Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Wie bildet sich Sauerstoff in der Erdatmosphäre?

11.11.2005


Physiker beschreiben neues Experiment zum Mechanismus der Sauerstoffbildung in "Science"



Der Sauerstoff der Erdatmosphäre wird von Pflanzen und Algen gebildet. Der Forschungsgruppe von Prof. Dr. Holger Dau und Dr. Michael Haumann an der Freien Universität Berlin gelang es, die Sauerstoffbildung mit einer Zeitauflösung von nur zehn Millionstel Sekunden auf atomarer Ebene zu verfolgen und überraschende Einsichten in den bislang unbekannten Mechanismus der Sauerstoffbildung zu erhalten. Die Ergebnisse des neuen Experiments, das noch vor kurzer Zeit als undurchführbar galt, präsentieren die Physiker am 11. November in "Science".



Angetrieben durch Solarenergie bauen Pflanzen, Algen und Blaualgen (Cyanobakterien) aus Kohlenstoffdioxid (CO2) und Wasser einfache Kohlehydrate auf. Dieser Vorgang wird als Photosynthese bezeichnet und stellt den ersten Schritt in der Nahrungskette dar, von der letztendlich alle Lebewesen abhängen. Hierzu müssen dem Wasser zwei Elementarteilchen, nämlich Protonen und Elektronen, entnommen werden und es wird Sauerstoff (O2) freigesetzt. Aus Sicht der photosynthetischen Organismen ist der Sauerstoff ein reines Neben- oder Abfallprodukt. Dieses Abfallprodukt der photosynthetischer Wasserspaltung hat jedoch zu dem Übergang von der kohlenstoffdioxidreichen Atmosphäre, wie sie vor drei Milliarden Jahren auf der Erde vorherrschte, zu der heutigen kohlenstoffdioxidarmen und sauerstoffreichen Luft geführt, die Tieren und Menschen das Atmen ermöglicht.

Seit langem versuchen Wissenschaftler zu verstehen, wie es Pflanzen möglich ist, aus zwei Wassermolekülen vier Protonen und vier Elektronen zu entnehmen und den molekularen Sauerstoff zu bilden. Angetrieben wird dieser Prozess durch die Absorption von vier Lichtteilchen (Photonen), die in der Natur dem Sonnenlicht entstammen und in dem Experiment der Gruppe um Dau und Haumann in Form kurzer Laserpulse zugeführt wurden. Der Ort der Wasserspaltung ist das Sauerstoff bildende Photosystem, ein Komplex aus Proteinen und Pigmenten sowie einer handvoll von Metallatomen. Interessanterweise spielen im Photosystem - wie auch in vielen anderen Enzymen - die an das Biomolekül gebundenen Metallatome eine besonders wichtige Rolle. Ähnlich wie z.B. im Katalysator zur Umsetzung von Autoabgasen werden in zahlreichen Enzymen die besonderen chemischen Eigenschaften von Metallen genutzt. Bei der photosynthetischen Wasserspaltung sind es vier Manganatome.

In allen photosynthetischen Organismen ist das Sauerstoff bildende Photosystem im Wesentlichen gleich aufgebaut. Die Absorption von Lichtteilchen (Photonen) durch das Blattgrün (Chlorophyllmoleküle) löst Elektronenbewegungen zwischen Atomgruppen aus. Nach der Absorption von vier Photonen wird schließlich an einem Komplex aus den vier Manganatomen und Proteinen des Photosystems der molekulare Sauerstoff gebildet. Eine Mikrosekunde (µs) ist der millionste Teil einer Sekunde. Die Veränderungen in dem Mangankomplex der Photosynthese, die nun unmittelbar verfolgt werden konnten, finden in dem Zeitbereich von 10 bis 5000 µs nach Absorption eine Lichteilchens auf. Unter anderen werden Elektronen aus den Manganatomen entfernt und die Distanzen zwischen Mangan und seinem Nachbaratomen verringert sich um etwa zehn Pikometer, wobei ein Pikometer der Millionste Teile eines Millionstel Meters ist. Derartige Prozesse können mit Röntgenstrahlung beobachtet werden, wie sie an modernen Synchrotrons zur Verfügung steht.

