Quantenbiologie neu betrachtet

Achtzehn führende Wissenschaftler*innen aus 16 Forschungseinrichtungen zeigen in einem Review in Science Advances, dass Inter-Exziton-Kohärenzen zu kurzlebig sind, um von funktioneller Bedeutung für den photosynthetischen Energietransport zu sein. Die Autoren deuten stattdessen auf impulsiv angeregte Schwingungen hin.

3. April 2020

Die Entstehung und Entwicklung der Photosynthese spielte eine Schlüsselrolle in der Genese des Lebens auf der Erde vor etwa vier Milliarden Jahren. Da dieser Prozess so alt ist, wie das Leben selbst, sollte er einer der evolutionär am meisten optimierten biologischen Abläufe in der Natur sein. Egal, welche Ebene der Photosynthese man betrachtet: Ihre Prozesse sind so hoch entwickelt, dass die Umwandlung der Sonnenenergie in Sauerstoff, Kohlenhydrate und gespeicherte Energie, also den ‚Stoff des Lebens‘, vollständig optimiert ist.

Diese Optimierung findet auf der molekularen Ebene statt, der Domäne der Quantenmechanik. Auf jeder Ebene dieser Optimierung entdeckt man die Spuren der Quanteneffekte, die genutzt wurden, um die Aufnahme der Photonen – den quantisierten Energieteilen – und den lebenspendenden Energietransportprozess effizient zu steuern. In dieser Hinsicht muss der Energietransport in der Photosynthese als einer der höchstoptimierten Prozesse unter den Lebewesen gelten.

Die Quantenmechanik behandelt explizit die Welleneigenschaften der Materie, so dass sowohl die Weite also auch die Phase der Schwingungen in die Beschreibung eines Systems einfließen. In der Beschreibung der Dynamik der Materie ist das Phasenkonzept der grundlegendste Unterschied zwischen der Quanten- und der klassischen Mechanik. Die relative Phasenbeziehung der wechselwirkenden Quantensysteme erzeugt konstruktive und destruktive Interferenzeffekte. Diese wiederum bewirken aus einer mit der Quantenmechanik verbundenen Distanz ‚spukhafte‘ Aktionen.

Ist es möglich, dass die Natur diese Prozesse so optimiert hat, dass sie selbst die Phasen der ihnen zugrunde liegenden Wellen ausnutzt? Wenn ja, könnte man erwarten, dass es Beweise für konservierte Phasenbeziehungen oder Kohärenz gibt, die mindestens lange genug anhalten, um diese biologischen Abläufe zu steuern. Mit dieser Frage befasst sich die Forschung seit den Anfängen der Quantenmechanik. Der beste Ort, um nach solchen Beweisen zu suchen, wären die schnellsten und am besten optimierten biologischen Prozesse, um Dekohärenzeffekte oder den Verlust von Phaseninformation in der Systemantwort, nämlich dem Energietransportprozess der Photosynthese, zu überwinden.

Illustration der Anregungsenergieübertragung im FMO-Protein von grünen Schwefelbakterien. Die acht Bakteriochlorophyllpigmente der monomeren Untereinheit des trimeren FMO-Proteins sind wie dargestellt orientiert. Die Anregungsenergie tritt oben von der Grundplatte ein und wird unten auf den Reaktionszentrumskomplex übertragen. Der Anregungsgrad der Pigmente ist farbig dargestellt (hellgrün - hoch, dunkel - keine Anregung).

 

Angesichts der Bedeutung dieses Problems wurde die Photosynthese in den letzten drei Jahrzehnten mit einer Vielfalt theoretischer und experimenteller Methoden umfassend untersucht. Der Energietransfer und die Bewegungen von Untergruppen der Chlorphyllmolekülen untereinander, bis zum Erreichen des Reaktionszentrums, wurde so vollständig entschlüsselt.

Die Übertragung von einem Absorptionsort auf einen anderen findet auf Zeitskalen von hundert Femtosekunden (10-13s) statt, während der gesamte Energietransfer zum Reaktionszentrum einige Pikosekunden (10-12s) andauert - mit anderen Worten: Extrem schnell, aber nicht so schnell wie die Dekohärenz der Welleneigenschaften dieses Prozesses. Der Energietransport wird innerhalb eines sogenannten Exzitonenbildes betrachtet, in dem die anfänglich durch die Absorption eines Photons erzeugte Anregung teilweise über die verschiedenen Chlorophyllstellen delokalisiert ist.

Aufgrund der theoretischen und indirekten Experimente wurde erwartet, dass diese Kohärenz in der Phasenbeziehung zwischen den Chlorophyllstandorten durch die zufällige Temperaturschwankung schnell verloren gehen würde. In diesem Fall ähnelt der Anregungstransfer einer Reihe zusammenhangloser Sprünge, die als Wahrscheinlichkeit beim Übergang von einem kollektiven Exzitonenzustand in einen anderen, energetisch abwärts laufenden, angegeben werden. Dieser Transportablauf erinnert an einen betrunkenen Seemann, der bergab stolpert. Dieses Bild wurde jahrelang herangezogen, um die Effizienz des Energietransfers zu erklären.

Mit der Einführung der Femtosekunden-2D-Photonenechomethoden oder der 2D-Spektroskopie wurde es möglich, die elektronischen Kopplungen zwischen Chlorophyllen oder der Exzitonbasis zu beobachten – genau die Wechselwirkung, die die Wahrscheinlichkeit für die Sprungzeiten angibt. Diese Eigenschaft zeigt sich in den nicht diagonalen Merkmalen der 2D-Spektren, die den Spin-Kopplungen in der 2D kernmagnetischen Resonanzspektroskopie ähneln. Da diese nicht diagonalen Merkmale mit der Differenzfrequenz der gekoppelten Zustände schlagen, solange die Kohärenz erhalten bleibt, konnten wir direkte Messungen der Kopplungen und Kohärenzzeiten vornehmen. 

