Quantenphysikalisches Modell willl Geheimnis der Photosynthese lüften

Pflanzen können Sonnenlicht mit hoher Effizienz in chemische Energie umwandeln. Wie sie das schaffen, ist bis heute nicht geklärt. ETH-Physiker haben nun ein quantenphysikalisches Modell gebaut, das diese Frage beantworten soll.

Chlorophyll ist das entscheidende Molekül. Dank dem grünen Farbstoff gelingt es den Pflanzen, Sonnenlicht direkt in chemische Energie umzuwandeln. Wie in den pflanzlichen Zellen mit Hilfe von Licht das Molekül ATP erzeugt wird, der zentrale Baustein der Energieversorgung in den Pflanzen, steht heute in jedem besseren Biologielehrbuch. Und dennoch ist dieser Vorgang für die Wissenschaft nach wie vor ein Rätsel. Vor allem die hohe Effizienz, mit der die Pflanzen das Sonnenlicht umwandeln, lässt die Forscher staunen.

Gegensätzliche 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-Moleküle einfangen, ohne große Verluste dorthin transferiert werden, wo ATP gebildet wird. "Wir haben eine paradoxe Situation", erklärt Anton Potocnik, Postdoc in der Gruppe von Andreas Wallraff am Quantum Device Lab des Departements Physik. "Auf der einen Seite prägen quantenphysikalische Effekte das Geschehen, auf der andern Seite läuft die Photosynthese in einem wässrigen und warmen Umfeld ab, in dem die Regeln der klassischen Physik gelten."

Gerade in diesem scheinbaren Widerspruch könnte jedoch der Schlüssel verborgen liegen: Mehrere theoretische Modelle stützen die Vermutung, dass just das Zusammenspiel dieser zwei Welten die hohe Effizienz der Photosynthese erklärt. Ob das tatsächlich so ist, ließ sich bisher experimentell jedoch nicht überprüfen.

Ein Modell aus drei Qubits

Genau diese Lücke hat Potocnik nun zusammen mit Arno Bargerbos und seinen Forscherkollegen geschlossen. Wie er in der aktuellen Ausgabe der Zeitschrift 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, vollständig kontrolliertes Quantensystem, das im Modellmaßstab eine grundlegende Struktur abbildet, wie sie in pflanzlichen Zellen vorkommt. Dessen Kernstück sind drei supraleitende Quantenbits (Qubits), die unterschiedlich stark miteinander gekoppelt sind. Sie repräsentieren Chlorophyll-Moleküle, welche die Lichtenergie aufnehmen und an den ATP-bildenden Enyzmkomplex weitergeben.

"Unsere Versuchsanordnung liefert präzise Einblicke, wie Licht in chemische Energie umgewandelt wird, da wir die verschiedenen Parameter gezielt beeinflussen können", erklärt Potocnik. "Dieses Verständnis ist wichtig, denn es könnte dazu beitragen, dass Licht künftig in Photovoltaikzellen effizienter in Strom umgewandelt wird als bisher."

Auf die Schwingung kommt es an

Potocniks Experimente bestätigen die Vermutung, dass die natürlichen Schwingungen der Chlorophyll-Moleküle eine zentrale Rolle beim Energietransfer spielen. Je nach dem, wie schnell sich die Moleküle 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 rudimentär abbildet. "Nachdem wir nun grundsätzlich demonstrieren konnten, dass unser System die Vorgänge realistisch abbildet, planen wir in einem nächsten Schritt, komplexere Systeme mit mehr Qubits zu bauen, um das Geheimnis der Photosynthese endlich zu lüften", erklärt Potonik.

Quantenphysik im Alltag

Der experimentelle Ansatz der Forscher könnte 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 lässt sich nicht erklären, warum wir derart viele Gerüche unterscheiden können. "Ob das so ist, ließe sich mit einem Modell wie dem unseren nun experimentell verifizieren", so Potocnik.

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Quelle: ETH Zürich