Quanteneffekt lässt Pflanzen wachsen

Amsterdam (Niederlande) - Pflanzen beziehen die Energie, die sie zum Wachstum benötigen, aus dem Sonnenlicht. Bei diesem Prozess, der Photosynthese, wandeln sie die Energie der Lichtteilchen in chemische Energie um. Diese dient zum Aufbau von Kohlenstoffverbindungen und damit zur Energiespeicherung und zum Wachsen der Pflanze. Bislang war aber noch völlig unverstanden, auf welche Weise die Natur zumindest bei den ersten Schritten dieses komplexen biochemisch-physikalischen Vorgangs eine fast perfekte Effizienz erreicht. Nahezu jedes Lichtteilchen, das auf die grünen Chlorophyll-Moleküle im Blattgrün trifft, führt zu Entstehung getrennter elektrischer Ladungen, die die Energie für den weiteren Vorgang liefern. Ein internationales Forscherteam um Rienk van Grondelle von der Freien Universität Amsterdam hat nun herausgefunden, dass typische Quanteneffekte für einen raschen und hocheffizienten Ablauf der Photosynthese sorgen. Wie sie im Fachblatt „Nature Physics“ schreiben, könnten solche Mechanismen auch für künftige Technologien zur Energiespeicherung interessant sein.

„Das Sonnenlicht regt zunächst eine Gruppe von Chlorophyll-Molekülen an“, sagt Erstautorin Elisabet Romero von der Amsterdamer Arbeitsgruppe. Gemeinsam mit Kollegen der Moskauer Staatlichen Universität und der Universität Lund in Schweden haben die Forscher verfolgt, wie die extrem schnellen Anregungsprozesse sich dann weiter entwickeln. Hierzu bestrahlten sie Proben, die sie aus Spinat gewannen, mit einer Reihe ultrakurzer Laserpulse. So konnten sie nachverfolgen, wie sich das gesamte System über die Zeit verhielt. Die Lücke zwischen den Beobachtungen konnten die Forscher mit Hilfe von Berechnungen und Computersimulationen schließen.

Die zentralen Moleküle bei der Photosynthese bestehen aus einem Antennensystem, das die Lichtteilchen des Sonnenlichts einfängt, und einem Reaktionszentrum, das die einfallende Energie chemisch umsetzt. Wie sich bei der Untersuchung herausstellte, verteilte sich die einfallende Energie in einer quantenphysikalischen Welle großflächig über die beteiligten Moleküle. Dank dieser Wellenform, bei der sich die Quantenwellen synchron überlagern, findet der Transport sehr schnell und effizient statt: Denn normalerweise können molekulare Schwingungen und Bewegungen, die in einer warmen biologischen Umgebung unvermeidlich stattfinden, den gesamten Prozess empfindlich stören. Dadurch, dass die Welle aber sozusagen gleichzeitig über das gesamte Reaktionszentrum läuft, kann sie den einfachsten und schnellsten Weg finden, um die Reaktion einzuleiten.

Damit haben die Wissenschaftler einen wichtigen Schritt bei der Photosynthese identifizieren können, die für alles Leben auf der Erde so wichtig ist. Denn im Lauf der Evolution hat sich hier ein enorm effizientes System entwickelt, wie sich Sonnenenergie in chemische umsetzen lässt. Dies könnte man vielleicht auch technisch nutzbar machen, so Romero: „In Zukunft könnte man vielleicht auch künstliche Systeme auf der Basis solcher Quanteneffekte entwickeln, um Sonnenenergie hocheffizient zu nutzen.“