Quanteneffekte in biologischen Systemen
In jüngsten Experimenten mit ultraschnellen Spektroskopie-Techniken war es möglich, sich in biochemische Prozesse in lebenden Organismen zu vertiefen. Im Rahmen des EU-finanzierten Projekts QUANTUM BIOTECH (Quantum phenomena in biology: Theory and experiments towards novel solar energy quantum technologies), befassten sich die Forscher mit der Photosynthese. Bei der Photosynthese wird die von Photonen getragene Energie von lichtsammelnden Antennen absorbiert. Die elektronische Erregung jeder Antenne wird dann zu einem Reaktionszentrum transportiert, wo die Ladungstrennung zu stabileren Formen von chemischer Energie führt. Die Forscher haben theoretische Modelle entwickelt, um diese Energieübertragung darzustellen. Das QUANTUM BIOTECH-Team nutzte vor allem den theoretischen Formalismus der stochastischen Quantenbewegungen (Quantum Walks), um die Energieübertragung auf das Reaktionszentrum durch große, komplexe Strukturen zu beschreiben. Im Fall der grünen Schwefelbakterien, werden die gesammelten Photonen durch den Fenna-Matthews-Olson- (FMO) Komplex transferiert. Bemerkenswert ist der beobachtete Wirkungsgrad des FMO-Komplexes, da fast jedes beobachtete Photon erfolgreich zum Reaktionszentrum übertragen wird. Anschließend untersuchten die Forscher die Machbarkeit der Verbesserung solcher Lichtsammelprozesse unter Verwendung kohärenter Strahlungsquellen. Bei der Photosynthese, wenn Photonen auf die Rezeptoren namens Chromophore treffen, produzieren die letzteren Exzitonen. Diese Quantenteilchen der Energie springen von einem Chromophor zum nächsten, bis sie das Reaktionszentrum erreichen, wo ihre Energie nutzbar gemacht wird, um lebenswichtige Moleküle zu erzeugen. Exzitonen folgen zufälligen Bahnen, es sei denn, sie nutzen die Vorteile von Quanteneffekten, die es ihnen ermöglichen, mehrere Wege gleichzeitig zu nehmen und den besten auszuwählen. Die Forscher entwickelten ein Virus, der die Geschwindigkeit der Excitonen verdoppeln kann, was die Effizienz des Verfahrens signifikant verbessert. Insbesondere produzierten sie viele Sorten des Virus, der sich mit mehreren synthetischen Chromophoren verbindet, einschließlich organischer Farbstoffe. Die ausgewählten Viren hatten die richtigen Längenskalen, um den sogenannten Quanten-Goldlöckchen-Effekt zu unterstützen. Das Team von QUANTUM BIOTECH nutzte Laserspektroskopie und dynamische Modellierung, um den lichtsammelnden Prozess zu "beobachten" und zu zeigen, dass Viren in der Tat den Quantenkohärenz nutzen, um den Transport von Exzitonen zu verbessern. Die Projektergebnisse sind ein Proof of Concept und weisen den Weg zur Entwicklung kostengünstiger und effizienter Solarzellen sowie der lichtgetriebenen Katalyse.
Schlüsselbegriffe
Quantenmechanik, QUANTUM BIOTECH, Photosynthese, grüne Schwefelbakterien, Solarzellen
