Quantenmechanik beschreibt die Effizienz der Photosynthese

In der klassischen Physik gab es bisher keine eindeutigen Beweise dafür, dass Makromoleküle in Pflanzenzellen, die die Eigenschaft besitzen, Licht zu sammeln, Molekülschwingungen dafür nutzen. Offenbar fand nun ein Forscherteam heraus, dass sich die Photosynthese sehr wohl der Quantenmechanik bedient, um ihre Effizienz zu steigern.

Quantenmechanische Vorgänge der Photosynthese
Wenn sich benachbarte Atome in einem Molekül periodisch bewegen, dann spricht man von Molekülschwingungen. Aus Quantenmechanischer Sicht wird diese Schwingung durch die Zufuhr von Energie angeregt, beispielsweise durch die Absorption elektromagnetischer Strahlung. Aktueller Forschungen zufolge bedient sich auch die pflanzliche Photosynthese der Quantenmechanik. Dabei übertragen Lichtsammelmakromoleküle in Pflanzenzellen Energie mit Hilfe solcher Molekülschwingungen, was in der klassischen Physik bisher nicht bekannt war. Die Mehrheit der Lichtsammelmakromoleküle sind eine Kombination von Chromophoren, die für die Farbe der Moleküle verantwortlich sind, und Proteine, die den ersten Schritt der Photosynthese einleiten. Bei der Photosynthese wird Sonnenlicht eingefangen und in einen energiereicheren Stoff umgewandelt. Jüngste Experimente deuten darauf hin, dass die Energie in einer wellenartigen Weise übertragen wird, also Quantenphänomene bei der Photosynthese genutzt werden.

Quantenmechanische Phänomene bisher nur bei Kälte beobachtbar
Zu Beobachten waren quantenmechanische Phänomene nur bei Systemen, die eine sehr niedrige, kühle Temperatur aufweisen. Biologischen Systeme weisen allerdings eine viel höhere Temperatur auf, die allein schon durch ihre Umgebungstemperatur gegeben ist. Bisher existierte keine klassische Analogie zwischen der Quantenphysik und dem Einsatz dieses Vorgangs bei biologischen Systemen. Aktuelle Forschungen ergaben aber, dass die Eigenschaften von einigen Chromophoren Schwingungen die Energieübertragung während der Photosynthese unterstützen. Dieser Vorgang wurde bisher noch nie mit klassischen Gesetzen beschrieben. Weiter wurde festgestellt, dass dieses nicht-klassische Verhalten zur Effizienz von Energieübertragung beiträgt. Wenn die Energie einer kollektiven Schwingung zweier Chromophoren auf eine Energiedifferenz zusammentrifft und zwischen den Elektronenübergängen dieser Chromophoren eine Resonanz auftritt, erfolgt ein effizienterer Energieaustausch zwischen den Elektronen und dem Schwingungsfreiheitsgrad.
Im Falle einer höheren Temperaturskala wird bei dieser Schwingungsenergie nur eine kleine Einheit an Energie ausgetauscht, was zu der Schlussfolgerung führt, dass es sich bei Energie, die von einem Chromophoren auf den anderen übertragen wird, um eine gemeinsame Schwingung handelt.

Quantenzustände der Photosynthese sind schwer vorhersagbar
Bisher wurde in der klassischen Physik immer nach positiven Wahrscheinlichkeitsverteilungen gesucht. Beim Auffinden der miteinander und relativ schwingenden Chromophoren handelt es sich aber um negative Werte solcher Wahrscheinlichkeitsverteilungen. Trotzdem sind sie Ausdruck echter Quantenfunktionen, als kohärente Austausch von einem einzigen Energiequantum. Wenn dies geschieht, sind Elektronen und Schwingungsfreiheitsgrade gemeinsam und vorübergehend in einer Überlagerung von Quantenzuständen. Dies ist eine Funktion, die nie mit der klassischen Physik vorhergesagt werden kann.

Quelle: http://www.ucl.ac.uk/