Pflanzen und manche Bakterienarten sind in der Lage, Sonnenenergie mit Hilfe der Fotosynthese in Energie umzuwandeln. Anscheinend sorgen auch quantenmechanische Effekte für eine hohe Lichtausbeute. Gregory Scholes von der University of Toronto in Kanada und seine Kollegen haben dies nun in zwei verschiedenen Meeresalgen nachgewiesen – bei Raumtemperatur.
In den Algen bilden mehrere Proteine einen so genannten Lichtsammelkomplex, um das Sonnenlicht einzufangen und dessen Energie an das gemeinsam umlagerte Reaktionszentrum, ebenfalls aus Proteinen aufgebaut, weiterzuleiten. Die Wissenschaftler simulierten an einem solchen nur fünf Nanometer großen Fotosyntheseprotein die Absorption von Sonnenlicht, indem sie es mit einem extrem kurzen Laserpuls (25 Femtosekunden) anregten.
Rhodomonas salina | Gregory Scholes und sein Team untersuchten unter anderem die Alge Rhodomonas salina, die sowohl im Süßwasser als auch im Meer lebt.
Mittels Spektroskopie konnten Scholes und sein Team die nachfolgenden Prozesse genau überwachen, darunter den Energietransfer zwischen speziellen, im Protein gebundenen Molekülen. Die Ergebnisse legen nahe, dass sich die absorbierte Energie gleichzeitig an verschiedenen Orten des Lichtsammelkomplexes aufhält, berichten die Wissenschaftler. Mit klassischen Naturgesetzen ließe sich das nicht erklären.
Das Superpositionsprinzip der Quantenmechanik erlaubt es Systemen dagegen, sich parallel in mehreren Zuständen zu befinden. Physikalische Größen sind in diesem Fall nicht mehr eindeutig festgelegt, sondern treten nur mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit auf. In einem komplexen biologischen System wie der untersuchten Alge einen solchen langlebigen Überlagerungszustand zu finden, erstaunt die Forscher jedoch.
Die Energie kann auf diese quantenmechanische Weise vermutlich gleichzeitig auf verschiedenen Wegen zum Reaktionszentrum fließen, was den Transfer unter anderem so effizient macht, spekulieren die Forscher. Frühere Studien hatten bereits Hinweise geliefert, dass Effekte der Quantenmechanik beim Energietransport der Fotosyntheseproteine zum Zuge kommen. Allerdings fanden die Versuche bei lebenswidrigen Temperaturen von rund minus 90 Grad Celsius und tiefer statt. (mp)
Quellen
Links im Netz
Lexika
Collini, E. et al.: Coherently wired light-harvesting in photosynthetic marine algae at ambient temperature. In: Nature 463, S. 644–647, 2010.
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