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Lichternte: Geschwindigkeit von Pflanzen durch weite Wege begrenzt

Univ.-Prof. Renger
Univ.-Prof. Renger
Ein Forscherteam mit JKU-Beteiligung hat gemessen, was die Geschwindigkeit der Lichternte von Pflanzen begrenzt.

Jener Schritt, in dem die Lichtenergie zu dem Ort transportiert wird, wo die erste chemische Umwandlung passiert, so die Forscher im Fachmagazin „Nature Communications“. Pflanzen sammeln in der Photosynthese Energie und bauen damit chemisch Speicherstoffe wie Zucker auf.

Thomas Renger vom Institut für Theoretische Physik der Johannes Kepler Universität hat die Modellberechnungen bereits vor acht Jahren angestellt. In einem Team um Jasper van Thor vom Imperial College in London (England) half er nun mit, sie in Experimenten zu bestätigen.

Lichtsammlung mittels Antennen
Die Lichtenergie wird in Pflanzen von sogenannten Photosystemen aufgenommen. Jede dieser natürlichen Solarzellen enthält ein Reaktionszentrum, das von „Lichtsammelantennen“ umringt ist. In diesen Antennen absorbieren Hunderte Chlorophyll-Pigmente Licht und transportieren seine Energie von einem Pigment zum nächsten ins Reaktionszentrum, erklärt Renger. Innerhalb der Antenne sind die Abstände zwischen den Pigmenten klein, doch der Abstand zu jenen im Reaktionszentrum ist verhältnismäßig groß. Von daher sei es verständlich, dass der letzte Schritt des Licht-Einfangens – der Energietransfer von der Antenne in das Reaktionszentrum – nicht der rascheste sein kann.

Früher habe man geglaubt, dass die Vorgänge im Reaktionszentrum die Lichtsammlung zeitlich limitieren. An diesem Ort werden Wassermolekülen Elektronen entzogen, um sie in Sauerstoff und Wasserstoff zu spalten. Das ist der erste chemische Schritt in dem Prozess, bei dem stabile, energiegeladene Speicherstoffe entstehen.

Die Forscher haben die Chlorophyll-Pigmente mit polarisiertem Licht im sichtbaren Bereich angeregt und einen Augenblick später mit ebenfalls polarisiertem Infrarot-Licht gemessen, wie schnell der Energietransfer von den Lichtsammelantennen ins Reaktionszentrum vonstattenging: Es brauchte etwa 50 Pikosekunden (Billionstelsekunden), so wie Rengers Rechnungen vorhersagten. „Hätte das ursprüngliche Modell gegolten, das die Ladungstrennung im Reaktionszentrum für den zeitlichen Verlauf des Lichteinfangs verantwortlich macht, wäre der Energietransfer etwa 50-mal schneller passiert“, so der Forscher.

Durch die Studie verstehe man nun besser, wie die Natur den Prozess perfektioniert hat. Das sei nötig, will man ihre Bauprinzipien kopieren und mit künstlicher Photosynthese effizient Sonnenenergie gewinnen, betonen die Forscher.

[Tobias Prietzel]