Mithilfe einer komplexen Kombination aus metallbesetzten Pigmenten, Proteinen, Enzymen und Co-Enzymen können photosynthetische Organismen die Energie des Lichts in chemische Lebensenergie umwandeln. Und jetzt, dank einer am 14. Juni veröffentlichten Studie NaturWir wissen, dass diese organische chemische Reaktion auf die kleinstmögliche Lichtmenge reagiert – ein einzelnes Photon.
Die Entdeckung festigt unser aktuelles Verständnis der Photosynthese und wird dazu beitragen, Fragen darüber zu beantworten, wie Leben auf den kleinsten Skalen funktioniert, wo Quantenphysik und Biologie aufeinandertreffen.
„Auf der ganzen Welt wurde theoretisch und experimentell viel Arbeit geleistet, um zu verstehen, was passiert, nachdem ein Photon absorbiert wurde. Aber uns wurde klar, dass niemand über den ersten Schritt sprach. Das war immer noch eine Frage, die beantwortet werden musste.“ im Detail“, sagte Co-Hauptautor Graham Fleming, leitender Wissenschaftler im Bereich Biowissenschaften am Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) und Professor für Chemie an der UC Berkeley.
In ihrer Studie zeigten Fleming, Co-Hauptautorin Birgitta Whaley, eine leitende Wissenschaftlerin im Bereich Energiewissenschaften am Berkeley Lab, und ihre Forschungsgruppen, dass ein einzelnes Photon tatsächlich den ersten Schritt der Photosynthese in photosynthetischen Purpurbakterien einleiten kann. Da alle photosynthetischen Organismen ähnliche Prozesse nutzen und einen evolutionären Vorfahren haben, ist das Team zuversichtlich, dass die Photosynthese in Pflanzen und Algen auf die gleiche Weise funktioniert. „Die Natur hat einen sehr cleveren Trick erfunden“, sagte Fleming.
Wie lebende Systeme Licht nutzen
Aufgrund der Effizienz der Photosynthese bei der Umwandlung von Sonnenlicht in energiereiche Moleküle gehen Wissenschaftler lange davon aus, dass ein einziges Photon ausreicht, um die Reaktion auszulösen, bei der Photonen Energie an Elektronen weitergeben, die dann mit Elektronen in anderen Molekülen ihre Plätze tauschen und schließlich etwas erzeugen die Grundstoffe für die Zuckerproduktion. Schließlich liefert die Sonne nicht so viele Photonen – an einem sonnigen Tag erreichen nur tausend Photonen ein einzelnes Chlorophyllmolekül pro Sekunde – und dennoch läuft der Prozess zuverlässig auf dem ganzen Planeten ab.
Allerdings habe „niemand diese Annahme jemals durch eine Demonstration untermauert“, sagte Erstautor Quanwei Li, ein gemeinsamer Postdoktorand, der in den Gruppen Fleming und Whaley neue experimentelle Techniken mit Quantenlicht entwickelt.
Und was die Sache noch komplizierter macht, ist, dass ein großer Teil der Forschung, die genaue Details über spätere Schritte der Photosynthese aufgedeckt hat, durch die Auslösung photosynthetischer Moleküle mit leistungsstarken, ultraschnellen Laserpulsen durchgeführt wurde.
„Es gibt einen großen Unterschied in der Intensität zwischen einem Laser und Sonnenlicht – ein typischer fokussierter Laserstrahl ist eine Million Mal heller als Sonnenlicht“, sagte Li. Selbst wenn es gelingt, einen schwachen Strahl mit einer Intensität zu erzeugen, die der des Sonnenlichts entspricht, unterscheiden sie sich aufgrund der Quanteneigenschaften des Lichts, der sogenannten Photonenstatistik, immer noch stark. „Da niemand beobachtet hat, wie das Photon absorbiert wird, wissen wir nicht, welchen Unterschied es macht, um welche Art von Photon es sich handelt“, erklärte er. „Aber genau wie man jedes Teilchen verstehen muss, um einen Quantencomputer zu bauen, müssen wir die Quanteneigenschaften lebender Systeme untersuchen, um sie wirklich zu verstehen und effiziente künstliche Systeme zu schaffen, die erneuerbare Kraftstoffe erzeugen.“
Die Photosynthese wurde, wie auch andere chemische Reaktionen, zunächst in großen Mengen verstanden. Das bedeutet, dass wir wussten, wie hoch die Gesamtein- und -ausgänge waren, und daraus schließen konnten, wie Wechselwirkungen zwischen einzelnen Molekülen aussehen könnten. In den 1970er und 1980er Jahren ermöglichten Fortschritte in der Technologie Wissenschaftlern die direkte Untersuchung einzelner Chemikalien während Reaktionen. Jetzt beginnen Wissenschaftler mit der Erforschung der nächsten Grenze, der Skala einzelner Atome und subatomarer Teilchen, und nutzen dabei noch fortschrittlichere Technologien.
