Biophysik: Photosynthese funktioniert quantenmechanisch

Seth Lloyd hatte nie Biologieunterricht. „Nicht einmal im Kindergarten“, erzählt der Physiker gerne in seinen Vorträgen, die sich gleichwohl seit einigen Jahren immer wieder um ein Thema aus dem Reich des Lebendigen drehen: die Photosynthese, jene Kette biochemischer Prozesse, mittels derer die meisten Pflanzen und viele Bakterien ihren Stoffwechsel mit Solarenergie versorgen. Dann muss Lloyd seinen Zuhören natürlich erzählen, wie er zu dem Thema kam. Im April 2007 erstaunte und belustigte den Professor für Quanteninformatik am Massachusetts Institute of Technology ein Artikel in der New York Times. Darin ging es um die Veröffentlichung einer Gruppe von Chemikern an der University of California in Berkeley, die behaupteten, herausgefunden zu haben, dass photosynthetisierende Einzeller aus der Gruppe der grünen Schwefelbakterien sich verhalten wie Quantencomputer. Diese bislang noch weitgehend theoretischen Apparate nutzen die Eigenschaft mikrokosmischer Objekte wie Lichtquanten oder subatomarer Teilchen, in mehreren Zuständen gleichzeitig zu existieren. Statt entweder eine Null oder eine Eins zu repräsentieren wie die Bits in herkömmlichen Computern, lassen sie sich daher als Überlagerung mehrerer Nullen und Einsen präparieren, mit denen man dann zugleich rechnen kann. Wäre das praktisch umsetzbar, würde dies eine enorme Effizienzsteigerung bedeuten, weswegen weltweit Tausende von Physikern und Informatikern an der Entwicklung von Quantencomputern arbeiten, bis dato aber erst bescheidene Quantenberechnungen durchführen können. Dafür treiben sie zudem einen bislang unpraktikablen apparativen Aufwand, denn damit Quantenphänomene als solche in Erscheinung treten, muss Materie für gewöhnlich auf Temperaturen knapp oberhalb des absoluten Nullpunkts gekühlt und mitunter im Hochvakuum von der Umgebung isoliert werden. Wie soll dergleichen im warmen, weichen und nassen Milieu biologischer Systeme möglich sein? Das Erwachen der Quantenbiologie Als sich Lloyd die Veröffentlichung aus Berkeley genauer ansah, stellte er – wahrscheinlich zu seiner Erleichterung – schnell fest, dass die Photosynthese-Moleküle jener Bakterien mitnichten irgendwelche Quantenberechnungen ausgeführt hatten. Allerdings zeigen sie tatsächlich genuines Quantenverhalten. Seither ist dies auch in Pigmentmolekülen anderer lichtbedürftiger Organismen nachgewiesen worden: an Purpurbakterien, einzelligen Algen und schließlich auch Pflanzen. Das hat eine ganze neue Disziplin entstehen lassen, die Quantenbiologie, deren Protagonisten das spukhafte Treiben an der Basis der Physik längst auch anderswo im Lebendigen vermuten. Im Magnetsinn von Zugvögeln etwa oder im Geruchssinn. Während bei diesen Vorgängen noch nicht ganz klar ist, ob sie nicht doch mit klassischer Physik erklärt werden können, ist es im Fall der Photosynthese heute ein hartes experimentelles Faktum: Ohne Quantentheorie ist sie nicht zu verstehen. Nun geht natürlich alle Chemie und damit auch Biochemie auf Quantenphysik zurück. Die in organischen Molekülen besonders wichtige sogenannte kovalente Bindung funktioniert nur, weil die Elektronen in den Hüllen der beteiligten Atome eine quantenmechanische Eigenschaft namens Spin besitzen, der sie dazu befähigt, maximal paarweise zugleich am gleichen Ort das gleiche Energieniveau zu besetzen. Doch das ist noch keine Quantenbiologie – man kann sich chemische Bindung durchaus auch als mechanisches oder elektrisches Verhaken von Atomen vorstellen, um chemische Prozesse zu verstehen und sogar vorherzusagen. Vom Photon zum Exziton Auch der allererste Schritt der Photosynthese scheint noch im Bild der klassischen Physik verständlich: Ein Lichtquant oder Photon, das man sich hier als fliegendes Energiepäckchen denken kann, trifft auf das Molekül eines Farbstoffs, etwa Chlorophyll, und schlägt ein Elektron heraus, seinerseits als kleines negativ geladenes Kügelchen gedacht. Wo es im Molekül