PAPETS

Quantenphysik bietet erstaunliche Einblicke in biologische Prozesse

Kann sich etwas an zwei Orten gleichzeitig befinden? Nach den Gesetzen der Quantenphysik durchaus. Genauer gesagt kann ein Teilchen laut dem Prinzip der "Superposition" gleichzeitig zwei verschiedene Zustände einnehmen.Obwohl dies für den Laien nach Hokuspokus klingen mag, basiert die Superposition auf solider Wissenschaft. Die Forscher des Projekts PAPETS erforschen derzeit dieses und weitere Phänomene an der Schnittstelle zwischen Biologie und Quantenphysik. Ihr Ziel besteht darin, die Rolle der Schwingungsdynamik bei der Photosynthese und unserem Geruchssinn zu ermitteln.

Forscher verstehen Photosynthese und Geruchssinn mithilfe der Quantenphysik.
Forscher verstehen Photosynthese und Geruchssinn mithilfe der Quantenphysik.
Quelle: PAPETS

Effizientere Photosynthese durch "Quantensuperposition"

Quanteneffekte wurden in einem biologischen System, genauer in einem photosynthetischen Komplex, erstmals von Greg Engel und seinen Mitarbeitern im Jahr 2007 in den USA beobachtet. Diese Effekte wurden in verschiedenen Laboratorien bei einer Temperatur von etwa -193 Grad Celsius und später bei Raumtemperatur reproduziert.

"Besonders überraschend und interessant ist, dass diese Quanteneffekte in biologischen Komplexen beobachtet wurden, bei denen es sich um große, feuchte und geräuschvolle Systeme handelt", sagt der Projektkoordinator von PAPETS, Dr. Yasser Omar, Forscher am Instituto de Telecomunicações und Professor an der Universität Lissabon. "Superposition ist fragil, und wir hätten erwartet, dass sie von der Umgebung zerstört wird."

Superposition trägt zu einem effizienteren Energietransport bei. Ein Exziton, ein energietragendes Quanten-Quasiteilchen, kann sich schneller durch den photosynthetischen Komplex bewegen, da es sich in zwei Zuständen gleichzeitig befindet. Wenn es eine Abzweigung erreicht, muss es sich nicht zwischen links und rechts entscheiden. Es kann beide Wege gleichzeitig zurücklegen. "Der Komplex gleicht einem Irrgarten", so Dr. Omar. "Nur eine Tür führt zum Ausgang, doch das Exziton kann beide Wege zur gleichen Zeit auskundschaften. Das ist effizienter."

Dr. Omar und seine Kollegen sind der Ansicht, dass mehrere Faktoren dazu beitragen, dass die Superposition wirken und aufrechterhalten werden kann. Dazu zählt die Schwingungsdynamik der Umgebung, und genau diese soll durch das PAPETS-Projekt genauer verstanden und nutzbar gemacht werden.

Theorie trifft auf Experimente

Die im PAPETS-Projekt untersuchten Theorien werden auch experimentell überprüft, um sie zu validieren und weitere Erkenntnisse zu sammeln. Um beispielsweise den Quantentransport bei der Photosynthese zu erforschen, geben die Forscher kurze Laserimpulse in biologische Systeme ab. Anschließend beobachten sie die Interferenzen im Transportnetzwerk, die eine Signatur wellenförmiger Phänomene darstellen. "Das ist, als ließen Sie Steine in einen See fallen", erklärt Dr. Omar. "Sie können dann beobachten, ob die erzeugten Wellen größer werden oder sich gegenseitig aufheben, wenn sie aufeinandertreffen."

Anwendungen: effizientere Solarzellen und Geruchserkennung

Obwohl es sich bei PAPETS in erster Linie um ein Forschungsprojekt handelt, führt es zu Erkenntnissen, für die sich möglicherweise praktische Anwendungen finden lassen. Die PAPETS-Forscher erlangen ein umfassenderes Verständnis vom Vorgang der Photosynthese, und dies könnte die Konstruktion von Solarzellen mit deutlich höheren Wirkungsgraden ermöglichen.

Die Olfaktion, d.h. die Erkennung und Unterscheidung verschiedener Gerüche, ist ein weiteres vielversprechendes Gebiet. Die Versuche konzentrieren sich auf das Verhalten von Drosophila-Fliegen. Bisher vermuten die Forscher, dass die Tunnelung von Elektronen, die mit den internen Schwingungen eines Moleküls zusammenhängt, eine Signatur von Gerüchen darstellt. Dr. Omar vergleicht diese Tunnelung mit einem Tischtennisball in einer Schüssel, der sich durch die Wand der Schüssel nach außen bewegt.

Diese Forschungsarbeit könnte industrielle Anwendungen für Lebensmittel, Wasser, Kosmetika und Arzneimittel haben. Bessere künstliche Geruchserkennung könnte beispielsweise zum Nachweis von Unreinheiten oder Verschmutzung zum Einsatz kommen. "Im Gegensatz zum Sehen, Hören oder Fühlen ist der Geruchssinn nur schwer mit hoher Leistung künstlich nachzustellen", sagt Dr. Omar.

Das PAPETS-Projekt umfasst 7 Partner und läuft von September 2014 bis August 2016. Die EU beteiligte sich an der Finanzierung mit 1,8 Millionen EUR.

Link zur Projektwebsite


Quelle: PAPETS

13.07.2015

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