Linz/Wien – Pflanzen sammeln in der Photosynthese Lichtenergie und bauen damit chemisch Speicherstoffe wie Zucker auf. Ein Forscherteam mit österreichischer Beteiligung hat gemessen, was die Geschwindigkeit der Lichternte begrenzt: Jener Schritt, in dem die Lichtenergie zu dem Ort transportiert wird, wo die erste chemische Umwandlung passiert, so die Forscher im Fachmagazin "Nature Communications".
Ausgerechnet hat dies Thomas Renger vom Institut für Theoretische Physik der Universität Linz schon vor acht Jahren; in einem Team um Jasper van Thor vom Imperial College in London half er nun mit, diese Modellrechnungen in Experimenten zu bestätigen.
Der Ablauf
Die Lichtenergie wird in Pflanzen von sogenannten Photosystemen aufgenommen. Jede dieser natürlichen Solarzellen enthält ein Reaktionszentrum, das von "Lichtsammelantennen" umringt ist. In diesen Antennen absorbieren Hunderte Chlorophyll-Pigmente Licht, und transportieren seine Energie von einem Pigment zum nächsten ins Reaktionszentrum, so Renger. Innerhalb der Antenne sind die Abstände zwischen den Pigmenten klein, doch der Abstand zu jenen im Reaktionszentrum ist verhältnismäßig groß. Von daher sei es verständlich, dass der letzte Schritt des Licht-Einfangens, nämlich der Energietransfer von der Antenne in das Reaktionszentrum, nicht der rascheste sein kann.
Früher habe man geglaubt, dass die Vorgänge im Reaktionszentrum die Lichtsammlung zeitlich limitiert. An diesem Ort werden Wassermolekülen Elektronen entzogen, um sie in Sauerstoff und Wasserstoff zu spalten. Dies ist der erste chemische Schritt in dem Prozess, bei dem stabile, energiegeladene Speicherstoffe entstehen.
Experimentelle Überprüfung
Die Forscher haben die Chlorophyll-Pigmente mit polarisiertem Licht im sichtbaren Bereich angeregt und einen Augenblick später mit ebenfalls polarisiertem Infrarot-Licht gemessen, wie schnell der Energietransfer von den Lichtsammelantennen ins Reaktionszentrum vonstatten ging: Es brauchte etwa 50 Pikosekunden (Billionstel Sekunden) – so wie Rengers Rechnungen vorhersagten. "Hätte das ursprüngliche Modell gegolten, das die Ladungstrennung im Reaktionszentrum für den zeitlichen Verlauf des Lichteinfangs verantwortlich macht, wäre der Energietransfer etwa fünfzig mal schneller passiert", erklärte er.
Durch die Studie würde man nun besser verstehen, wie die Natur den Prozess der Photosynthese perfektioniert hat. Dies sei nötig, will man ihre Bauprinzipien kopieren und mit künstlicher Photosynthese effizient Sonnenenergie gewinnen, meinen die Wissenschafter. (APA, 23. 12. 2016)