fehlt, ist eine positive Ladung zurückgeblieben, die das Elektron anzieht wie die Sonne die Erde. Beide bilden ein aneinander gebundenes Paar, ein sogenanntes Exziton, das die Energie des Photons weiterträgt. Denn die positiv geladene Fehlstelle kann nun von einem der dicht gepackten Farbstoffmoleküle zum nächsten wandern und damit auch das Exziton (vereinfacht kann man sich auch ein wanderndes Elektron vorstellen, muss dann aber von dessen elektrischer Ladung absehen). Als Exziton wandert die vormalige Lichtenergie durch das von einem komplexen Proteingerüst zusammengehaltene Chlorophyllpaket, bis sie an eine spezielle Ecke des Komplexes, das Reaktionszentrum, gelangt, wo sie endlich in eine dauerhafter verfügbare Form verwandelt wird: Dort ermöglichen es die einlaufenden Exzitonen, dass auf der einen Seite der Membran, in welcher der ganze riesige farbstoffhaltige Proteinkomplex steckt, Protonen freigesetzt werden. Das dadurch erzeugte Gefälle in der Protonendichte beiderseits der Membran speichert die Energie gleich einer Batterie, aus der sich nun andere Prozesse bedienen können – bei Pflanzen etwa, um im Dunkelprozess (siehe Seite 55) Zucker zu produzieren. Die Pigmentmoleküle eines Photosynthesesystems wirken also wie Antennen, welche die Lichtenergie einsammeln. Verblüffende Effizienz Seit diese Zusammenhänge bekannt sind, wundert man sich über die extreme Effizienz, mit der die Antennen die Lichtenergie zu den Reaktionszentren leiten. Von hundert Exzitonen gehen bei dem Tanz durch den Photokomplex, der in Pflanzen 35 Chlorophyllmoleküle umfasst, weniger als fünf verloren. Bei grünen Schwefelbakterien trifft es allenfalls eines, was für diese Lebewesen wichtig ist, denn manche von ihnen leben am lichtlosen Grund der Ozeane von den extrem raren sichtbaren Photonen in der Wärmestrahlung heißer Quellen. Die Effizienz ist erstaunlich, denn da die Exzitonen möglichst keine Energie verlieren sollen, wirkt keine äußere Kraft, um sie in Richtung Reaktionszentrum zu lotsen. Daher sollten sie mit ähnlicher Wahrscheinlichkeit in die falsche Richtung hopsen wie in die richtige, bis die schiere Vielzahl von Hopsern sie dann doch irgendwann ans Ziel gelangen lässt. „Random Walk“ nennt man das. Man könnte also denken, dass ein Exziton auf jenem, das nächste auf einem anderen Weg zum Reaktionszentrum gelangt. Was sich aber zuerst an jenem bakteriellen Pigment in Berkeley bei gezieltem Beschuss mit ultrakurzen Laserimpulsen zeigte, ist, dass solch ein Exziton gewissermaßen in alle ihm offenstehenden Richtungen gleichzeitig hüpft. Das kann es, weil es, solange es sich selbst überlassen bleibt, in Wahrheit eben kein lokalisiertes Gebilde ist, sondern ein Quantenobjekt, das die Farbstoffantenne als sogenannter kohärenter Zustand ausfüllt – ähnlich wie eine Welle, die ein Hindernis an beiden Seiten zugleich umspült. Quantenreise trotz des Chaos ringsumher Auch quantenmechanisch informierte Biochemiker hatten solche Kohärenzeffekte in biologischem Gewebe lange Zeit nicht für relevant gehalten, denn kohärente Quantenzustände sind fragil, und das umso mehr, je mehr Gelegenheit zum Energieaustausch sie haben, etwa mit den Temperaturschwingungen der Moleküle in denen sie existieren. Doch Temperatur ist etwas, was nur viele Teilchen haben können, die im Mittel genauso viel Energie an ihre Nachbarn abgeben, wie sie empfangen. Temperatur gibt es also nur in thermischen Gleichgewichten, und davon kann bei hopsenden Exzitonen keine Rede sein. Vor allem aber weisen viele Untersuchungen darauf hin, dass bestimmte Formen des Energieaustausches das Quantentreiben in Photosynthese-Systemen sogar noch befördern. So haben 2008 Martin Plenio und Susana Huelga, die heute an der Universität Ulm forschen, sowie die Gruppe um Seth Lloyd entdeckt, dass der kohärente Exzitonentransport in den Antennenmolekülen ohne ein gewisses Maß an Wechselwirkung mit den Schwingungen der molekularen Umgebung gar nicht funktionieren würde. Denn wenn man die kohärenten