Photosynthese mit Quantenphysik-Unterstützung?

Dass die Photosynthese so effizient abläuft, liegt womöglich auch an ihren quantenmechanischen Bestandteilen

Wie die Photosynthese grundsätzlich funktioniert, haben wir alle in der Schule gelernt: Pflanzen nehmen über Farbstoffe (unter anderem - aber nicht nur - Chlorophyll) Energie aus dem Sonnenlicht auf und wandeln diese in chemische Energie um. Der komplette Kreislauf des Lebens auf der Erde beruht auf diesem Prinzip, das auf den ersten Blick so simpel erscheint, dass wir Menschen es schnell nachgeahmt zu haben meinen. Funktionieren nicht die vielen Solarzellen auf Dächern und Feldern sehr ähnlich?

Der Teufel steckt allerdings im Detail. Zugegeben, die Natur hatte deutlich länger Zeit als wir, ihren Energiegewinnungs-Prozess zu optimieren. Detail Nummer 1 verbirgt sich darin, dass die Natur nicht einfach nur die Zelloberfläche der Pflanzen mit Licht sammelnden Pigmenten bestückt, wie wir das mit Hausdächern handhaben. Stattdessen hat sie so genannte Antennen konstruiert. Das sind ganze Komplexe, die einerseits die Sammelfläche vergrößern, andererseits auch das Absorptionsspektrum verbreitern. In diesen Komplexen sind die Pigmentmoleküle genau so gegeneinander angeordnet, dass die Abstände weder zu groß noch zu klein werden. Bei großen Abständen könnten die Anregungszustände nicht mehr schnell genug weitergegeben werden, bei zu kleiner Distanz würden sich die Anregungs-Orbitale überlappen.

Die Sammelantennen sind auch deshalb wichtig, weil Photosynthese sogar mit wenig Licht funktionieren muss. Das ist nicht ganz trivial, weil die damit verknüpften chemischen Reaktionen in relativ kurzer Zeit eine größere Anzahl angeregter Zustände benötigen. Nur mit vielen Lieferanten für jedes der so genannten Reaktionszentren (den chemischen Fabriken also, die mit dem "Strom" aus den Antennen arbeiten) ist die Fortdauer der Photosynthese bei geringer Bestrahlung gewährleistet. Und schließlich bietet diese spezifische Organisation der Energiegewinnung auch einen gewissen Schutz: Die weiterleitenden Proteine können den Fluss der Anregungsenergie im Notfall auch stoppen - etwa wenn sich ein nicht mehr zu bewältigender Überschuss ergeben sollte. Die Pflanze brennt dann gewissermaßen nicht durch.

Kohärentes Wellenpaket im Versuch

Im Wissenschaftsmagazin Nature zeigen Forscher nun einen möglichen weiteren Grund für die hohe Effizienz der Energie-Weiterleitung: Den Wissenschaftlern ist es gelungen, bei einer Algenart quantenmechanische Effekte nachzuweisen. Das ist schon deshalb spektakulär, weil man bisher der Meinung war, diese träten höchstens bei sehr niedrigen Temperaturen auf - die Ergebnisse der Forscher beziehen sich jedoch (anders als frühere Experimente) auf die Raumtemperatur.

In ihrem Versuch regten die Forscher die Lichtsammelkomplexe der Algen mit sehr kurzen Laserpulsen von nur 25 Femtosekunden Dauer an. Das Ergebnis war ein kohärentes Wellenpaket, das sich oszillierend in dem System bewegte und dabei mit 400 Femtosekunden eine überraschend lange Lebenszeit aufwies. Erfolgt die Energieübertragung hingegen klassisch, verteilen sich die Anregungen nach dem Zufallsprinzip, was möglicherweise weniger effizient ist. Die Quantenkohärenz könnte dem System auch ermöglichen, bestimmte Zustände schneller als auf klassische Weise ausfindig zu machen.

Was die Forscher bisher allerdings nicht wissen: Besitzt die untersuchte Algenart eventuell spezielle Eigenschaften, die eine Verallgemeinerung auf andere biologische Systeme ausschließen? Dafür spräche, dass die Sammelkomplexe bei dieser Art relativ schwach miteinander verknüpft sind. Es wäre also möglich, dass der Quanteneffekt diesen Nachteil nur ausgleicht. Außerdem steht noch der Beweis aus, dass eine darauf basierende Energieverteilung effizienter als im rein klassischen Modell abläuft.

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