Im Jahr 2007 berichtete Nature über die Anwendung der 2D-Spektroskopie auf den Fenna-Matthews-Olsen (FMO)-Antennenkomplex. Überraschenderweise wurden langlebige Schwingungen in den nicht diagonalen Teilen der 2D-Spektren beobachtet, jenen Komponenten, die typischerweise an den elektronischen Kopplungen des Energietransports beteiligt sind. Diese Arbeit und viele weitere Artikel begründeten diese kleinen Amplitudenschwingungen oder Quantenschläge, die in diesem und anderen Systemen beobachtet wurden, mit der konservierten Quantenkohärenz in der Kopplung zwischen Chlorphyllen.

Es wurde behauptet, dass die Natur Quantenphasenbeziehungen ausnutze, um Energie kohärent und wellenartig zum Reaktionszentrum zu transportieren. Wäre dies der Fall, hätte die Natur entdeckt, wie sie das thermische Rauschen ausgleichen könnte, um die Phase zu erhalten und die Energie kohärent zum Zielort zu leiten, ohne die unkorrelierten thermischen Bewegungen zu stören. Die Idee, dass es möglich sei, zerbrechliche Quantenkohärenzen in einer nassen, komplizierten, verrauschten Umgebung innerhalb photosynthetischer Lichtsammelkomplexe zu erhalten, gewonn Tragweite.

Wenn diese Beobachtung zuträfe, dann gäbe es neue Mittel zur Vermeidung von Quantendekohärenz-Effekten, welche das Quantencomputing, die Übertragung von Quanteninformation usw. einschränken. Viele weitere Experimente und Theorien schienen diesen Gedanken zu unterstützen und schlugen neue Mechanismen zur Erhaltung der Quantenkohärenz vor. Das Feld explodierte regelrecht.

Unter Forschern entstand eine Begeisterung, dass wir gerade begannen, von der Natur zu lernen, wie man Dekohärenz selbst bei Raumtemperatur in verrauschten Umgebungen überwinden kann, um Quanteneffekte vollständig zu kontrollieren. Das Problem ist, dass die ursprüngliche Vermutung falsch war. Angesichts der Bedeutung der Photosynthese soll dieser jetzt in Science Advances veröffentlichte Bericht die Wissenschaft richtigstellen.

In diesem Artikel, der von 18 führenden Forschern aus 16 Institutionen in zehn Ländern (unter ihnen das MPSD und der Hamburger Exzellenzcluster CUI : Advanced Imaging of Matter) verfasst wurde, werden neuere Arbeiten diskutiert, die diese Behauptungen erneut untersuchen, und es wird gezeigt, dass Inter-Exziton-Kohärenzen zu kurzlebig sind, um eine funktionelle Bedeutung bei der photosynthetischen Energieübertragung zu haben.

Stattdessen wird eindeutig gezeigt, dass die beobachteten langlebigen Kohärenzen auf impulsiv angeregte Schwingungen zurückzuführen sind, was in den ersten Veröffentlichungen, die dieses Interesse weckten, nicht berücksichtigt wurde. Das Auftreten von Schwingungskohärenzen mit kleiner Amplitude wird im Allgemeinen in der Femtosekunden-Spektroskopie beobachtet und muss in die Analyse einbezogen werden.

Diese Übersichtsarbeit bietet eine Anleitung zur Interpretation von 2D-Spektren und zur Trennung von elektronischen und Schwingungsbeiträgen zum Spektrum, so dass Leser*innen außerhalb des Bereichs die für kohärente Effekte und deren Ursprung gegebenen Hinweise kritisch bewerten können. Die Rezension hebt auch die wesentlichen Verbesserungen der theoretischen und experimentellen Methoden hervor, die zu einem tieferen Verständnis der System-Bad-Wechselwirkungen geführt haben, die für die Dekohärenz und Dissipation in biologischen Systemen verantwortlich sind.

Die Kernbotschaft ist diese: Die Natur konstruiert nicht das Bad, um Dekohärenz gegenüber direkten Funktionen zu vermeiden; ein solcher Ansatz wäre sicherlich nicht robust gegenüber Lärm oder zufälligen Phasenänderungen. Anstatt zu versuchen, Dissipationsprozesse oder molekulare Reibung zu vermeiden, die zu einer Quantendekohärenz führen, nutzt die Natur diese gezielt aus, indem sie die Standort-Energien von Chlorophyllen so gestaltet, dass ein bergab führender Energiepfad zum direkten Energietransport geschaffen wird.

Es ist klar, dass bergab verlaufende Relaxationsprozesse genutzt werden, um biologische Funktionen auf anderen Ebenen lebender Systeme entropisch anzutreiben. Dieser Überblick weist darauf hin, dass dieses Prinzip sogar für die Energieübertragungsprozesse der Photosynthese gilt, die auf schnellstmöglichen Zeitskalen ablaufen. Die grundlegende Physik hinter der Thermalisierung wird genutzt, um eine Richtung vorzugeben.

Mit den Worten von R. J. Dwayne Miller, dem Direktor der Abteilung Atomar Aufgelöster Dynamik am MPSD: "Dieses einfache Konzept, das von der Natur über alle relevanten Zeit- und Raumdimensionen beherrscht wird und nicht von esoterischen Quanteneffekten, ist das wahre Wunder der Biologie".

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