Photosynthese ist der Prozess, durch den Pflanzen Sonnenlicht in Energie umwandeln und beruht auf einem äußerst effizienten Energieübertragungssystem. Bevor sie in chemische Energie umgewandelt werden kann, muss die Lichtenergie zunächst eingefangen und weitergeleitet werden, ein Prozess, der nahezu augenblicklich und mit minimalem Energieverlust abläuft. Eine neue Studie des Lehrstuhls für Dynamische Spektroskopie der Technischen Universität München (TUM) zeigt, dass quantenmechanische Effekte bei diesem Energieübertragungsprozess eine entscheidende Rolle spielen.
Ein Forschungsteam um die Professoren Erika Keil und Jürgen Hauer hat durch präzise Messungen und Simulationen aufgeklärt, wie diese Quanteneffekte die Effizienz der Photosynthese steigern.
Die effiziente Nutzung von Sonnenenergie und ihre Speicherung als chemische Energie ist seit langem eine Herausforderung für Ingenieure. Die Natur hat dieses Problem jedoch schon vor Milliarden von Jahren gelöst. Eine neue Studie zeigt, dass die Quantenmechanik nicht nur ein Konzept für Physiker ist, sondern auch bei biologischen Prozessen eine entscheidende Rolle spielt.
Grüne Pflanzen und andere photosynthetische Organismen nutzen die Quantenmechanik, um Sonnenlicht mit außergewöhnlicher Effizienz einzufangen und zu übertragen. Professor Jürgen-Hauer erklärt: „Wenn Licht beispielsweise von einem Blatt absorbiert wird, verteilt sich die Elektronenanregungsenergie auf mehrere Zustände jedes angeregten Chlorophyllmoleküls; dies wird als Überlagerung angeregter Zustände bezeichnet. Dies ist die erste Stufe einer nahezu verlustfreien Energieübertragung innerhalb und zwischen Molekülen, die eine effiziente Vorwärtsübertragung von Sonnenenergie ermöglicht. Die Quantenmechanik ist daher entscheidend für das Verständnis der ersten Schritte der Energieübertragung und Ladungstrennung.“
Der Energieübertragungsprozess von Chlorophyll, der mit der klassischen Physik allein nicht zufriedenstellend verstanden werden kann, findet in grünen Pflanzen und anderen photosynthetischen Organismen (z. B. photosynthetischen Bakterien) kontinuierlich statt. Der genaue Mechanismus ist jedoch noch nicht vollständig geklärt. Hall und die Erstautorin Erica Kyle glauben, dass ihre Studie wichtige neue Grundlagen für die Aufklärung der Funktionsweise von Chlorophyll, dem Pigment im Chlorophyll, legt.
Die Anwendung dieser Erkenntnisse auf die Entwicklung künstlicher Photosynthesegeräte könnte dazu beitragen, Sonnenenergie zur Stromerzeugung zu nutzen oder photochemische Forschung mit beispielloser Effizienz durchzuführen.
In dieser Studie untersuchten die Forscher zwei spezifische Spektralsegmente, in denen Chlorophyll Licht absorbiert: die niederenergetische Q-Region (gelber bis roter Spektralbereich) und die hochenergetische B-Region (blauer bis grüner Spektralbereich). Die Q-Region besteht aus zwei verschiedenen elektronischen Zuständen, die durch Quantenmechanik gekoppelt sind. Diese Kopplung führt zu einer verlustfreien Energieübertragung im Molekül. Das System entspannt sich dann durch „Abkühlung“ (d. h. die Freisetzung von Energie in Form von Wärme). Diese Studie zeigt, dass quantenmechanische Effekte einen entscheidenden Einfluss auf biologisch relevante Prozesse haben können.
Zusammengestellt von /ScitechDaily