Pflanzen k\u00f6nnen Sonnenlicht mit hoher Effizienz in chemische Energie umwandeln. Wie sie das schaffen, ist bis heute nicht gekl\u00e4rt. ETH-Physiker haben nun ein quantenphysikalisches Modell gebaut, das diese Frage beantworten soll.<\/p>\n
Chlorophyll ist das entscheidende Molek\u00fcl. Dank dem gr\u00fcnen Farbstoff gelingt es den Pflanzen, Sonnenlicht direkt in chemische Energie umzuwandeln. Wie in den pflanzlichen Zellen mit Hilfe von Licht das Molek\u00fcl ATP erzeugt wird, der zentrale Baustein der Energieversorgung in den Pflanzen, steht heute in jedem besseren Biologielehrbuch. Und dennoch ist dieser Vorgang f\u00fcr die Wissenschaft nach wie vor ein R\u00e4tsel. Vor allem die hohe Effizienz, mit der die Pflanzen das Sonnenlicht umwandeln, l\u00e4sst die Forscher staunen.
\nGegens\u00e4tzliche Welten<\/p>\n
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-Molek\u00fcle einfangen, ohne grosse Verluste dorthin transferiert werden, wo ATP gebildet wird. \u00abWir haben eine paradoxe Situation\u00bb, erkl\u00e4rt Anton Poto\u010dnik, Postdoc in der Gruppe von Andreas Wallraff am Quantum Device Lab des Departements Physik. \u00abAuf der einen Seite pr\u00e4gen quantenphysikalische Effekte das Geschehen, auf der andern Seite l\u00e4uft die Photosynthese in einem w\u00e4ssrigen und warmen Umfeld ab, in dem die Regeln der klassischen Physik gelten.\u00bb<\/p>\n
Gerade in diesem scheinbaren Widerspruch k\u00f6nnte jedoch der Schl\u00fcssel verborgen liegen: Mehrere theoretische Modelle st\u00fctzen die Vermutung, dass just das Zusammenspiel dieser zwei Welten die hohe Effizienz der Photosynthese erkl\u00e4rt. Ob das tats\u00e4chlich so ist, liess sich bisher experimentell jedoch nicht \u00fcberpr\u00fcfen.
\nEin Modell aus drei Qubits<\/p>\n
Genau diese L\u00fccke hat Poto\u010dnik 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.<\/p>\n
Es handelt sich dabei um ein einfaches, vollst\u00e4ndig kontrolliertes Quantensystem, das im Modellmassstab eine grundlegende Struktur abbildet, wie sie in pflanzlichen Zellen vorkommt. Dessen Kernst\u00fcck sind drei supraleitende Quantenbits (Qubits), die unterschiedlich stark miteinander gekoppelt sind. Sie repr\u00e4sentieren Chlorophyll-Molek\u00fcle, welche die Lichtenergie aufnehmen und an den ATP-bildenden Enyzmkomplex weitergeben.<\/p>\n
\u00abUnsere Versuchsanordnung liefert pr\u00e4zise Einblicke, wie Licht in chemische Energie umgewandelt wird, da wir die verschiedenen Parameter gezielt beeinflussen k\u00f6nnen\u00bb, erkl\u00e4rt Poto\u010dnik. \u00abDieses Verst\u00e4ndnis ist wichtig, denn es k\u00f6nnte dazu beitragen, dass Licht k\u00fcnftig in Photovoltaikzellen effizienter in Strom umgewandelt wird als bisher.\u00bb
\nAuf die Schwingung kommt es an<\/p>\n
Poto\u010dniks Experimente best\u00e4tigen die Vermutung, dass die nat\u00fcrlichen Schwingungen der Chlorophyll-Molek\u00fcle eine zentrale Rolle beim Energietransfer spielen. Je nach dem, wie schnell sich die Molek\u00fcle bewegen, wird die Energie mehr oder weniger effizient transportiert.<\/p>\n
Mit den drei gekoppelten Qubits haben die Wissenschaftler eine Anordnung entwickelt, welche die realen Bedingungen in den Pflanzenzellen allerdings nur rudiment\u00e4r abbildet. \u00abNachdem wir nun grunds\u00e4tzlich demonstrieren konnten, dass unser System die Vorg\u00e4nge realistisch abbildet, planen wir in einem n\u00e4chsten Schritt, komplexere Systeme mit mehr Qubits zu bauen, um das Geheimnis der Photosynthese endlich zu l\u00fcften\u00bb, erkl\u00e4rt Poto\u010dnik.
\nQuantenphysik im Alltag<\/p>\n
Der experimentelle Ansatz der Forscher k\u00f6nnte 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 l\u00e4sst sich nicht erkl\u00e4ren, warum wir derart viele Ger\u00fcche unterscheiden k\u00f6nnen. \u00abOb das so ist, liesse sich mit einem Modell wie dem unseren nun experimentell verifizieren\u00bb, so Poto\u010dnik.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"
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