Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Quantenmechanik trifft auf Biologie

12.12.2016

VolkswagenStiftung fördert Tübinger Projekt: „A Quantum Beat for Life” untersucht, ob lebende Organismen quantenmechanische Effekte zur Photosynthese nutzen

Pflanzen und viele Bakterien wandeln bei der Photosynthese Licht in chemische Energie um. Der Wirkungsgrad der ersten Schritte der Energiewandlung kann dabei mehr als 99 Prozent erreichen und ist selbst leistungsstärksten Solarzellen weit überlegen.


Cyanobakterium im Fabry-Pérot Mikroresonator

Weißlicht (oben, bestehend aus vielen Wellenlängen) trifft auf einen „Mikroresonator“ aus zwei Silberspiegeln mit wenigen Mikrometern Abstand, die ein starkes optisches Feld aufbauen. Wird ein Cyanobakterium (Mitte) diesem ausgesetzt, könnten die lichtsammelnden Photosynthese-Komplexe des Bakteriums (Vergrößerung, links) "gleichgeschaltet" bzw. „verschränkt“ werden. Eventuelle Änderungen in der photosynthetischen Effizienz, werden über ein Mikroskopobjektiv (unten, nicht maßstabsgetreu) erfasst und untersucht.

Meixner / Universität Tübingen

Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der Universität Tübingen wollen mit einem neuartigen Ansatz klären, ob derartige Bakterien und damit auch Blätter quantenmechanische Effekte nutzen, um derart effizient arbeiten zu können. Die VolkswagenStiftung fördert das interdisziplinäre Projekt „A Quantum Beat for Life“ mit 100.000 Euro.

Professor Alfred Meixner vom Institut für Physikalische und Theoretische Chemie und Professor Klaus Harter vom Zentrum für Molekularbiologie der Pflanzen werden eine quantenoptische Technik einsetzen, um erstmals in einem lebenden Cyanobakterium (Blaualgen) quantenmechanische Effekte in der Photosynthese zu beobachten oder auszulösen. Cyanobakterien und Pflanzen arbeiten bei der Photosynthese mit sogenannten Lichtsammelkomplexen, einer Ansammlung von Proteinstrukturen mit hochstrukturiert angeordneten Farbpigmenten.

Schon länger vermuten Wissenschaftler, dass die enorme Energieeffizienz von Bakterien und Blättern darauf beruht, dass sich die rund 10.000 Farbpigmente der Lichtsammelkomplexe nach quantenmechanischen Prinzipien „verschränken“ und zusammenarbeiten, ähnlich wie die Musiker in einem Orchester.

Bisher wurden Quantenphänomene nur in isolierten Photosynthesekomplexen und bei extrem tiefen Temperaturen beobachtet. „Ob derartige Quantenphänomene auch in lebenden Zellen unter üblichen Umweltbedingungen auftreten und dies dem Organismus Vorteile bringt, ist nicht geklärt“, sagt Klaus Harter. Alfred Meixner erklärt den physikalischen Ansatz:

„Wir untersuchen einzelne Cyanobakterien in einem so genannten optischen Fabry-Pérot Mikroresonator.“ Der Fabry-Pérot Mikroresonator besteht aus zwei parallelen Silberspiegeln im Abstand von nur wenigen Mikrometern.

Diese sollen nun in den Cyanobakterien einen quantenmechanischen Effekt erzeugen: Indem sie das von den einzelnen Farbpigmenten ausgesendete Licht wieder in das Bakterium zurückwerfen, entsteht eine Rückkopplung, was dazu führen könnte, dass die Pigmente nicht mehr unabhängig sondern gemeinsam agieren. Ein ähnliches Prinzip wird bereits heute bei Lasern eingesetzt: durch Rückkopplung werden einzelne Moleküle dazu gezwungen, ihre Anregungsenergie im Takt einer Lichtwelle auszusenden und diese so zu verstärken.

„Bei den winzigen Dimensionen unseres Resonators wird die Rückkopplung sehr effizient, so dass dafür sehr wenige, vielleicht schon einzelne Photonen ausreichen“, erklärt Meixner. „Auf diese Weise wollen wir versuchen, die Anregungszustände der Pigmente im Cyanobakterium zu manipulieren, ihr Zusammenwirken herbeizuführen und aufrechtzuerhalten.“

Gelänge dies, wäre es das erste Mal, dass ein sogenanntes „ausgedehntes Quantenverhalten“ ‒ nicht nur einzelne Moleküle, sondern eine große Anzahl verschränkt sich quantenmechanisch ‒ in einem lebenden Organismus (in vivo) nachgewiesen werden konnte. Für die Biologie wäre dies von großer Bedeutung, wie Klaus Harter sagt. „Treten solche Effekte tatsächlich auf, sind sie für den Organismus jedoch nur dann von Vorteil, wenn damit die Leistungsfähigkeit seiner Photosynthese erhöht wird.

