Zeitstruktur der Photosynthese

Mit der künstlichen Photosynthese werden weltweit viele Ansätze verfolgt, um mit der Energie des Sonnenlichts beispiels­weise direkt Wasser­moleküle zu spalten und Wasser­stoff zu erzeugen. Noch rangieren die Wirkungs­grade bei nur wenigen Prozent, doch ein besseres Verständnis der natürlichen Photo­synthese in Pflanzen, Algen oder Bakterien könnte zu effizienteren Prozessen führen. Auf diesem noch langen Weg gelang es nun der Arbeits­gruppe um Donatas Zigmantas an der Universität Lund in Schweden erstmals, den Energie­fluss in Chlorophyll-haltigen Bakterien über alle beteiligten Stationen in der Zelle zu verfolgen. Diese grund­legenden Ergebnisse könnte nun neue Impulse für die Optimierung der künstlichen Photo­synthese liefern.

Zigmantas und Kollegen nutzten die zwei­dimensionale elektronische Spektro­skopie (2DES), um über die variierende Absorption von Femto­sekunden­pulsen die Dynamik eines Energie­flusses zu messen. Unter Luft­abschluss kühlten sie Schwefel­bakterien der Art Chlorobaculum tepidum auf 77 Kelvin ab, um trotz starker Streu­effekte eine gute Signal­qualität bei den Messungen zu erreichen. Trotz der Kälte blieb der Photo­synthese­apparat intakt, und die Bakterien konnten Sonnen­licht mit hundert­tausenden Bakterio­chlorophyll-Molekülen effizient einfangen.

Die Energie des absorbierten Sonnen­lichts wurde innerhalb der Bakterien über elektrische Ladungen transportiert. Um diesen Energie­fluss zu messen, beleuchteten die Forscher die einzelnen bei der Photo­synthese aktiven Reaktions­bereiche in den Zellen mit Laser­pulsen im nahen Infrarot­bereich . Mit einer Taktrate von 20 Kilo­hertz lieferten die nur 15 Femto­sekunden kurzen Pulse einen zeitlich hoch­aufgelösten Ablauf des Energie­transports. Die Spektren zeigten, dass in den Reaktions­zentren der Bakterie die Energie mit höchstens 20 Picosekunden nur kurze Zeit verweilte. Der Energie­transport zwischen den Reaktions­zentren dagegen dauerte mit über 200 Picosekunden etwa zehnmal so lang und bildete quasi das Nadelöhr für die gesamte Photo­synthese.

Direkte technische Anwendungen erwartet Zigmantas mit seiner Grundlagen­forschung allerdings nicht. Doch auf der Basis dieser Messungen könnte man nun die Ursachen für die hohe Effizienz der natürlichen Photo­synthese besser verstehen. In weiteren Schritten wäre es denkbar, eine ähnliche Zeit­struktur auch auf unbelebte Systeme für eine effizientere künstliche Photo­synthese zu übertragen.

Jan Oliver Löfken

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