In einem Synchrotron bewegen sich Elektronen oder Positronen mit hoher Geschwindigkeit durch einen Ring von mehreren hundert Metern Durchmesser, wobei intensive Röntgenstrahlung emittiert wird. Ursprünglich von Physikern zur Entdeckung von Elementarteilchen ersonnen, sind heute Synchrotrone ein unersetzliches Werkzeug in der Erforschung biologischer Strukturen und Prozesse. Nach mehrjährigen Vorversuchen am Deutschen Elektronen Synchrotron (DESY) in Hamburg und am Berliner Elektronen Synchrotron (BESSY) führte die Forschungsgruppe die Schlüsselexperimente an einem der weltweit leistungsfähigsten Synchrotronstrahlungszentren durch, dem ESRF (European Synchrotron Radiation Facility) in Grenoble in den französischen Alpen. Hierzu wurden in monatelanger Arbeit aus Spinatblättern mehrere Tausend Photosystemproben präpariert und charakterisiert, bevor dann in Tag- und Nachtschichten ein Team von vier Wissenschaftlern eine Woche lang die Röntgenexperimente in Grenoble durchführen konnte.

Am europäischen Synchrotron in Grenoble wurde von den Berliner Wissenschaftlern die Sauerstoffbildung der Photosysteme mit einer Folge von Laserpulsen angetrieben. Gleichzeitig wurde die Absorption der Röntgenstrahlung durch die Manganatom des Photosystems detektiert. So konnte die Geschwindigkeiten der einzelnen Schritte im Funktionszyklus präzise ermittelt werden. Überraschenderweise wurde ein neuer Zwischenzustand gefunden, bei dem nicht wie erwartet ein Elektron, sondern ein Proton dem Mangankomplex entzogen wird. Dieses Ergebnis führt zu einem neuen Bild der Sauerstoffbildung. Im klassischen Modell führt die Absorption von vier Lichteilchen zur Ansammlung von vier positiven Ladungen. Protonen spielen in diesem Bild keine zentrale Rolle. Zusammen mit zuvor erzielten Ergebnissen der Forschergruppe zeigen die Resultate der zeitaufgelösten Röntgenmessungen, dass dem Mangankomplex nicht nur Elektronen sondern auch Protonen gezielt entzogen werden. Wohl organisierte Protonenbewegungen ermöglichen also die Sauerstoffbildung.

Das Rätsel der photosynthetischen Wasserspaltung ist noch nicht abschließend gelöst. Aber schon wird von Wissenschaftlern über mögliche Technologien nachgedacht, die sich die Prinzipien der Natur zu Nutze machen. Die Arbeitsgruppe um Holger Dau und Michael Haumann beteiligt sich an einer gemeinsamen Initiative neun deutscher Forschungsteams zum Thema "Grundlagen für einen biotechnologischen und biomimetischen Ansatz der Wasserstoffproduktion". Das Bundesministerium für Bildung und Forschung wird die geplanten Arbeiten drei Jahre lang mit insgesamt rund zwei Millionen Euro fördern.

Ziel ist die Bildung von Wasserstoff unter Nutzung von Solarenergie. Angetrieben durch Licht können Mikroorganismen nämlich nicht nur dem Wasser Elektronen and Protonen entnehmen. In Enzymen, die als Hydrogenasen bezeichnet werden, können aus den im Photosystem gebildeten Elektronen und Protonen auch Wasserstoffmoleküle (H2) geformt werden. Wasserstoff wird in nicht all zu ferner Zukunft Benzin und Diesel als Treibstoff in Kraftfahrzeugen ersetzen. Die Gewinnung von "Bio-Wasserstoff" stellt somit eine faszinierende Möglichkeit der Umwelt schonenden Wasserstoffproduktion dar. Die zu bewältigenden wissenschaftlichen und technischen Herausforderungen sind riesig und die Entwicklung eines technischen Systems könnte Jahrzehnte erfordern. Die Enträtselung der Wasserspaltung im Photosystem sowie der Wasserstoffbildung an den Metallzentren der Hydrogenasen könnte ein wichtiger erster Schritt sein.

Organisatorische Rahmen der beschriebenen Arbeiten:

Im Sonderforschungsbereich 498 wird die Zusammenarbeit von 20 Berliner Arbeitsgruppen zum Thema der Kofaktoren von Proteinen (etwa Protein gebundene Metallatome) von der Deutschen Forschungsgemeinschaft finanziell unterstützt. Die beschriebenen Arbeiten zur Aufklärung der Wasserspaltung wurden im Rahmen dieses Sonderforschungsbereichs durchgeführt, in dem neben der photosynthetischen Wasserspaltung auch die Funktion von Hydrogenasen ein Forschungsschwerpunkt ist.