Eine gesteigerte Effizienz müsste sich anhand einer Erhöhung der photosynthetischen Produkte nachweisen lassen, die dem Cyanobakterium wiederum zu einem besseren Wachstum verhelfen. Gelingt dieser Nachweis, stehen wir vor einem wissenschaftlichen Durchbruch auf dem Gebiet der Quantenbiologie.“ Mit ihrer Förderinitiative „Experiment!“ unterstützt die Volkswagenstiftung innovative Forschungsideen, die unkonventionelle Hypothesen in den Blick nehmen oder neue Methoden und Technologien etablieren wollen.

Ein Erfolg würde Vermutungen unterstützen, dass möglicherweise weitere biologische Phänomene, darunter der Magnetsinn von Zugvögeln, der Geruchsinn von Tier und Mensch sowie manche enzymatische Prozesse, auf quantenmechanischen Prinzipien beruhen. Zudem hätte der Nachweis ausgedehnten Quantenverhaltens in einem lebenden Organismus weitreichende Konsequenzen für das Verständnis des Lebens an sich: Es würde bedeuten, dass die Grundlagen der Evolution nicht nur auf den Gesetzen der klassischen Mechanik und Thermodynamik beruhen, sondern auch tief in die Quantenphysik reichen.

Antje Karbe | idw - Informationsdienst Wissenschaft
Weitere Informationen:
http://www.uni-tuebingen.de/

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Biomarker besser nachweisen: Bremer Forscher entwickeln neue Methode mit Mikrokapseln
14.08.2018 | Jacobs University Bremen gGmbH

nachricht Grönland: Tiefe des Schmelzwassereintrags beeinflusst Planktonblüte
14.08.2018 | GEOMAR Helmholtz-Zentrum für Ozeanforschung Kiel

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: Neue interaktive Software: Maschinelles Lernen macht Autodesigns aerodynamischer

Neue Software verwendet erstmals maschinelles Lernen um Strömungsfelder um interaktiv designbare 3D-Objekte zu berechnen. Methode wird auf der renommierten SIGGRAPH-Konferenz vorgestellt

Wollen Ingenieure oder Designer die aerodynamischen Eigenschaften eines neu gestalteten Autos, eines Flugzeugs oder anderer Objekte testen, lassen sie den...

Im Focus: New interactive machine learning tool makes car designs more aerodynamic

Scientists develop first tool to use machine learning methods to compute flow around interactively designable 3D objects. Tool will be presented at this year’s prestigious SIGGRAPH conference.

When engineers or designers want to test the aerodynamic properties of the newly designed shape of a car, airplane, or other object, they would normally model...

Im Focus: Der Roboter als „Tankwart“: TU Graz entwickelt robotergesteuertes Schnellladesystem für E-Fahrzeuge

Eine Weltneuheit präsentieren Forschende der TU Graz gemeinsam mit Industriepartnern: Den Prototypen eines robotergesteuerten CCS-Schnellladesystems für Elektrofahrzeuge, das erstmals auch das serielle Laden von Fahrzeugen in unterschiedlichen Parkpositionen ermöglicht.

Für elektrisch angetriebene Fahrzeuge werden weltweit hohe Wachstumsraten prognostiziert: 2025, so die Prognosen, wird es jährlich bereits 25 Millionen...

Im Focus: Robots as 'pump attendants': TU Graz develops robot-controlled rapid charging system for e-vehicles

Researchers from TU Graz and their industry partners have unveiled a world first: the prototype of a robot-controlled, high-speed combined charging system (CCS) for electric vehicles that enables series charging of cars in various parking positions.

Global demand for electric vehicles is forecast to rise sharply: by 2025, the number of new vehicle registrations is expected to reach 25 million per year....

Im Focus: Der „TRiC” bei der Aktinfaltung

Damit Proteine ihre Aufgaben in Zellen wahrnehmen können, müssen sie richtig gefaltet sein. Molekulare Assistenten, sogenannte Chaperone, unterstützen Proteine dabei, sich in ihre funktionsfähige, dreidimensionale Struktur zu falten. Während die meisten Proteine sich bis zu einem bestimmten Grad ohne Hilfe falten können, haben Forscher am Max-Planck-Institut für Biochemie nun gezeigt, dass Aktin komplett von den Chaperonen abhängig ist. Aktin ist das am häufigsten vorkommende Protein in höher entwickelten Zellen. Das Chaperon TRiC wendet einen bislang noch nicht beschriebenen Mechanismus für die Proteinfaltung an. Die Studie wurde im Fachfachjournal Cell publiziert.

Bei Aktin handelt es sich um das am häufigsten vorkommende Protein in höher entwickelten Zellen, das bei Prozessen wie Zellstabilisation, Zellteilung und...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Das Architekturmodell in Zeiten der Digitalen Transformation

14.08.2018 | Veranstaltungen

EEA-ESEM Konferenz findet an der Uni Köln statt

13.08.2018 | Veranstaltungen

Digitalisierung in der chemischen Industrie

09.08.2018 | Veranstaltungen

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

Kleine Helfer bei der Zellreinigung

14.08.2018 | Biowissenschaften Chemie

Neue Oberflächeneigenschaften für holzbasierte Werkstoffe

14.08.2018 | Materialwissenschaften

Fraunhofer IPT unterstützt Zweitplatzierten bei SpaceX-Wettbewerb

14.08.2018 | Förderungen Preise

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