Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Geformtes Licht steuert Photosynthese

31.05.2002


Max-Planck-Forscher steuern Energieausbeute der Photosynthese mit "Melodien" aus Laserlicht


Forscher am Garchinger Max-Planck-Institut für Quantenoptik ist es gelungen, mit speziell geformten ultrakurzen Lichtblitzen die Ausbeute der Photosynthese zu steuern. Mit einer melodienartigen Ordnung der Lichtfarben, die der internen Dynamik eines Moleküls der Photosynthese angepasst wurde, konnten sie den Weg der gesammelten Energie kontrollieren (nature, 30. Mai 2002). Damit weisen sie zudem nach, dass Quantenphänomene auch in biologischen Makromolekülen von Bedeutung sind.


Femtosekunden-Laserpulse sind extrem kurze Lichtblitze (1 fs = 10-15 Sekunden), mit denen man die sehr schnelle Vibration einzelner Moleküle, ihr inneres "Verbiegen und Wackeln", in Echtzeit beobachten kann. Erst 1999 wurde für diese so genannte Femtochemie der Nobelpreis für Chemie verliehen. Verformt man nun zusätzlich die zeitliche Struktur der Laserpulse, so kann man die Dynamik dieser Moleküle gezielt steuern. Die Moleküle lassen sich damit so ‚anfassen’, wie man im Chemie-Unterricht das Plastikmodell eines Moleküls verbiegen kann. Doch ein Lichtfeld, das für eine solche Kontrolle geeignet ist, lässt sich nur für sehr einfache Systeme vorhersagen. Die Forscher am Max-Planck-Institut für Quantenoptik haben deshalb - gemeinsam mit Kollegen der Universität Lund, vom AMOLF in Amsterdam sowie von der Universität Glasgow - ein selbstlernendes Experiment konzipiert, mit dem das optimale Lichtfeld auch für komplexe Moleküle gesucht werden kann Damit ist es ihnen jetzt zum ersten Mal gelungen, einen ultraschnellen biologischen Prozess - die Lichternte, also den ersten Schritt der bakteriellen Photosynthese - erfolgreich zu kontrollieren.


In biologischen Lichternte- bzw. Lichtsammelkomplexen werden die verschiedenen Farben des Lichtspektrums von spezialisierten Molekülen absorbiert und zu einem gemeinsamen Ziel weitergeleitet. In Abb. 1 erfolgt das von den grün-blau absorbierenden länglichen Carotenoiden zum Ring der roten BacterioChlorophyll-Moleküle. Allerdings fließt bei diesem Prozess stets ein Teil der absorbierten Energie in Verlustkanäle (IC) und geht so für die Photosynthese verloren. Den Garchinger Wissenschaftlern ist es gelungen, genau diese Aufspaltung des Energieflusses in zwei Kanäle kohärent zu kontrollieren.

"Abb. 1: Lichtsammel-Komplex: Die absorbierte Energie aus dem grün-blauen Spektrum fließt von den länglichen Carotenoiden zum Ring der roten BacterioChlorophyll-Moleküle (transfer) oder versickert im IC-Verlustkanal. Das Verhältnis der beiden Kanäle kann mit dem geformten Licht gesteuert werden."
"Grafik: Max-Planck-Institut für Quantenoptik"



Doch was versteht man unter "kohärenter Kontrolle"? Während die Sonne das Licht ungeordnet, gewissermaßen wie Dauerlärm, anbietet und ein Laserpuls im Femtosekunden-Bereich wie ein Knall von weniger als einem Millionstel Teil einer Millionstel Sekunde wirkt, haben die Garchinger Wissenschaftler die Farben des Lichts in bestimmte Melodien (Pulsformen) geordnet. Mit einem speziellen Verfahren, dem evolutionären Algorithmus, haben sie dazu aus der Vielzahl vorstellbarer Melodien diejenigen herausgefiltert, die im Lichtsammelkomplex eine Resonanz bewirken: Die verschiedenen Melodien werden zuerst im Computer berechnet, dann mit einem Pulsformer hergestellt und an einem Lichtsammel-Molekül getestet. Nur die erfolgreichsten Melodien werden dann erneut zu einer weiteren Generation von Pulsformen kombiniert, die dann wieder am Lichtsammelkomplex getestet werden, usw.

Auf diese Weise fanden die Forscher Formen von Lichtpulsen, mit denen sie kontrollieren können, wohin die geerntete Energie in einem Molekül fließt. Dabei konnten sie zeigen, dass auch in biologischen Molekülkomplexen, die sich aus Zehntausenden von einzelnen Atomen zusammensetzen, Quantenphänomene wie die Kohärenz eine wichtige Rolle spielen. Denn nicht nur die zeitabhängige Struktur (Amplitude), sondern auch die Phase des Lichtfeldes sind entscheidend für die Kontrolle der inneren Vibration in den Molekülen.

Damit ist es erstmals gelungen, einen auf Licht beruhenden biologischen Vorgang auf der physikalischen Mikroebene gezielt zu beeinflussen. Bisher ist es den Wissenschaftler jedoch nur gelungen, den Anteil an Energie, der in den Verlustkanälen versickert, zu steigern. In weiteren Experimenten wollen sie nun umgekehrt versuchen, mit geformten Licht den Energieanteil, der in die Photosynthese fließt, zu steigern.

