Tja, schlechte Nachrichten: Die Algen sind uns über. Denn anscheinend können die meisten Algen Quantenmechanik. Da wundert mich ja nichts mehr…ok aber mal im Ernst: Dass bei der Photosynthese quantenphysikalische Phänomene eine Rolle spielen, hat man bereits länger vermutet – denn die Antennen, die Sonnenlicht sammeln, übertragen ihre Energie mit fast perfekte Effizienz ins Reaktionszentrum. Man vermutet dort Quantenphysik am Werk, die es quasi erlaubt mehrere Wege ins Zentrum gleichzeitig zu testen und dann den effizientesten zu nehmen. Dem steht aber entgegen, dass die physikalischen Zustände, die dafür notwendig sind nach unserer Laborerfahrung viel zu kurzlebig sind. Dass die Übertragung in Pflanzenproteinen dennoch darauf setzen kann, konnte man bei tiefen Temperaturen schon zeigen. Jetzt zeigt erstmals eine Studie von Elisabetta Collini und weiteren Forschern aus Toronto, Sydney und Padova in Nature den entscheidenden Sprung gemacht: Zu zeigen dass auch bei Raumtemperatur quantenphysikalische Kohärenzphänomene an der Energieübertragung beteiligt sind.

ResearchBlogging.orgDie Forscher untersuchten die Struktur der Antennenproteine von Kryptophyten, einer Art eukaryotischer Algen. Diese Algen eignen sich, weil die Antennen darauf ausgebildet sein müssen, auch bei schwachem Licht zu funktionieren. Das Antennenprotein einer dieser Arten, das Phycocyanin PC645, enthält nicht weniger als 8 Bilin-Moleküle, die Licht in verschiedenen Frequenzen sammeln und weiterleiten.

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Reproduziert nach Nature 08811

Die DBV-Moleküle werden im hohen Frequenzbereich angeregt, und über die MBV-Moleküle wird die Energie an die PEB weitergereicht, die im niedrigeren Frequenzbereich absorbieren. Klassisch würde man sich vorstellen, dass die Energie zufällig auf das nächste Molekül weiterspringt. Man weiß aber, dass der Prozess viel zu effizient ist um so funktionieren zu können. Es muss sich entweder um eine noch nicht bekannte Methode handeln oder – so unglaublich wie das erstmal klingt – um ein quantenmechanisches Wellenphänomen.
Im Experiment wurden dazu mit einem kurzen Laserpuls die DBV-Moleküle angeregt. Der Anregungszustand ist dabei bereits ein quantenmechanischer, denn zwei DBV-Moleküle sind elektrisch gekoppelt, und so entsteht eine spezielle Anregung, die man “molekulare exzitonischer Zustand” nennt, und mit dem wieder ein Quasiteilchen verbunden ist, das Exziton.
Exzitonen erlauben eine besondere Art des Energietransfers bei der keine Photonen ausgetauscht werden müssen, sondern stattdessen die Dipol-Dipol-Kopplung von Molekülen die Basis bildet – der Förster-Resonanz-Energietransfer. Da das Exziton aber delokalisiert ist, kann es sich wie eine Welle über das Molekül ausbreiten und erst am Ende die Energie übertragen. Die Quantenphysik erlaubt außerdem, dass die Welle alle möglichen Wege auf einmal nimmt – und so ist die Vermutung, dass genau dadurch die Energieübertragung den günstigsten Weg findet und so die Energie effizient ins Reaktionszentrum gebracht wird.

Im Labor kann man solche Quantenzustände nur bei sehr tiefen Temperaturen und sorgsam kontrollierten Randbedingungen erzeugen. Für die Übertragung von den Antennen der Alge ins Zentrum braucht es aber einige Femtosekunden – und bei Raumtemperatur müsste dort eigentlich die Dekohärenz – die Interaktion mit der Umgebung – die Quantenzustände “kaputt” machen. Nun hat man aber gemessen, dass dem nicht so ist, und man muss erklären, wie diese Zustände so lange leben können. Vielleicht können wir von Aalgen lernen, wie wir Quantencomputer bauen können!

Im Experiment nachweisen konnte man dies, indem man die Proteine isolierte, mit einem Laser anregte und dann zeigte, dass sich tatsächlich eine Welle ausbildet, die die Proteine verbindet. Dazu verwendet man eine Methode, die sich zweidimensionale Photonen-Echo-Spektroskopie nennt. Diese Methode ist speziell geeignet, um solche kohärenten Schwingungen zwischen den einzelnen Teilen der Kette festzustellen.
Zunächst erregt man mit zwei kurzen Laserpulsen die beiden Anregungszustände der DBV-Moleküle. Mit einem zeitlich versetzten dritten Puls regt man dann das System dazu an, Licht abzugeben. Man kann so über die Zeit schauen, wo sich die Anregung dann befindet. Den kohärenten Zustand detektiert man als Oszillation zwischen den Molekülen, wie hier im Bild:

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Reproduziert nach Nature 463, 614-615

Man hat noch längere Kohärenzzeiten als erwartet festgestellt, nämlich bis zu 400 fs. So könnte also das Licht von der Antenne den effizientesten Weg ins Zentrum finden und der klassischen Physik ein Schnippchen schlagen. Die Autoren schlagen allerdings vor, dass ihre Algen ein spezieller Fall sein könnten, weil die kovalente Bindung der Antennenmoleküle an das Protein die lange Kohärenz begünstigen könne. So geben sie also die Richtung der weiteren Forschung vor: Die Suche nach einer klassischen Erklärung für die effiziente Übertragung und gleichzeitig Untersuchung der quantenmechanischen Hypothese in weiteren Pflanzen und Algen, um auch dort ggf. die lange Kohärenz zu finden und zu erklären.

