Einem internationalen Team von Forschern verschiedener Disziplinen gelang eine Entdeckung, welche Botaniker, und Physiker gleichermaßen erstaunen könnte. Zumindest verleitet es sie zu der Annahme, das Algen die Wissenschaft von der Teilchenphysik bereits schon seit Milliarden von Jahren beherrscht haben könnten. Diese Mikroorganismen weisen eine molekulare Struktur auf, welche unter Zuhilfenahme der Quantenmechanik, die Effizienz der Photosynthese maßgeblich steigert. Was Experten nun gleich veranlasst, ein ganz neues Forschungsfeld bezüglich der Entwicklung extrem lichtempfindlicher Geräte vorauszusagen.

Von diesem Werbeverhalten mal abgesehen, sind die Ergebnisse dieses Forscherteams wirklich interessant, da sie das biologische Verständnis auf der subatomaren Ebene erweitern könnten. Das insbesondere die lichtabhängige Umwandlung chemischer Bindungen von Wasser und Kohlendioxid zu Kohlenhydraten, bei gleichzeitiger Freisetzung von Sauerstoff, auf dieser Ebene eine maßgebliche Effizienzsteuerung erfährt, wird schon länger vermutet. Aber bisher gelang noch kein tieferer Einblick. Eines dieser Geheimnisse war immer die Funktionsweise bestimmter Proteine welche wie Antennen wirken, indem sie Photonen abfangen, und ihre Energie zu den Reaktionszentren hin leiten. Diese Reaktionszentren, also die Zellen wo Wasser und Kohlenstoffdioxid zu Zucker und Sauerstoff gewandelt werden, können ihre Arbeit aber selbstständig ausführen. Weshalb sich für die Forscher immer die Frage stellte, was es mit dieser zusätzlichen Einrichtung auf sich hat.

Um dieses Geheimnis zu lösen, führten die Forscher eine Serie von Experimenten mit allgegenwärtigen Cryptophyten (begeißelte Algen), aus Meer-und Süßwasserumgebungen aus. Dabei wurden ultraschnelle Laserimpulse mit sehr geringer Energie auf diese molekularen Antennen abgeschossen, und evtl. Veränderungen der Lichtenergie gemessen. Die erlangten Ergebnisse führten, ob der Art und Weise wie die Antennen bezüglich der Photonen reagierten, zu allgemeinem Erstaunen, denn diese Reaktionen zeigten unverkennbare Anzeichen der Quantenmechanik.

Wenn Photonen auf ein Molekül treffen, überträgt dieses Energie, welche durch Elektronenschwingungen beeinflusst wird. Hierzu vielleicht ein wenig graue Quantentheorie. Atome gehen durch Strahlungsabsorption in einen angeregten Zustand über. Dabei wird ihre Energie erhöht, welche dabei aber nur in bestimmten Energiepaketen (Quanten), aufgenommen werden kann. Einstein nannte diese Energiepakete noch Photonen. Bei genau einer Aufnahme eines Quants, werden die Elektronen eines Atoms auf eine energiereichere Bahn angehoben (Quantensprung). Wird weniger oder mehr Strahlungsenergie zugeführt, beginnen die Elektronen zu rotieren oder zu schwingen.

Normalerweise verlangsamt sich diese Schwingung sehr schnell, wenn ein Elektron auf ein anderes Molekül übertragen wird, weshalb die Forscher erwartet hatten, das die Energie des Lasers nicht leicht von genannten Antennenmolekülen an die Moleküle der Reaktionszentren übertragen hätte werden können. Doch die Versuche zeigten, das die Elektronenschwingungen beim Auftreffen der Photonen auf die Antennenmoleküle bis zu viermal länger erhalten blieben wie erwartet. Was zur Schlussfolgerung der Forscher führt, das die Quantenmechanik die Energie kontrolliert.

Gregory Scholes ( Universität Toronto, Kanada ), Chemiker und Co-Autor des Berichtes, spricht von der totalen Überraschung, und beschreibt das Ergebnis als möglichen Effekt einer Eigenschaft namens Quantenkohärenz, nach welcher die molekulare Struktur der Antennen im Wesentlichen einfallendes Licht in eine Welle umwandelt, die die Reise in ein Reaktionszentrum ohne Energieverlust ermöglicht. Dies zeigt das Quanteneffekte biologische Funktionen beeinflussen können, weshalb tiefer gehende Fragen nötig sind, ob dies ebenfalls auf andere biologische Prozesse zutrifft.

Biophysiker Gregory Engel von der University of Chicago in Illinois, spricht von einer fantastischen Arbeit die hier geleistet wurde. Engel, der ebenfalls die Rolle der Quantenmechanik in der Photosynthese studierte, stimmt zu, dass die Forschung eines komplett neuen Gebietes bedarf, - der Biophysik. Was viele neue Perspektiven eröffnen könnte,- für das Licht, die Ernte, als auch die lichtempfindlichen Geräte.

Quellen:
Science 03.02.10
Algae Show a Knack for Quantum Mechanics, by Phil Berardelli.
Nature Report 17.12.09
Coherently wired light-harvesting in photosynthetic marine algae at ambient temperature.
ChemLin
Schnellste Messung von Molekülvibrationen
Science Report, 02.03.06
Probing Proton Dynamics in Molecules on an Attosecond Time Scale.