Kompletter Energiefluss der Photosynthese entschlüsselt

Lund (Schweden) - Pflanzen, Algen und einige Bakterienarten beherrschen das Kunststück der Photosynthese, um Sonnenlicht in chemische Energie umzuwandeln. Mit einer neuen Methode konnten nun schwedische und tschechische Forscher erstmals den Fluss der Energie durch den gesamten Photosyntheseapparat verfolgen. Wie sie in der Fachzeitschrift „Nature Chemistry“ berichten, wechseln sich dabei sehr schnelle Prozessschritte mit relativ langsamen ab. Diese Grundlagenforschung hat das Potenzial, die Entwicklung der künstlichen Photosynthese ohne Pflanzen oder Bakterien besser verstehen und optimieren zu können.

„Bisher wusste man nur wenig darüber, wie schnell die Energie durch die einzelnen Teile eines Photosyntheseapparats fließt“, sagt Donatas Zigmantas von der schwedischen Universität Lund. Doch mit extrem kurzen Laserpulsen im nahen Infrarotbereich konnten er und seine Kollegen den Weg der Energie von der Absorption des Sonnenlichts bis zur Umwandlung in energiereiche organische Verbindungen mit hoher Auflösung verfolgen. Die Methode der zeitaufgelösten zweidimensionalen, elektronischen Spektroskopie – kurz 2DES genannt – wandten sie auf Grüne Schwefelbakterien an, die eine spezielle Form der Photosynthese betreiben.

Unter Luftabschluss kühlten die Forscher die Bakterien der Art Chlorobaculum tepidum auf -196 Grad Celsius ab, um eine gute Signalqualität bei den Messungen zu erreichen. Trotz der Kälte funktionierte der Photosyntheseapparat und die Bakterien konnten Sonnenlicht mit hunderttausenden Bakteriochlorophyll-Molekülen einfangen. Mit extrem kurzen Laserpulsen von nur 15 Femtosekunden Dauer beleuchteten die Wissenschaftler die einzelnen Bereiche in den Bakterien, die verschiedene Aufgaben bei den Lichtreaktionen der Photosynthese übernehmen. Aus der variierenden Absorption dieser bis zu 20.000 Laserpulse pro Sekunde konnten sie erkennen, welche Komponente des Photosyntheseapparats gerade aktiv war.

Die Messungen zeigten, dass in den Reaktionszentren die Energie mit höchstens 20 billionstel Sekunden (Picosekunden) nur kurze Zeit verweilte. Der Energietransport in Form von elektrischen Ladungen zwischen den Reaktionszentren dauerte dagegen etwa zehnmal so lang und bildete quasi das Nadelöhr für den zeitlichen Ablauf der gesamten Photosynthese. Auf der Basis dieser Messungen könnten die Forscher nun die Ursachen für die hohe Effizienz der natürlichen Photosynthese besser analysieren. In weiteren Schritten wäre es denkbar, eine ähnliche Zeitstruktur auch auf unbelebte Systeme für eine effizientere künstliche Photosynthese für die Erzeugung von Wasserstoff direkt aus Sonnenlicht zu übertragen. Zigmantas will es sogar nicht ausschließen, dass diese Studien auch neue Impulse für die Entwicklung besserer Solarzellen liefern könnten.