Pflanzen sparen Energie, indem sie Quanteneffekte eliminieren

Pflanzen reichen die in den Antennen gesammelte Energie von Pigmentmolekül zu Pigmentmolekül weiter und leiten sie ins Reaktionszentrum des Fotosystems, wo sie schliesslich in chemischer Form gespeichert wird. Bisher konnten sich Forscher nicht erklären, warum die Energie fast verlustfrei transportiert wird, obwohl das Licht im Prinzip auch weniger effiziente Energiepfade wählen könnte. Man nahm an, dass Quantenkohärenzen dabei eine Rolle spielen.

Bei früheren Versuchen mit optischen Impulsen hat man gewisse Schwingungen (Oszillationen) gesehen. «Diese Oszillationen hat man interpretiert als Kohärenzen zwischen den elektronischen Zuständen, die das Licht absorbieren», erläutert Thomas Renger vom Institut für Theoretische Biophysik der Universität Linz einen Bericht eines internationalen Forscherteams im Fachjournal «Science Advances».

Kohärenzen sind gleichphasige Schwingungen verschiedener Teilchen. «Man glaubte, diese Kohärenzen würden es der Natur erlauben, ähnlich wie bei einem Quantencomputer verschiedene Energietransferpfade parallel zu testen und dann den schnellsten Pfad zum Ziel zu nehmen», erklärte er. Die Evolution hätte die Pflanzen demnach dazu gebracht, diese Quantenphänomene in der Photosynthese auszunutzen.

Rengers neue Berechnungen in dem Fachartikel des Teams rund um Dwayne Miller von der Universität Hamburg ergeben aber, dass diese Kohärenzen viel zu kurzlebig sind, als dass sie in der Natur bedeutsam sein könnten.

Natur hat kein Interesse an Wahlmöglichkeiten

«Die Natur ist gar nicht daran interessiert, diese Kohärenzen lange aufrecht zu erhalten», meint Renger. Wenn sie das nämlich täte, wäre die Energie in den Antennen gefangen und es gäbe keinen gerichteten Energietransfer zum Reaktionszentrum, wo sie in speicherbare chemische Energie umgewandelt wird. Das Zerstören der Kohärenz mache die Photosynthese demnach erst so effektiv, dass nahezu 100 Prozent der aufgenommenen Photonen (Lichtteilchen) des Sonnenlichts das photosynthetische Reaktionszentrum erreichen.

Die Kohärenz wird durch die Schwingungen von Eiweissmolekülen der Lichtsammelantennen zerstört, erklärt der Forscher: «Diese Schwingungen führen zu einer unkorrelierten Fluktuation der optisch anregbaren Energien der Pigmente.» Laut einer Analyse («Normalmodenanalyse») von Rengers Arbeitsgruppe versetzt dies das System in die Lage, Energie gerichtet weiterzuleiten. «Wir haben einmal aus Spass künstlich Korrelationen erzeugt und da hat sich gezeigt, dass die Energie quasi in den Antennen stecken bleibt», sagte er.

*Fachartikellink http://dx.doi.org/10.1126/sciadv.aaz4888