Quantenprozesse bei der Photosynthese

Warum ist die pflanzliche Photosynthese so effizient?

Vor rund 3,5 Milliarden Jahren hatte die Evolution eine hübsche Idee: Sie begann damit, Lebewesen mit der Fähigkeit der Photosynthese auszustatten, ihnen die Fähigkeit zu verleihen, aus rein anorganischen Stoffen Biomasse aufzubauen. Bei Einzellern ging es los, zunächst auf anoxygene Weise (also ohne Sauerstoffproduktion), aber keine 500 Millionen Jahre später schon oxygen. Die Flora des Planeten erzeugte dann über die Jahre den größten Teil des in Luft und Wasser gelösten Sauerstoffs, den wir alle zum Leben benötigen - und nebenbei auch all die fossilen Brennstoffe, deren extensive Nutzung uns heute womöglich eine Klimakatastrophe beschert.

Die Photosynthese ist, obwohl sie aus Unterschritten besteht und eine ganze Reihe Komponenten beteiligt sind, ein sehr effektiver Prozess (vgl. Künstliches Kraftwerk im Mikro-Maßstab). Der Wirkungsgrad des Primäreffekts liegt je nach Wellenlänge des Lichts zwischen 20 und 35 Prozent - es hat lange gedauert, bis der Mensch bei Photozellen einen ähnlichen Wirkungsgrad erreichen konnte. Besonders spannend ist der Anfang dieses Prozesses - was sich die Natur da hat einfallen lassen, ist durchaus beeindruckend.

Sie hat nämlich offenbar von Quantenphysik weit mehr Verständnis, als die vermeintlich höchstentwickelten Lebewesen der Erde in den vergangenen 100 Jahren ansammeln konnten. Das sieht man sehr schön daran, wie Pflanzen die Lichtenergie einfangen. Das Chlorophyll als Pflanzen-Farbstoff, das Schüler im Biologieunterricht kennenlernen, ist ja nur ein Teil des Systems.

Darstellung der Pigmente und der sie umgebenden Eiweiße im Reaktionszentrum des Purpurbakteriums Rhodobacter sphaeroides. Bacteriochlorophyll (BChl) und Bacteriopheophytin (BPhy) befinden sich in einer dauerhaften Quanten-Kohärenz, die von der Proteinumgebung zusätzlich geschützt werden. Dadurch wird der Energietransfer vom Chlorophyll-Dimer ("P") erleichtert. (Bild: Lee / Cheng / Fleming, University of California)

Bei dem Purpurbakterium Rhodobacter sphaeroides zum Beispiel regt das Licht zunächst ein Bacteriopheophytin-Molekül an. Die Anregung wandert zum angrenzenden Bacteriochlorophyll und kommt nach ganzen zwei bis vier Femtosekunden bei einem Chlorophyll-Dimer an. Das gibt schließlich ein Elektron an ein Bacteriopheophytin-Molekül ab - mit einem kleinen Umweg über das Chlorophyll-Molekül. Passiert dieser Energiefluss zufällig, rein stochastisch?

Wenn Hohjai Lee, Yuan-Chung Cheng und Graham Fleming von der University of California in Berkeley Recht behalten, dann ist diese Frage mit nein zu beantworten. Das Forscherteam beschreibt in der aktuellen Ausgabe des Fachmagazins Science ihre spektroskopische Analyse des Energietransfers. Lee, Cheng und Fleming regten das Reaktionszentrum des Purpurbakteriums Rhodobacter sphaeroides mit zwei Laserimpulsen an - und erhielten nach (für derartige Versuche) geraumer Zeit Antwort in Form eines Photons.

Die Schlussfolgerung der Wissenschaftler: Das Chlorophyll- und das Pheophytin-Molekül befinden sich offenbar in einem quanten-kohärenten Zustand, der über hunderte von Femtosekunden anhält - also Zeit genug für den Transferprozess. In diesem Zustand bilden die Teilnehmer eine Art Supermolekül. Die Kohärenz erleichtert den Energieübergang deshalb, so die Vermutung der Wissenschaftler, weil die Anregungen simultan in verschiedenen Bereichen des so erzeugten Supermoleküls registriert werden könnten.

Elektronische Kohärenz, stellt der Biophysiker William Parson in einem begleitenden Perspektiven-Artikel in Science fest, müsse man deshalb zweifellos als Teil einer kompletten Beschreibung der Elektronenmigration in der Photosynthese betrachten. Es scheinen aber auch die die Pigmente umgebenden Proteine eine gewisse Rolle zu spielen - deren Bewegungen beeinflussen jedenfalls die Höhen der Energieniveaus.

http://www.heise.de/tp/artikel/25/25464/1.html