Ein allgemeines Video zum Prozess der Photosynthese kann man sich hier ansehen.

Collini, E., Wong, C., Wilk, K., Curmi, P., Brumer, P., & Scholes, G. (2010). Coherently wired light-harvesting in photosynthetic marine algae at ambient temperature Nature, 463 (7281), 644-647 DOI: 10.1038/nature08811

Kommentare (9)

  1. #1 Lars Fischer
    02/15/2010

    Schön erklärt. Davon können sich gewisse andere Leute ein dickes Scheibchen von abschneiden.

  2. #2 rolak
    02/15/2010

    Dem kann ich mich anschließen – speziell bei mir neuen Teilgebieten, in denen ich zum Verständnis der Originalarbeit evtl eine lange Einarbeitung nötig habe, lasse ich mir das Thema gerne gut ‘vorkauen’.

    Ganz am Rande: Ist ja auch eine schöne Demontage der AllesMitAllem-Fraktion, wenn bei realen Makrophänomenen “längere Kohärenzzeiten als erwartet” und “bis zu 400fs” dasselbe bedeutet 😉

  3. #3 Frank Quednau
    02/15/2010

    Wirklich interessant. Kann man davon träumen eine Art Solarzelle mit dieser “Technik” zu bauen?
    Was mit etwas unklar ist, wenn von Zentrum und Antenne gesprochen wird: Spricht man hier von Strukturen einer einzelnen Zelle, und ist mit Zentrum dann der Zellkern gemeint, oder geht es um etwas anderes?

  4. #4 Jörg
    02/15/2010

    Ja, Solarzellen sind mir eben auch noch eingefallen. Ja warum nicht, das ist plausibel – wenn es diesen Mechanismus so gibt, könnten wir vielleicht rausfinden wie er funktioniert und es für Solarzellen einsetzen. Es gibt ja auch Forschung an Kopplung quantenmechanischer Systeme um länge Kohärenz zu erzielen, vielleicht wird so etwas möglich auf einer Skala von 10-30 Jahren.
    Die Reaktionzentren scheinen auf der Unterseite einer Membran zu sitzen, auf der anderen Seite sitzen die Antennen. Hab grad diese Seite entdeckt:
    http://www.bmo.physik.uni-muenchen.de/tutorials/photosynthese2/
    und zufällig steht da auch etwas zur Solarzelle.

  5. #5 Lars Fischer
    02/15/2010

    @Quednau
    Damit sind die Strukturen des Photosystems gemeint.

    @rolak
    400 fs sind schon ein ganz schöner Batzen – das ist schon in der Größenordnung komplizierterer chemischer Reaktionen.

  6. #6 rolak
    02/15/2010

    Oh, in diesem Sinne habe ich nichts dagegen einzuwenden – allerdings ist danach auch Feierabend (wie im RL & für mich übrigens auch bald ;-). Alles ohne besondere Hilfsmittel Menschlichbeobachtbare dürfte sich jedoch in ganz anderen räumlichen und zeitlichen Größenordnungen abspielen, ganz zu schweigen von dem Konzept hinter solch verqueren Konzepten wie =»secrets.

    Wenns nur ums Energieernten geht (und nicht um Zucker- oder sonstwas-Gewinnung), entsinne ich mich an einen im letzten Jahr vorgestellten =»Antennenwald, dem ‘nur’ noch ein passender Gleichrichter fehlt.

  7. #7 Alexander
    02/21/2010

    Bin endlich auch dazu gekommen, den Post zu lesen. Das Paper war mir dann doch zu heftig, deshalb hab ich auf nen Artikel hier spekuliert – danke!

  8. #8 Burkhard
    02/22/2010

    Wirklich schön herausgearbeitet aus dem Paper. Was vielleicht fehlt, ist, wie wird denn die Kohärenz konserviert? Denn das wäre ja im Sinne von Reproduktion ein Knackpunkt.
    Meines Wissens nach sind die derzeitigen Spekulationen von Scholes, Fleming, Silbey (um drei führende Wissenschaftler aus diesem Bereich zu nennen) folgende: Die Umgebung in der die Chromophore (also Bilin, Chlorophyll etc je nach Lichtsammelkomplex) eingettet sind, schirmt äußere Einflüsse (die Kopplung der Molekülschwingungen der Chromophore an die Umgebung) ab. Somit würde die Kohärenz nicht gestört und damit erhalten bleiben.

  9. #9 Jörg
    02/22/2010

    @Burkhard: Ich denke, man weiß es einfach noch nicht, und es war im Paper auch höchstens in wenigen Sätzen angedeutet. Leider hab ich das Paper gerade nicht mehr zur Hand, aber so wie ich es verstanden habe ist es schon eine Abschirmung, aber vielleicht auch durch zusätzliche mechanische Kopplungen. Das herauszufinden bleibt die Aufgabe der nächsten Jahre und birgt eventuell die Möglichkeit bedeutender Entwicklungen – wenn wir das dann imitieren können.