Auf der Jagd nach Pflanzenpower

von David Catchpoole
übersetzt von Paul Mathis

veröffentlicht am 25 September 2012 (GMT+10)

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Lange bevor „Öko-Strom“ so eine bedeutende Rolle hatte wie heute, bemühten sich Wissenschaftler schon das Verfahren der Pflanzen nachzubilden, wie sie Sonnenlicht in Energie umwandeln. Die Photosynthese wandelt in den Blättern Kohlendioxid (CO₂) und Wasser (H₂O) in Sauerstoff und Kohlenhydrate wie z. B. Glukose um. Der Wirkungsgrad der Energieübertragung von ca. 97 % wird von Ingenieuren beneidet, die sich um die Entwicklung der solaren Energiegewinnung durch „künstlichen Photosynthese“ – bemühen.

(Künstliche Photosynthese unterscheidet sich von der Photovoltaik. Diese Methode wird in herkömmlichen Solarzellen verwendet. Sie erzeugt elektrischen Strom, der nicht so einfach gespeichert werden kann. Er muss in das Stromnetz eingespeist werden.)

Die Vorteile solcher pflanzenähnlicher Energiegewinnungsanlagen liegen für die Forscher auf der Hand: „Die Herstellung von Wasserstoff allein aus Wasser und Sonnenlicht bietet eine reichlich vorhandene, erneuerbare, ökologische Energiequelle für die Zukunft“, schwärmte Tom Mallouk, Professor für Chemie und Physik an der Pennsylvania State University.¹

Allerdings liegt noch ein langer Weg vor uns. Tatsächlich ist die Chemie des hochkomplexen und effizienten photosynthetischen Systems der Natur noch nicht einmal vollständig verstanden, geschweige denn nachgebaut! Wir haben regelmäßig über neue Entdeckungen der letzten Jahre im Hinblick auf das brillante Design des photosynthetischen Apparats der Pflanzen und der damit verbundenen Strukturen berichtet. So verfügen Pflanzen beispielsweise über einen „Dimmerschalter“,² der sehr empfindlich auf Änderungen der Lichtverhältnisse reagiert, und die Pflanzen „wissen“ auch, bei welchen Bedingungen sie „Sonnencreme“ auftragen müssen.³

Eine der größten Hürden ist das Geheimnis, wie es Pflanzen gelingt, das Wassermolekül in Wasserstoff und Sauerstoff zu zerlegen, ohne sich dabei selbst zu zerstören. (Denken wir nur an die Hindenburg-Katastrophe von 1937, bei der ein Zeppelin Feuer fing und das Wasserstoffgas zu Wasser verbrannte. Um Wasser aufzuspalten, muss ihm genau diese Energiemenge wieder zugeführt werden.) Das gab auch ein Artikel im New Scientist aus dem Jahr 1999 zu verstehen, der über einen kleinen Durchbruch der Chemiker Gary Brudvig und Robert Crabtree von der Yale University berichtete:

„Der Sauerstoff wird durch die Spaltung von Wassermolekülen freigesetzt, was im Labor eine solche Reaktivität erfordert, dass es jedes lebende System auseinander reißen würde. Wie also schaffen das die Pflanzen, wenn sie dazu nur die Energie der Sonne nutzen?“

„Versuchen wir das Wasser in einem einzigen Schritt zu zerlegen, brauchen wir dazu eine riesige Menge an Energie. Um die Aufgabe beispielsweise allein mit Wärme zu erledigen, müsste man die Temperatur des Wassers um Tausende von Grad erhöhen – also mehr als genug, um eine Geranie zu verdampfen.“⁴

Aber natürlich sehen wir keine Geranien oder andere Grünpflanzen explodieren. Offensichtlich haben Pflanzen einen Mechanismus, der Wasser bei normalen Temperaturen in Wasserstoff und Sauerstoff aufspalten kann. Zur Verteidigung der Ehre Brudvigs und Crabtrees: es gelang ihnen, ein künstliches System zu bauen, das Sauerstoff produzieren konnte. Da sie jedoch nicht herausgefunden hatten, wie man dafür Lichtenergie nutzt, verwendeten Brudvig und Crabtree stattdessen die chemische Energie von starken Bleichmitteln. Doch selbst dann konnte ihr System nur 100 O₂-Moleküle produzieren, bevor es sich zerstörte. Gary Brudvig gab zu:

„Das ist einer der Nachteile des künstlichen Systems. Es kann sich nicht immer wieder selbst regenerieren.“³

Wie viel wissen wir also darüber, wie Pflanzen es anpacken? Hier ist ein kurzer Auszug aus einem früheren Artikel⁵ unseres in physikalischer Chemie promovierten Dr. Jonathan Sarfati:

Geniale Lösung

Es stellt sich heraus, dass es in den Blättern eine spezielle Baugruppe namens Photosystem II gibt (so benannt, weil sie als zweite entdeckt wurde). Ein Photon trifft darauf, und es wird zu einer Chlorophyll-Art namens P680 geleitet. Dort schlägt es ein Elektron aus einem Atom heraus. Dieses energiereiche Elektron hilft schließlich, Zucker aus CO₂ herzustellen. Aber dann muss das P680 das verlorene Elektron wieder ausgleichen. Das ist ein großes Problem für die künstliche Photosynthese – Chemiker konnten bisher kein System entwickeln, das die von den Photonen herausgeschlagenen Elektronen wieder ersetzt. Ohne diesen Mechanismus würde die Photosynthese schnell wieder zum Erliegen kommen. Wie also werden die Elektronen ersetzt?

