Das Geheimnis der Pflanzen lüften

Chlorophyll ist das entscheidende Molek¨¹l. Dank dem gr¨¹nen Farbstoff gelingt es den Pflanzen, Sonnenlicht direkt in chemische Energie umzuwandeln. Wie in den pflanzlichen Zellen mit Hilfe von Licht das Molek¨¹l ATP erzeugt wird, der zentrale Baustein der Energieversorgung in den Pflanzen, steht heute in jedem besseren Biologielehrbuch. Und dennoch ist dieser Vorgang f¨¹r die Wissenschaft nach wie vor ein R?tsel. Vor allem die hohe Effizienz, mit der die Pflanzen das Sonnenlicht umwandeln, l?sst die Forscher staunen.

Gegens?tzliche Welten

Verschiedene Experimente der letzten Jahre deuten darauf hin, dass quantenphysikalische Effekte bei der Energieumwandlung eine wichtige Rolle spielen. Dank dieser Effekte kann die Energie, welche die Chlorophyll-Molek¨¹le einfangen, ohne grosse Verluste dorthin transferiert werden, wo ATP gebildet wird. ?Wir haben eine paradoxe Situation?, erkl?rt Anton Poto?nik, Postdoc in der Gruppe von Andreas Wallraff am Quantum Device Lab des Departements Physik. ?Auf der einen Seite pr?gen quantenphysikalische Effekte das Geschehen, auf der andern Seite l?uft die Photosynthese in einem w?ssrigen und warmen Umfeld ab, in dem die Regeln der klassischen Physik gelten.?

Gerade in diesem scheinbaren Widerspruch k?nnte jedoch der Schl¨¹ssel verborgen liegen: Mehrere theoretische Modelle st¨¹tzen die Vermutung, dass just das Zusammenspiel dieser zwei Welten die hohe Effizienz der Photosynthese erkl?rt. Ob das tats?chlich so ist, liess sich bisher experimentell jedoch nicht ¨¹berpr¨¹fen.

Ein Modell aus drei Qubits

Genau diese L¨¹cke hat Poto?nik nun zusammen mit Arno Bargerbos und seinen Forscherkollegen geschlossen. Wie er in der aktuellen Ausgabe der Zeitschrift externe Seite Nature Communications berichtet, hat er zusammen mit Wissenschaftlern der University of Cambridge und der Princeton University eine Versuchsanordnung entwickelt, mit der sich die verschiedenen theoretischen Modelle experimentell verifizieren lassen.

Es handelt sich dabei um ein einfaches, vollst?ndig kontrolliertes Quantensystem, das im Modellmassstab eine grundlegende Struktur abbildet, wie sie in pflanzlichen Zellen vorkommt. Dessen Kernst¨¹ck sind drei supraleitende Quantenbits (Qubits), die unterschiedlich stark miteinander gekoppelt sind. Sie repr?sentieren Chlorophyll-Molek¨¹le, welche die Lichtenergie aufnehmen und an den ATP-bildenden Enyzmkomplex weitergeben.

?Unsere Versuchsanordnung liefert pr?zise Einblicke, wie Licht in chemische Energie umgewandelt wird, da wir die verschiedenen Parameter gezielt beeinflussen k?nnen?, erkl?rt Poto?nik. ?Dieses Verst?ndnis ist wichtig, denn es k?nnte dazu beitragen, dass Licht k¨¹nftig in Photovoltaikzellen effizienter in Strom umgewandelt wird als bisher.?

Auf die Schwingung kommt es an

Poto?niks Experimente best?tigen die Vermutung, dass die nat¨¹rlichen Schwingungen der Chlorophyll-Molek¨¹le eine zentrale Rolle beim Energietransfer spielen. Je nach dem, wie schnell sich die Molek¨¹le bewegen, wird die Energie mehr oder weniger effizient transportiert.

Mit den drei gekoppelten Qubits haben die Wissenschaftler eine Anordnung entwickelt, welche die realen Bedingungen in den Pflanzenzellen allerdings nur rudiment?r abbildet. ?Nachdem wir nun grunds?tzlich demonstrieren konnten, dass unser System die Vorg?nge realistisch abbildet, planen wir in einem n?chsten Schritt, komplexere Systeme mit mehr Qubits zu bauen, um das Geheimnis der Photosynthese endlich zu l¨¹ften?, erkl?rt Poto?nik.

Quantenphysik im Alltag

Der experimentelle Ansatz der Forscher k?nnte auch in anderen Bereichen neue Einsichten vermitteln. So vermuten Wissenschaftler beispielsweise, dass auch unser Geruchssinn auf einer Kombination von Quantenphysik und klassischer Physik basiert. Denn mit klassischer Physik alleine l?sst sich nicht erkl?ren, warum wir derart viele Ger¨¹che unterscheiden k?nnen. ?Ob das so ist, liesse sich mit einem Modell wie dem unseren nun experimentell verifizieren?, so Poto?nik.