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Einzeller

Die Quantentricks der Meeresalgen

Quantenphänomene in Lebewesen spielen möglicherweise eine größere Rolle als bisher gedacht. Biophysiker behaupten: Algen optimieren ihre Photosynthese mit Hilfe paradoxer Effekte aus der Quantenwelt.

Biophysik 04.02.2010

Beidseitig ausweichen

Einer der berühmtesten Cartoons von Charles Addams, dem Schöpfer der Addams Family, heißt "The Skier". Er zeigt einen Schiläufer, der im Tiefschnee Spuren hinterlässt - recht merkwürdige Spuren allerdings: Sie führen direkt auf einen Baum zu und weichen ihm im letzten Moment aus, die linke Spur auf der linken Seite, die rechte auf der, äh, rechten. Viele Physiker waren von diesem Scherz angetan (manche haben ihn sogar für einschlägige Lehrbücher verwendet), weil in der Quantenwelt ganz ähnlich kuriose Dinge passieren.

Photonen können, um ein klassisches Beispiel zu nennen, mal als Teilchen, mal als Welle auftreten, obwohl diese Doppelexistenz genau genommen einen logischen Widerspruch erzeugt. Beziehungsweise erzeugen müsste, denn in der Quantenwelt leben Teilchen und Welle friedlich nebeneinander, weil hier der Satz vom ausgeschlossenen Dritten nicht gilt. Gäbe es in der Quantenwelt Wolken, dann würde es zum selben Zeitpunkt regnen und nicht regnen, und gäbe es dort Schifahrer, könnten sie eben auch Bäume beidseitig umrunden.

Alle Wege führen zum Traubenzucker

Wie nun Greg Scholes von der University of Toronto berichtet, spielen sich auch in Algen ähnliche Effekte ab, und zwar in jenen Molekülen, die sie für die Photosynthese verwenden (Nature 463, S. 644). Die Photosynthese ist im Prinzip nichts anderes als eine gefinkelte Methode, die Energie des Lichts in eine chemische Währung umzuwandeln. Pflanzen tun das mit Hilfe von Antennenproteinen, die Photonen einfangen und ihre Energie an Elektronen anderer Moleküle weiterreichen. Die Elektronen absolvieren wiederum einen Bergablauf im chemischen Energiegefälle der Zellmembran und treiben damit jenes Fließband an, das aus den Rohstoffen Wasser und CO2 Traubenzucker erzeugt.

Der Energietransfer vom Photon zum Molekül läuft jedenfalls außerordentlich effizient ab, unter anderem deswegen, weil die Antennenproteine genau so nahe nebeneinander stehen, dass sie bei der Lichternte optimal zusammenarbeiten können. Ein weiterer Grund ist, dass die Wege in den Antennen recht nutzerfreundlich angelegt sind. Der Transfer der Lichtenergie ist mehrspurig, er kann auf alternativen Pfaden erfolgen. Und die Nutzung dieser Wege verläuft im Stil von Charles Addams' Schifahrer, wie Greg Scholes und seine Kollegen herausgefunden haben.

"An zwei Orten gleichzeitig"

Die kanadischen Forscher stimulierten Antennenproteine einzelliger Algen mit einem Laser, um die Vorgänge der Lichtabsorption im Labor nachzustellen. "Das ermöglichte uns, den Prozess im Detail zu verfolgen", erklärt Scholes in einer Aussendung. "Wir waren erstaunt, als wir dabei langlebige Quantenzustände entdeckten. Unsere Ergebnisse zeigen, dass sich die Energie des absorbierten Lichts an zwei Orten gleichzeitig aufhält - man nennt diesen Zustand Superposition."

Fachleute halten dieses Resultat deswegen für bemerkenswert, weil die entsprechenden Versuche bei Zimmertemperatur durchgeführt wurden, die der Stabilität von Quantenzuständen normalerweise abträglich ist. Das könnte darauf hindeuten, dass Algen auch im Meer Photosynthese nach Quantenart betreiben (Nature 463, S. 614).

Selektiver Mehrwert?

Was zur naheliegende Frage führt: Handelt es bei dem Paralleltransfer nur um eine Laune der Natur - oder könnte er den Algen gar einen evolutionären Vorteil bieten? Scholes glaubt, dass letzteres der Fall ist. Er könnte dazu dienen, die jeweils niedrigsten Energiezustände im Molekül anzusteuern, meint er. Das würde wiederum die Effizienz des Vorgangs erhöhen.

Bewiesen ist das freilich noch nicht, auch wenn der Physikochemiker aus Toronto bereits ein Algenkapitel für die Wissenschaftsurgeschichte fordert: "Algen wussten zwei Milliarden Jahre vor uns Menschen über die Quantenmechanik Bescheid!"

Robert Czepel, science.ORF.at

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