Quantenmechanik: So sparen Pflanzen Energie
Pflanzen nutzen bei der Fotosynthese keine Quanteneffekte. Ohne Quantenmechanik kann aufgenommene Energie fast verlustfrei gespeichert werden.
Das Wichtigste in Kürze
- Pflanzen sparen Energie, indem sie den Quanteneffekt eliminieren.
- Die Energie wird dabei fast verlustlos weitergeleitet.
Pflanzen brauchen zur Speicherung von Energie keine Quantenmechanik. Stattdessen reichen sie die in den Antennen gesammelte Energie von über Pigmentmoleküle weiter und leiten sie ins Reaktionszentrum des Fotosystems. Dort wird sie schliesslich in chemischer Form gespeichert.
Verlustlose Weiterleitung von Energie ohne Quantenmechanik
Bisher konnten sich Forscher nicht erklären, warum die Energie fast verlustfrei transportiert wird. Dies, 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.» So 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, Kohärenzen würden es erlauben, verschiedene Energietransferpfade parallel zu testen und den schnellsten zum Ziel zu nehmen», erklärte er. Die Evolution hätte die Pflanzen demnach dazu gebracht, diese Phänomene der Quantenmechanik in der Fotosynthese auszunutzen.
Kohärenz von Eisweissmolekülen
Rengers neue Berechnungen zeigt, dass diese Kohärenzen viel zu kurzlebig sind, um in der Natur bedeutsam zu sein. Seine Ergebnisse über die fehlende Quantenmechanik wurden in dem Fachartikel von der Universität Hamburg publiziert.
«Die Natur ist gar nicht daran interessiert, diese Kohärenzen lange aufrecht zu erhalten», meint Renger. Wenn sie das täte, wäre die Energie in den Antennen gefangen und es gäbe keinen Energietransfer zum Reaktionszentrum. Das Kohärenz-Zerstörung mache die Fotosynthese demnach erst so effektiv, dass nahezu 100 Prozent der Lichtteilchen das fotosynthetische 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 künstlich Korrelationen erzeugt wo sich gezeigt hat, dass die Energie in den Antennen stecken bleibt», sagte er.