und die gelben Xanthophylle oxidiert und in braune Stoffe umgewandelt, so dass die Farbenpracht des "Indianer-Sommers" rasch vergeht.

Schade eigentlich. Aber so kann man sich jedes Jahr wieder darauf freuen!


Rüdiger Blume


Weitere Tipps des Monats


Literatur:
A. Molisch, K. Dobat: Botanische Versuche. Beobachtungen mit einfachen Mitteln, Fischer, Stuttgart 1979 (5. Auflage)

Für den Literaturtipp Dank an Dr. W. Beisenherz von der Fakultät für Biologie - Universität Bielefeld!


Diese Seite ist Teil eines großen Webseitenangebots mit weiteren Texten und Experimentiervorschriften auf Prof. Blumes Bildungsserver für Chemie.
Letzte Überarbeitung: 11. Februar 2013, Dagmar Wiechoczek