Die Photosynthese ist ein faszinierender Prozess, durch den Pflanzen und andere Organismen Sonnenlicht in chemische Energie umwandeln. Neueste Forschungsarbeiten an der Technischen Universität München (TUM) unter der Leitung von Erika Keil und Prof. Jürgen Hauer zeigen eindrücklich, dass quantenmechanische Effekte eine entscheidende Rolle in diesem energieerzeugenden Prozess spielen. Laut der TUM ist die effiziente Energieumwandlung, die bei der Photosynthese erfolgt, von zentraler Bedeutung für das Überleben von Pflanzen und damit auch für viele Lebensformen auf der Erde. Der Transport des eingefangenen Lichtes geschieht dabei praktisch verlustfrei und extrem schnell, was die Effizienz der Photosynthese auf über 99 Prozent steigen lässt.
Ein zentrales Ergebnis der TUM-Studie ist die Entdeckung, dass Photosynthetische Organismen wie Grünpflanzen durch quantenmechanische Prozesse beim Einfangen von Sonnenlicht unterstützt werden. Diese Prozesse beginnen mit der Lichtabsorption in den Blättern, was zu elektronischen Anregungen führt, die über mehrere Zustände verteilt sind, ein Phänomen, das als Superposition bekannt ist. Diese Superposition stellt die erste Stufe eines verlustfreien Energietransfers innerhalb der Moleküle dar und ist entscheidend für das Verständnis der ersten Schritte des Energie- und Ladungstransfers.
Die Rolle der Cofaktoren und Protein-Matrix
Ergänzende Forschungen des Max-Planck-Instituts für Kohlenforschung haben tiefergehende Einblicke in die Mechanismen der chemischen Energieumwandlung geliefert. In einer aktuellen Studie identifizierten Dr. Dimitrios Pantazis und sein Team ein spezifisches Paar von redox-aktiven Cofaktoren: ein Chlorophyll- und ein Pheophytin-Molekül. Diese Moleküle sind essentiell für die Umwandlung der Anregungsenergie des Sonnenlichts in einen angeregten Zustand. Darüber hinaus zeigte die Forschung, dass das Verhalten der Chlorophylle und die Richtungsabhängigkeit der Ladungstrennung durch das elektrostatische Feld des umgebenden Proteins beeinflusst werden, was darauf hindeutet, dass die Protein-Matrix funktionell wichtiger sein könnte als die Chromophore selbst.
Dank der speziellen Anordnung der Chromophore kann ein einzigartiges Ladungsübertragungsverhalten erzielt werden, das über die Eigenschaften der einzelnen Komponenten hinausgeht. Diese Erkenntnisse wurden im Journal of the American Chemical Society veröffentlicht und verdeutlichen die Komplexität der biologischen Systeme und die Notwendigkeit, diese durch synthetische Katalysatoren nachzubilden, um solare Brennstoffe zu erzeugen.
Quantenmechanik in der Biologie
Im Rahmen der Forschung wird auch untersucht, ob lebende Organismen, insbesondere Bakterien, quantenmechanische Effekte nutzen. Forscher der Universität Tübingen, unterstützt von der VolkswagenStiftung, analysieren in ihrem Projekt „A Quantum Beat for Life“, inwieweit diese Effekte bei der Photosynthese von Cyanobakterien und Pflanzen eine Rolle spielen. Hierbei kommt eine quantenoptische Technik zum Einsatz, die es ermöglicht, quantenmechanische Effekte in lebenden Zellen zu beobachten. Das Ziel ist es, nachzuweisen, dass Quantenphänomene nicht nur in isolierten Photosynthesekomplexen oder unter extremen Bedingungen, sondern auch unter normalen Umweltbedingungen auftreten.
Eine zentrale Hypothese ist, dass die Energieeffizienz der Photosynthese auf der quantenmechanischen „Verschränkung“ der Farbpigmente beruht. Der Fabry-Pérot Mikroresonator, der aus zwei parallelen Silberspiegeln besteht, könnte einen quantenmechanischen Effekt in den Cyanobakterien erzeugen und so die Zusammenarbeit der Pigmente fördern. Die bisherige Forschung in diesem Bereich deutet darauf hin, dass ein Nachweis von „ausgedehntem Quantenverhalten“ in organischen Systemen einen bedeutenden wissenschaftlichen Durchbruch darstellen könnte, der unser Verständnis der Evolution und der Grundlagen des Lebens erweitern würde. Eine steigende Effizienz in der Photosynthese könnte zudem neue Wege zur Nutzung von Solarenergie eröffnen.
Insgesamt verdeutlichen diese bahnbrechenden Studien die erstaunliche Verbindung zwischen Quantenmechanik und biologischen Prozessen. Die Erkenntnisse könnten nicht nur unser Wissen über die Natur vertiefen, sondern auch innovative Ansätze zur Entwicklung nachhaltiger Energiequellen inspirieren.
Für weitere Informationen können die folgenden Ressourcen konsultiert werden: Technische Universität München, Max-Planck-Institut für Kohlenforschung, Innovations Report.