Weltweit stärkster Röntgenlaser 10.07.2014, 14:21 Uhr

Laserblitze ermöglichen den ersten Film über den Moment der Photosynthese

Was passiert eigentlich im Blatt, genau in dem Moment, wenn dank Photosynthese aus Wasser und CO2 vor allem der für unser Überleben so wichtige Sauerstoff entsteht? Diesen Moment hat noch nie ein Mensch gesehen – bis vor kurzem. Jetzt ist es einem internationalen Forscherteam gelungen, mithilfe von Laserblitzen erstmals die Billiardstel Sekunde schnelle Spaltung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff sichtbar zu machen. Sie nutzten dafür den stärksten Röntgenlaser der Welt.

Der weltweit stärkste Röntgenlaser steht im US-Beschleunigerzentrum SLAC in Phoenix im US-Bundesstaat Arizona. Er hat es erstmals möglich gemacht, Photosyntheseprozesse zu beobachten. 

Der weltweit stärkste Röntgenlaser steht im US-Beschleunigerzentrum SLAC in Phoenix im US-Bundesstaat Arizona. Er hat es erstmals möglich gemacht, Photosyntheseprozesse zu beobachten. 

Foto: SLAC Laboratory

„Dies ist die erste Szene eines molekularen Films, der die lichtgesteuerte Spaltung von Wasser im Photosystem II zeigt und damit jenen Prozess, der sämtlichen Sauerstoff in der Atmosphäre erzeugt“, erklärt Teamleiterin Petra Fromme von der Arizona State University. Um die Photosynthese zu beobachten, nutzten die Forscher unter Beteiligung des Deutschen Elektronen-Synchrotron DESY in Hamburg den weltweit stärksten Röntgenlaser am US-Beschleunigerzentrum SLAC in Phoenix. Mit Hilfe ultrakurzer Laserblitze schossen sie Standbilder von einem Molekülkomplex namens Photosystem II – ein zentraler Schritt innerhalb der Photosynthese. Aneinandergesetzt ergeben die Bilder einen Film, der zeigt, wie innerhalb von Billiardstel Sekunden Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff gespalten wird.

Tieferes Verständnis der Photosynthese für bessere Solarzellen 

Bei der Photosynthese produzieren Pflanzen aus Wasser und Kohlendioxid mit Hilfe von Sonnenlicht Glucose und Sauerstoff. Das Photosystem II spaltet unter Einfluss von Sonnenlicht Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff. Dieser Prozess liefert den Sauerstoff in der Erdatmosphäre. „Ein tieferes Verständnis der Photosynthese könnte beispielsweise der Entwicklung besserer Solarzellen dienen und vielleicht die Suche nach dem ‚Heiligen Gral‘ der Biochemie, der künstlichen Photosynthese, voranbringen“, erläutert DESY-Forscher Henry Chapman.

Steuerungszentrum des Röntgenlasers: Die Wissenschaftler schossen Standbilder des Molekülkomplexes Photosystem II. 

Steuerungszentrum des Röntgenlasers: Die Wissenschaftler schossen Standbilder des Molekülkomplexes Photosystem II. 

Foto: SLAC Laboratory

„Wir wissen, dass der Prozess der Wasserspaltung in vier Schritte unterteilt ist. Aber bislang hat niemand diese vier Schritte wirklich gesehen“, sagt Chapman. Für ihre Untersuchung züchteten die Forscher winzige Nanokristalle des Photosystems II von Blaualgen, die Photosynthese betreiben. Diese Kristalle beleuchteten sie mit einem Laser im Wellenlängenbereich des sichtbaren Lichts, um die Wasserspaltung zu starten, die sonst von Sonnenlicht angetrieben wird.

Röntgenlaser erzeugt intensive Blitze 

Mit den kurzen und intensiven Blitzen des SLAC-Röntgenlasers beobachteten die Forscher, wie sich die molekulare Struktur des Photosystems II veränderte. „Die deutliche Formänderung, die wir beobachten konnten, hat uns überrascht“, sagt Fromme. „Sie ist so stark, dass sie zu einer Änderung der gesamten Struktur führt, sogar die Ausmaße der sogenannten Einheitszelle, der kleinsten Baueinheit eines Kristalls, ändern sich.“

Neu ist aber nicht nur das Ergebnis der Forschungen. „Die Technik, die wir benutzt haben, hat sehr großes Potenzial – nicht nur für die Photosynthese, sondern für die Untersuchung von Katalyse allgemein“, betont Fromme. „Wenn man alle Stufen einer katalytischen Reaktion beobachten kann, ist man in der Lage, sie zu optimieren.“

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