(Kateryna Kon/Science Photo Library/Getty Images) Sauerstoff ist für Tiere wie uns Leben. Doch bei vielen Mikrobenarten besteht schon beim kleinsten Hauch des hochreaktiven Elements die Gefahr, dass die empfindliche chemische Maschinerie verrostet.
Das photosynthetisierende Bakterium Chlorobium warm hat eine clevere Methode entwickelt, um seine Lichtsammelprozesse vor den giftigen Auswirkungen von Sauerstoff zu schützen, indem es einen Quanteneffekt nutzt, um seine Energieproduktionslinie auf einen niedrigen Gang zu bringen.
Eine von Wissenschaftlern der University of Chicago und der Washington University in St. Louis durchgeführte Studie hat gezeigt, wie das Bakterium seiner Quantenresonanz einen Strich durch die Rechnung macht, um sein System so zu „abstimmen“, dass es in Gegenwart von Sauerstoff Energie verliert und so eine Zerstörung verhindert sein Photosyntheseapparat.
Unsere alltägliche Erfahrung der festen Realität scheint Millionen Meilen von der Phantomlandschaft der Quanteneffekte entfernt zu sein, in der die Natur eines Objekts nur ein Schleier der Möglichkeit ist, bis eine Beobachtung sie an ihrem Platz festhält.
Die Teilchen, aus denen unsere Atome und Moleküle bestehen, sind keine festen Kugeln, die zusammenklicken, sondern sie schwingen mit Möglichkeiten mit und weigern sich, sich niederzulassen, bis die Würfel des Zufalls hoch genug gestapelt sind, dass eine bestimmte Reaktion unvermeidlich wird.
Obwohl so viel klar ist, bleibt die Frage offen, wie oft etwas so Komplexes wie ein lebendes System die feineren Eigenschaften der Quantenmechanik im Namen des Überlebens aktiv ausnutzt.
„Vor dieser Studie sah die wissenschaftliche Gemeinschaft Quantensignaturen, die in biologischen Systemen erzeugt wurden, und stellte die Frage: Waren diese Ergebnisse nur eine Folge des Aufbaus der Biologie aus Molekülen, oder hatten sie einen Zweck?“ erklärt Greg Engel, Chemiker von der University of Chicago.
Seit einiger Zeit häufen sich Hinweise darauf, dass Quanteneffekte in lebende Systeme integriert werden können.
Eine aktuelle Studie zeigten, wie Änderungen in einem Magnetfeld den Spin eines Elektrons in lichtempfindlichen Proteinen, sogenannten Kryptochromen, beeinflussen, ein Phänomen, das erklären könnte, wie manche Tiere die Magnetosphäre unseres Planeten erkennen können.
Allerdings ist es eine Sache, einen subtilen Anstoß des Quanteneinflusses in einer Sinnesreaktion zu erkennen. Es ist etwas ganz anderes, es als Kern des Überlebens eines Organismus zu beobachten.
„Dies ist das erste Mal, dass die Biologie Quanteneffekte aktiv nutzt“, sagt Engel.
Als streng anaerobes Bakterium C. warm ist nicht scharf darauf, dass Sauerstoff durch seine Eingeweide strömt. Was in unseren Zellen für die Freisetzung von Energie aus Glukose nützlich ist, zerstört den Apparat zur Umwandlung von Licht in chemische Bindungen innerhalb der Mikrobe.
Der Schlüssel zu dieser Kette transformativer Reaktionen ist eine Ansammlung von Proteinen und Pigmenten namens Fenna-Matthews-Olson (FMO)-Komplex . Es fungiert als Vermittler zwischen den Lichtsammelkomponenten des Systems und der Fabrikhalle, wo Energie in Chemie umgewandelt wird.
Es war zunächst gedacht auf die sich FMO verlässt Quantenkohärenz um seine Arbeit zu erledigen, indem es die wellenartige Natur von Teilchen anpasst, um die Übertragung von Elektronen effizient zu erleichtern.
Spätere Studien erzwangen ein Umdenken über die Rolle dieses rein quantenmechanischen Phänomens im FMO-Betrieb. Ich behaupte das, wenn überhaupt , Quantenkohärenz könnte tatsächlich den gesamten Prozess verlangsamen.
Bei dieser neuesten Untersuchung der Quantenkohärenz innerhalb von FMO berücksichtigen Forscher die Auswirkungen, die Sauerstoff auf das gesamte System haben könnte.
Mithilfe einer ultraschnellen Laserspektroskopietechnik zur Erfassung von Details der Aktivität des Komplexes zeigte das Team, wie die Anwesenheit von Sauerstoff die Art und Weise verändern kann, wie Energie von den lichtsammelnden Komponenten in die Reaktion „gelenkt“ wird Center .
Sie fanden heraus, dass ein Paar Cysteinmoleküle im Zentrum des Vorgangs standen und als Auslöser fungierten, indem sie jedes Mal ein Proton freisetzten, wenn sie mit zufällig vorhandenem Sauerstoff reagierten.
Dieses verlorene Proton wirkte sich direkt auf die Quantenmechanismen innerhalb des FMO-Komplexes aus und leitete effektiv Energie von Bereichen weg, die sonst einer Oxidation ausgesetzt wären.
Dies bedeutet zwar, dass dem Bakterium vorübergehend Energie entzogen wird, die Quantenunterbrechung zwingt die Zelle jedoch dazu, den Atem anzuhalten, bis sie von den toxischen Auswirkungen des Sauerstoffs befreit ist.
„Die Einfachheit des Mechanismus lässt vermuten, dass er auch in anderen photosynthetischen Organismen in der gesamten Evolutionslandschaft zu finden ist.“ sagt Hauptautor Jake Higgins, ein Doktorand an der Der Fachbereich Chemie der University of Chicago.
„Wenn mehr Organismen in der Lage sind, quantenmechanische Kopplungen in ihren Molekülen dynamisch zu modulieren, um größere Veränderungen in der Physiologie hervorzurufen, könnte es eine ganze Reihe neuer Effekte geben, die von der Natur ausgewählt wurden und von denen wir noch nichts wissen.“
Es könnte eine ganze Welt der Quantenbiologie geben, die nur darauf wartet, entdeckt zu werden.
Diese Forschung wurde veröffentlicht in PNAS .