Literatur:
M. Haumann, P. Liebisch, C. Müller, M. Barra, M. Grabolle and H. Dau, "Photosynthetic O2 Formation Tracked by Time-Resolved X-ray Experiments", in: Science 2005, Ausgabe vom 11. November 2005

Weitere Informationen erteilt Ihnen gern:
Prof. Dr. Holger Dau, Institut für Experimentalphysik der Freien Universität Berlin, Tel.: 030 / 838-53581 oder 838-56141, E-Mail: holger.dau@physik.fu-berlin.de

Ilka Seer | idw
Weitere Informationen:
http://www.fu-berlin.de

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Live-Verfolgung in der Zelle: Biologische Fussfessel für Proteine
19.06.2018 | Universität Basel

nachricht Tag it EASI - neue Methode zur genauen Proteinbestimmung
19.06.2018 | Max-Planck-Institut für Biochemie

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: Überdosis Calcium

Nanokristalle beeinflussen die Differenzierung von Stammzellen während der Knochenbildung

Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der Universitäten Freiburg und Basel haben einen Hauptschalter für die Regeneration von Knochengewebe identifiziert....

Im Focus: Overdosing on Calcium

Nano crystals impact stem cell fate during bone formation

Scientists from the University of Freiburg and the University of Basel identified a master regulator for bone regeneration. Prasad Shastri, Professor of...

Im Focus: AchemAsia 2019 in Shanghai

Die AchemAsia geht in ihr viertes Jahrzehnt und bricht auf zu neuen Ufern: Das International Expo and Innovation Forum for Sustainable Chemical Production findet vom 21. bis 23. Mai 2019 in Shanghai, China statt. Gleichzeitig erhält die Veranstaltung ein aktuelles Profil: Die elfte Ausgabe fokussiert auf Themen, die für Chinas Prozessindustrie besonders relevant sind, und legt den Schwerpunkt auf Nachhaltigkeit und Innovation.

1989 wurde die AchemAsia als Spin-Off der ACHEMA ins Leben gerufen, um die Bedürfnisse der sich damals noch entwickelnden Iindustrie in China zu erfüllen. Seit...

Im Focus: AchemAsia 2019 will take place in Shanghai

Moving into its fourth decade, AchemAsia is setting out for new horizons: The International Expo and Innovation Forum for Sustainable Chemical Production will take place from 21-23 May 2019 in Shanghai, China. With an updated event profile, the eleventh edition focusses on topics that are especially relevant for the Chinese process industry, putting a strong emphasis on sustainability and innovation.

Founded in 1989 as a spin-off of ACHEMA to cater to the needs of China’s then developing industry, AchemAsia has since grown into a platform where the latest...

Im Focus: Li-Fi erstmals für das industrielle Internet der Dinge getestet

Mit einer Abschlusspräsentation im BMW Werk München wurde das BMBF-geförderte Projekt OWICELLS erfolgreich abgeschlossen. Dabei wurde eine Li-Fi Kommunikation zu einem mobilen Roboter in einer 5x5m² Fertigungszelle demonstriert, der produktionsübliche Vorgänge durchführt (Teile schweißen, umlegen und prüfen). Die robuste, optische Drahtlosübertragung beruht auf räumlicher Diversität, d.h. Daten werden von mehreren LEDs und mehreren Photodioden gleichzeitig gesendet und empfangen. Das System kann Daten mit mehr als 100 Mbit/s und fünf Millisekunden Latenz übertragen.

Moderne Produktionstechniken in der Automobilindustrie müssen flexibler werden, um sich an individuelle Kundenwünsche anpassen zu können. Forscher untersuchen...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Hengstberger-Symposium zur Sternentstehung

19.06.2018 | Veranstaltungen

LymphomKompetenz KOMPAKT: Neues vom EHA2018

19.06.2018 | Veranstaltungen

Simulierter Eingriff am virtuellen Herzen

18.06.2018 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Rätselhaftes IceCube-Ereignis könnte von Tau-Neutrino stammen

19.06.2018 | Physik Astronomie

Automatisierung und Produktionstechnik – Wandlungsfähig – Präzise – Digital

19.06.2018 | Messenachrichten

Überdosis Calcium

19.06.2018 | Medizin Gesundheit

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics