Die Photosynthese, ein zentraler Prozess der Natur, ermöglicht es Pflanzen und anderen Organismen, Sonnenlicht in chemische Energie umzuwandeln. Diese effiziente Energieumwandlung ist entscheidend für das Leben auf der Erde und zeigt eine bemerkenswerte Wirksamkeit, die über 99 Prozent erreichen kann, insbesondere in den ersten Schritten des Prozesses. In einer aktuellen Studie der Technischen Universität München (TUM) wird die Rolle quantenmechanischer Effekte in diesem komplexen Mechanismus untersucht. Das Forschungsteam unter der Leitung von Erika Keil und Prof. Jürgen Hauer hält es für unerlässlich, die quantenmechanischen Vorgänge, die beim Einfangen von Sonnenlicht ablaufen, zu verstehen, um die Effizienz der Photosynthese zu erklären und möglicherweise nachzubilden.
Die Forscher haben herausgefunden, dass die Lichtabsorption in Blättern zu elektronischen Anregungen führt, welche über mehrere Zustände verteilt sind. Dieses Phänomen, bekannt als Superposition, ist die erste Stufe eines praktisch verlustfreien Energietransfers in den Molekülen. Die Ergebnisse dieser Studie untermauern die zentrale Rolle der Quantenmechanik in biologischen Systemen, wie sie beispielsweise bei Photosynthesegängen zu beobachten ist.

Neue Einblicke in die Energiewandlung

Zusätzlich zu den Erkenntnissen der TUM liefern Forscher des Max-Planck-Instituts für Kohlenforschung neue Einblicke in die Funktionsweise biochemischer Systeme. Ihre Studie, veröffentlicht im *Journal of the American Chemical Society*, identifiziert ein spezifisches Pärchen redox-aktiver Cofaktoren – ein Chlorophyll- und ein Pheophytin-Molekül – die für die Umwandlung der Sonnenlichtexitation in einen angeregten Zustand zuständig sind. Die Untersuchung zeigt auf, dass das elektrostatische Feld des umgebenden Proteins die Richtung, in der die Ladungstrennung stattfindet, entscheidend beeinflusst.
Diese Entdeckungen verdeutlichen, dass die Protein-Matrix funktionell wichtiger sein könnte als die Chromophore selbst, was darauf hindeutet, dass die Anordnung der Moleküle in der Zelle eine bedeutende Rolle für das Ladungsübertragungsverhalten spielt.

Die Zielsetzung der modernen Wissenschaft beinhaltet die Nachbildung dieses biologischen Prozesses mit synthetischen Katalysatoren, um solarbetriebene Brennstoffe zu entwickeln. Hierbei bleiben grundlegende Fragen zur Umwandlung von Sonnenlicht in Elektronenfluss, der chemische Reaktionen antreibt, nicht geklärt, was die Dringlichkeit dieser Forschung unterstreicht.

Quantenmechanik in der biologischen Forschung

Wissenschaftler der Universität Tübingen sind ebenfalls aktiv, um zu untersuchen, ob Bakterien und Blätter quantenmechanische Effekte für die Photosynthese nutzen. Ihr Projekt „A Quantum Beat for Life“, gefördert von der VolkswagenStiftung, zielt darauf ab, in lebenden Cyanobakterien quantenmechanische Effekte zu beobachten. Diese Untersuchungen nutzen einen Fabry-Pérot Mikroresonator, der aus zwei parallelen Silberspiegeln besteht und bei dem die Rückkopplung des ausgesendeten Lichts möglicherweise die Zusammenarbeit der Pigmente verbessern kann.
Ein Nachweis von „ausgedehntem Quantenverhalten“ in lebenden Organismen wäre ein bedeutender wissenschaftlicher Durchbruch und könnte das Verständnis der Evolution sowie der grundlegenden Prinzipien des Lebens erweitern.

Das Zusammenspiel zwischen quantenmechanischen Prozessen und biologischem Funktionieren hat das Potenzial, innovative Lösungen für die Entwicklung effizienter Energietransformatoren zu inspirieren. Derartige Entdeckungen könnten dazu beitragen, die Herausforderungen der modernen Energieumwandlung und -speicherung zu bewältigen und das Wissen um das Leben selbst zu vertiefen.