Von der Annahme zur Tatsache
Um ein Experiment zu entwerfen, das die Beobachtung einzelner Photonen ermöglichen würde, musste ein einzigartiges Team aus Theoretikern und Experimentatoren zusammengestellt werden, das modernste Werkzeuge aus Quantenoptik und Biologie kombinierte. „Es war neu für Leute, die sich mit Photosynthese beschäftigen, weil sie diese Werkzeuge normalerweise nicht verwenden, und es war neu für Leute in der Quantenoptik, weil wir normalerweise nicht darüber nachdenken, diese Techniken auf komplexe biologische Systeme anzuwenden“, sagte Whaley ist außerdem Professor für chemische Physik an der UC Berkeley.
Die Wissenschaftler bauten eine Photonenquelle auf, die durch einen Prozess namens spontane parametrische Abwärtskonvertierung ein einzelnes Photonenpaar erzeugt. Während jedes Impulses wurde das erste Photon – „der Herold“ – mit einem hochempfindlichen Detektor beobachtet, der bestätigte, dass das zweite Photon auf dem Weg zu der zusammengesetzten Probe lichtabsorbierender Molekülstrukturen von photosynthetischen Bakterien war. Ein weiterer Photonendetektor in der Nähe der Probe wurde eingerichtet, um das Photon niedrigerer Energie zu messen, das von der photosynthetischen Struktur emittiert wird, nachdem es das zweite „angekündigte“ Photon des ursprünglichen Paares absorbiert hat.
Die im Experiment verwendete lichtabsorbierende Struktur namens LH2 wurde eingehend untersucht. Es ist bekannt, dass Photonen mit einer Wellenlänge von 800 Nanometern (nm) von einem Ring aus 9 Bakteriochlorophyll-Molekülen in LH2 absorbiert werden, wodurch Energie an einen zweiten Ring aus 18 Bakteriochlorophyll-Molekülen weitergeleitet wird, der fluoreszierende Photonen bei 850 nm emittieren kann. In den einheimischen Bakterien würde die Energie der Photonen so lange auf nachfolgende Moleküle übertragen, bis sie zur Initiierung der Photosynthese genutzt wird. Aber im Experiment, als die LH2s von anderen zellulären Maschinen getrennt worden waren, diente der Nachweis des 850-nm-Photons als definitives Zeichen dafür, dass der Prozess aktiviert worden war.
„Wenn man nur ein Photon hat, kann man es sehr leicht verlieren. Das war also die grundlegende Schwierigkeit in diesem Experiment und deshalb verwenden wir das Herald-Photon“, sagte Fleming. Die Wissenschaftler analysierten mehr als 17,7 Milliarden heraldische Photonenerkennungsereignisse und 1,6 Millionen angekündigte Fluoreszenzphotonenerkennungsereignisse, um sicherzustellen, dass die Beobachtungen nur der Einzelphotonenabsorption zugeschrieben werden konnten und dass keine anderen Faktoren die Ergebnisse beeinflussten.
„Ich denke, das Erste ist, dass dieses Experiment gezeigt hat, dass man tatsächlich Dinge mit einzelnen Photonen machen kann. Das ist also ein sehr, sehr wichtiger Punkt“, sagte Whaley. „Als Nächstes fragen wir uns: Was können wir sonst noch tun? Unser Ziel ist es, den Energietransfer einzelner Photonen durch den Photosynthesekomplex auf möglichst kurzen zeitlichen und räumlichen Skalen zu untersuchen.“