Exzitonen als Wellen begreift, dann kommt es mitunter zu sogenannten destruktiven Interferenzen, bei denen sich Wellenabschnitte gegenseitig auslöschen, weil ein Wellenkamm genau auf ein Wellental trifft. Der partielle Verlust kann dann aber durch Molekülschwingungen wieder ausgeglichen werden. Ziel oder Nebeneffekt der Evolution? Die Störungen eröffnen Exzitonen also gewissermaßen neue Pfade, wo sie sonst hängengeblieben und, da ihre Lebensdauer endlich ist, vor dem Erreichen des Reaktionszentrums verlorengegangen wären. „Interessant ist, dass solch ein Energieaustausch in einem rauscharmen System auch reversibel sein kann“, erklärt Martin Plenio. „Ein Energiequant, das in die Vibration abgegeben wurde, kann also auch wieder zurückkehren und den Übergang rückgängig machen. Dies ist der Effekt, der die 2007 und 2010 und in späteren Arbeiten gemessenen Effekte erklärt.“ Die ganze molekulare Struktur der Antennen, etwa die Packungsdichte des Chlorophylls, wurde per Evolution offenbar genau so gestaltet, das der exzitonische Energietransport optimal abläuft. Weswegen man sich unwillkürlich fragt, ob die Quantenkohärenz ein unverzichtbares Element der Photosynthese ist oder nur ein bloßes Nebenprodukt der Evolution, zu dem es ohne spezifischen Selektionsdruck gekommen ist. „Schwierige Frage“, sagt Gregory Scholes von der Princeton University, dessen Arbeitgruppe 2010, damals noch in Toronto, als erste beobachtet hatte, dass Quantenkohärenz in Photosynthese-Systemen auch bei Raumtemperatur auftritt. „Wir können ja nur die Natur studieren, die wir eben haben.“ Rienk van Grondelle von der Freien Universität Amsterdam ist sich da schon sicherer: „Aus meiner Sicht ist die erstaunliche Geschwindigkeit und Effizienz der ersten Prozesse der Photosynthese zum großen Teil ihrer intrinsischen Quantennatur zu verdanken. Wie genau, wussten wir lange nicht, weil wir nicht die Instrumente hatten, sie zu studieren. Das hat sich jetzt geändert.“ Ladungstrennung mit Quantenhilfe Dabei zeigt sich, dass der Exzitonentransport nicht nur von einem breitbandingen Hintergrundrauschen befördert wird, das vor allem auf das Proteingerüst zurückgeht, sondern auch von spezifischen Schwingungen in den Farbstoffmolekülen. „Das sind dann die, welche die Ladungstrennung unterstützen“, sagt Plenio. Mit seinen Mitarbeitern hat er ein Modell entwickelt, das die experimentellen Daten reproduziert und zwingend solche Arten von Vibrationen enthält (im Physikerdeutsch heißen sie „Moden“), die an die Exzitonen koppeln. „Wenn wir nun diese Vibrationsmoden aus dem Modell entfernen, aber sonst alle Parameter gleich lassen, dann sehen wir, dass die Ladungstrennung etwa zehnmal langsamer verläuft und daher sehr ineffizient wird.“ Diese Befunde werden inzwischen auch experimentell gestützt. Christoph Lienau von der Universität Oldenburg hat den Effekt zusammen mit Plenios Gruppe 2016 an künstlichen Systemen nachgewiesen und das Team Rienk van Grondelles an einem der beiden Photosysteme, die in Algen, Cyanobakterien und Pflanzen zusammenwirken. Damit hätte die Quantenphysik ihre Finger also nicht nur beim Einsammeln der Lichtenergie durch die molekularen Antennen im Spiel, sondern auch bei ihrer Umwandlung in eine speicherbare elektrochemische Form. Solche Ergebnisse dürften von nicht unerheblicher Bedeutung für die Versuche sein, bei der Natur abzukupfern. Systeme wie das von Lienau und Plenio untersuchte wollen das hocheffiziente Einsammeln der Lichtenergie sowie die Ladungstrennung von den Pflanzen und Bakterien abschauen, aber nicht, um damit künstliche Photosynthese zu betreiben, sondern um sie in die Energieform zu verwandeln, die dem Menschen die liebste ist: in elektrischen Strom. Die Forscher arbeiten also an organischen Solarzellen. Die Zeiten, in denen Physiker ohne Biologiekenntnisse durchkamen, könnten angesichts solcher Entwicklungen demnächst vorbei sein. Andererseits droht Biologiestudenten nun vielleicht bald ein Kurs in Quantenmechanik.