Was die Sonnenenergie-Gewinnung von Pflanzen so effizient macht

30. Juni 2013, 12:02
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Forscher analysierten Lichttransport innerhalb von Zellen und ebnen Weg für zukünftige künstliche Verfahren

Pflanzen und einige Bakterienarten können bis zu 95 Prozent des Sonnenlichts in chemische Energie verwandeln. Dem stehen die vergleichsweise geringen 20 Prozent gegenüber, die heute industriell gefertigte Solarzellen verwerten können. Wie es den Lebewesen gelingt, das Sonnenlicht mit einer so viel höheren Effizienz für die Energiegewinnung zu nutzen, hat nun ein internationales Forscherteam enträtselt.

Wenn Pflanzen oder Bakterien das Licht der Sonne absorbieren und in chemische Energie verwandeln, haben Antennenproteine dabei eine Schlüsselfunktion. Jedes dieser Proteine hat eine ringförmige Struktur, in der sich eine Vielzahl von Farbstoffmolekülen befindet. Die Farbstoffmoleküle nehmen Lichtenergie auf und übertragen diese mit extrem hoher Geschwindigkeit auf benachbarte Farbstoffmoleküle: zunächst auf Moleküle innerhalb desselben Antennenproteins, dann auf Moleküle in einem angrenzenden Antennenprotein. So durchläuft die absorbierte Lichtenergie eine Kette mehrerer Antennenproteine, bis sie schließlich in einem Reaktionszentrum ankommt. Hier werden die Prozesse der Photosynthese in Gang gesetzt, die aus der Lichtenergie chemische Energie erzeugen.

Energieweiterleitung per Welle

Richard Hildner von der Universität Bayreuth hat zusammen mit den Physikern Niek van Hulst, Daan Brinks und Jana Nieder in Barcelona und dem Biochemiker Richard Cogdell aus Glasgow den Transport der Lichtenergie mit einer bisher unerreichten Präzision analysiert. Dabei haben die Wissenschafter ein unerwartetes Phänomen entdeckt. Wenn die Energie von einem Farbstoffmolekül auf das nächste benachbarte Farbstoffmolekül übertragen wird, sind das keine zufälligen, unorganisierten Prozesse. Vielmehr arbeiten alle Farbstoffmoleküle in einem gleichmäßigen Takt. In der Physik bezeichnet man dieses Phänomen als quantenmechanisch kohärenten Transport. Die Energie kann sich dadurch wie eine Welle ungehindert durch ein Antennenprotein bewegen.

Und noch eine weitere Entdeckung hat die Forschergruppe gemacht: Die Transportwege ändern sich ständig. Die Lichtenergie durchläuft keineswegs immer die gleichen Ketten von Farbstoffmolekülen auf ihrem Weg durch die Antennenproteine. Variabilität der Transportwege und Kohärenz– diese Kombination ist für den Energietransport in Pflanzen und Bakterien charakteristisch.

Wie die Forscher herausgefunden haben, erfüllt diese Kombination einen wichtigen biologischen Zweck. Aufgrund des kohärenten, wellenartigen Transports findet die Energie immer den besten Pfad durch ein Antennenprotein. Dies trägt wesentlich dazu bei, dass der Transport der Lichtenergie auch dann effizient verläuft, wenn die Umgebung der Farbstoffmoleküle wechselt – sei es, dass die Temperatur schwankt; sei es, dass sich die innere geometrische Struktur der Antennenproteine ändert.

Spektroskopische Momentaufnahmen

Für ihre Untersuchungen verwendeten die Forscher eine neuartige spektroskopische Versuchsanordnung. Wird ein Antennenprotein, während die Lichtenergie in seinem Inneren von einem Farbstoffmolekül zum nächsten wechselt, einem ultrakurzen Laserpuls ausgesetzt, entsteht eine spektroskopische Momentaufnahme. Sie zeigt die unterschiedlichen Anregungszustände der Farbstoffmoleküle, die sich im Antennenprotein befinden. Daran lässt sich ablesen, welches Farbstoffmolekül exakt zu diesem Zeitpunkt am Transport der Lichtenergie beteiligt ist. Das Team um Hildner hat nun viele solche Momentaufnahmen desselben Antennenproteins kurz hintereinander geschaltet. So konnten die Wissenschaftler die Transportwege der Lichtenergie verfolgen und dabei auch die Kohärenz des Transports nachweisen. (red, derStandard.at, 30.06.2013)

  • Modell eines Antennenproteins in der Ansicht von oben. Die darin enthaltenen verschiedenen Farbstoffmoleküle sind rot, grün und gelb dargestellt.
    grafik: richard hildner, universität bayreuth

    Modell eines Antennenproteins in der Ansicht von oben. Die darin enthaltenen verschiedenen Farbstoffmoleküle sind rot, grün und gelb dargestellt.

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