"Abb. 2: Evolutionärer Algorithmus: Ein Computer berechnet Lichtpulse (orangefarbene zackenförmige Struktur), die mit einem speziellen optischen Aufbau hergestellt werden (rechts unten): Die schimmernden Gitter und runden Linsen spalten die Farben des Lichts, die dann mit der schwarzen Flüssigkristall-Maske in die gewünschte melodienartige Form gebracht werden. Die geformten Pulse werden an einem Lichtsammel-Komplex getestet (s. Abb. 1). Die Ergebnisse aller getesteten Melodien (Pulsformen) werden im Computer verglichen und immer wieder eine nächste Generation von Pulsformen berechnet, bis eine Resonanz des Lichtsammel-Komplexes eintritt."
"Grafik: Max-Planck-Institut für Quantenoptik"



Doch neben der Möglichkeit, biochemische Reaktionen steuern zu können, eröffnen sich mit dieser Art von Experimenten völlig neue Möglichkeiten, um hochkomplexe Moleküle zu untersuchen. Denn die spezielle Form des Lichtpulses, mit dem ein molekularer Prozess kontrolliert werden kann, ist gleichsam ein "Fingerabdruck" des Moleküls, aus dem viele zusätzliche Informationen gewonnen werden können.

Dr. Bernd Wirsing | Presseinformation
Weitere Informationen:
http://www.mpq.mpg.de/lachem/reaction-dynamics/research/LH2/LH2project.html

Weitere Berichte zu: Max-Planck-Institut Molekül Photosynthese

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Kieselalge in der Antarktis liest je nach Umweltbedingungen verschiedene Varianten seiner Gene ab
17.01.2017 | Stiftung Zoologisches Forschungsmuseum Alexander Koenig, Leibniz-Institut für Biodiversität der Tiere

nachricht Proteinforschung: Der Computer als Mikroskop
16.01.2017 | Ruhr-Universität Bochum

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Biowissenschaften Chemie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Interfacial Superconductivity: Magnetic and superconducting order revealed simultaneously

Researchers from the University of Hamburg in Germany, in collaboration with colleagues from the University of Aarhus in Denmark, have synthesized a new superconducting material by growing a few layers of an antiferromagnetic transition-metal chalcogenide on a bismuth-based topological insulator, both being non-superconducting materials.

While superconductivity and magnetism are generally believed to be mutually exclusive, surprisingly, in this new material, superconducting correlations...

Im Focus: Erforschung von Elementarteilchen in Materialien

Laseranregung von Semimetallen ermöglicht die Erzeugung neuartiger Quasiteilchen in Festkörpersystemen sowie ultraschnelle Schaltung zwischen verschiedenen Zuständen.

Die Untersuchung der Eigenschaften fundamentaler Teilchen in Festkörpersystemen ist ein vielversprechender Ansatz für die Quantenfeldtheorie. Quasiteilchen...

Im Focus: Studying fundamental particles in materials

Laser-driving of semimetals allows creating novel quasiparticle states within condensed matter systems and switching between different states on ultrafast time scales

Studying properties of fundamental particles in condensed matter systems is a promising approach to quantum field theory. Quasiparticles offer the opportunity...

Im Focus: Mit solaren Gebäudehüllen Architektur gestalten

Solarthermie ist in der breiten Öffentlichkeit derzeit durch dunkelblaue, rechteckige Kollektoren auf Hausdächern besetzt. Für ästhetisch hochwertige Architektur werden Technologien benötigt, die dem Architekten mehr Gestaltungsspielraum für Niedrigst- und Plusenergiegebäude geben. Im Projekt »ArKol« entwickeln Forscher des Fraunhofer ISE gemeinsam mit Partnern aktuell zwei Fassadenkollektoren für solare Wärmeerzeugung, die ein hohes Maß an Designflexibilität erlauben: einen Streifenkollektor für opake sowie eine solarthermische Jalousie für transparente Fassadenanteile. Der aktuelle Stand der beiden Entwicklungen wird auf der BAU 2017 vorgestellt.

Im Projekt »ArKol – Entwicklung von architektonisch hoch integrierten Fassadekollektoren mit Heat Pipes« entwickelt das Fraunhofer ISE gemeinsam mit Partnern...

Im Focus: Designing Architecture with Solar Building Envelopes

Among the general public, solar thermal energy is currently associated with dark blue, rectangular collectors on building roofs. Technologies are needed for aesthetically high quality architecture which offer the architect more room for manoeuvre when it comes to low- and plus-energy buildings. With the “ArKol” project, researchers at Fraunhofer ISE together with partners are currently developing two façade collectors for solar thermal energy generation, which permit a high degree of design flexibility: a strip collector for opaque façade sections and a solar thermal blind for transparent sections. The current state of the two developments will be presented at the BAU 2017 trade fair.

As part of the “ArKol – development of architecturally highly integrated façade collectors with heat pipes” project, Fraunhofer ISE together with its partners...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Bundesweiter Astronomietag am 25. März 2017

17.01.2017 | Veranstaltungen

Über intelligente IT-Systeme und große Datenberge

17.01.2017 | Veranstaltungen

Aquakulturen und Fangquoten – was hilft gegen Überfischung?

16.01.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Bundesweiter Astronomietag am 25. März 2017

17.01.2017 | Veranstaltungsnachrichten

Intelligente Haustechnik hört auf „LISTEN“

17.01.2017 | Architektur Bauwesen

Satellitengestützte Lasermesstechnik gegen den Klimawandel

17.01.2017 | Maschinenbau