Wenn Sie ein an Chemie interessierter Leser sind, der die nachfolgende technische Erklärung von Dr. Sarfati weiterlesen möchten, klicken Sie auf Grüner Strom (Photosynthese). Wir haben jetzt einen Überblick über einige der Schwierigkeiten gewonnen, die bei dem Ziel der künstlichen Photosynthese auftreten. Nun ist es sehr aufschlussreich, sich von Julian Eaton-Rye, einem Forscher auf diesem Gebiet, über den aktuellen Stand der Forschung informieren zu lassen. Die ABC-Wissenschaftsmoderatorin Robyn Williams stellte ihn in einem Interview in der Radiosendung The Science Show folgendermaßen vor:⁶

Robyn Williams: Menschen auf der ganzen Welt sind auf der Suche nach alternativen Energiequellen. Professor Julian Eaton-Rye ist Biochemiker an der University of Otago in Dunedin in Neuseeland und interessiert sich für die Nutzung der Photosynthese zur Energieerzeugung, Energie aus Wasserstoff. Er arbeitet am Photosystem II.

Williams und Eaton-Rye beginnen dann ihre Diskussion darüber, wie das Photosystem II verwendet wird, um Wassermoleküle aufzubrechen. Nachfolgend einige Auszüge des sich daran anschließenden Dialogs, nachdem Williams erwähnt hat, dass der Prozess „normalerweise bei Raumtemperaturen stattfindet“.

Julian Eaton-Rye: Das tut er, und ich schätze, der Trick von Photosystem II besteht darin, Wassermoleküle bei Umgebungstemperaturen aufzubrechen, während wir ansonsten Wasser auf 2.000 °C erhitzen müssen. D. h. wir bringen es nicht zum Sieden: es ist ja nicht Dampf, was wir haben wollen, sondern wir wollen das Wasser in seine Bestandteile zerlegen.

Robyn Williams: Wenn Sie also keinen elektrischen Strom verwenden, um Wasser einfach in Wasserstoff und Sauerstoff zu zerlegen, dann sind 2.000 °C schon eine extrem hohe Temperatur, nicht wahr?

Julian Eaton-Rye: Ja, so ist es. Ich schätze, das ist wahrscheinlich gut für uns. Denn es bedeutet auch, dass Wasser sehr stabil ist – wir brauchen ja viel davound haben auch sehr viel davon.

Robyn Williams: Und wir explodieren nicht.

Julian Eaton-Rye: Richtig, ganz genau.

Wir stimmen zu. Wasser ist eine erstaunliche Substanz, genau richtig für das Leben. Weil es so designt ist.⁷ Weder Williams noch Eaton-Rye erkennen jedoch ein solches von einem Designer entworfenes Design an – stattdessen huldigen beide der Evolution. Wie der folgende kurze Dialog zeigt, in dem Begriffe wie „Notwendiges“, „Reparatur“, „Design“, „Empfindliches“, „Effizienz“ und „reibungsloses Arbeiten“ verwendeten werden, ist es offensichtlich, dass Williams und Eaton-Rye fest daran glauben, dass „es die Evolution hervorgebracht hat“:

Robyn Williams: Und das Geheimnis besteht also in einem Enzym? Oder in mehreren?

Julian Eaton-Rye: Das Geheimnis ist ein metallisches Zentrum, das aus Mangan und Kalzium besteht: vier Manganatome und ein Kalziumatom. Sie sind in einer Struktur und in einer Proteinumgebung angeordnet, die sie in einer bestimmten Konfiguration halten. Das ermöglicht es dem Ganzen, als Katalysator für diese Reaktion zu wirken. Und eine der größten Herausforderungen besteht darin, diese Struktur so zu verstehen, dass sie nachgebaut werden kann. Damit wir Geräte bauen können, die Wasser aufspalten. Wir haben ja über die Elektronen und den Sauerstoff gesprochen, aber natürlich gibt es auch noch Protonen. Diese Protonen können zu Wasserstoff werden, und Wasserstoff ist ein Kraftstoff.

Robyn Williams: Wasserstoff zu haben wäre wunderbar. Aber das Großartige an diesen Enzymen ist, dass sie nach der Reaktion immer noch da sind. Das ist doch toll, oder?

Julian Eaton-Rye: Ja, das ist es. Beim Photosystem II gibt es aber noch einen kleinen Kniff. Denn diese Maschine arbeitet am Limit, denn es ist eine ganze Menge Energie aus dem absorbierten Licht im Spiel. Während durch diese Energie das Wasser gespalten wird, entstehen nämlich auch Schäden an der eigentlichen Proteinkonstruktion. Die sind notwendig, damit alles so an seinem Platz bleibt, dass es funktioniert. Organismen mit diesem Enzym haben daher mittels Evolution ein System entwickelt, mit dem das Photosystem II ständig repariert und die Reaktion dadurch aufrecht erhalten wird. Photosystem II ist daher ein interessantes Beispiel dafür, wie man eine sich selbst reparierende chemische Maschine entwerfen könnte, die diese Reaktion in einem synthetischen Betrieb aufrechterhalten würde.

Robyn Williams: Wir haben also hier eine sehr empfindliche Maschine, die leicht ausfallen kann. Mit anderen Worten, das Enzym kann kaputt gehen. Und Sie suchen nach einer Möglichkeit, ihre Kenntnisse zu nutzen und den Prozess am Laufen zu halten …ausgehend vom Enzym oder etwas anderem, so dass das ganze Ding nicht schon nach zwei Sekunden wieder kaputt ist.

Julian Eaton-Rye: Das Enzym selbst geht nicht kaputt. Ich denke aber, dass der Erfolg der Maschinerie in ihrer effizienten Selbstreparatur liegt. Sie repariert sich selbst dermaßen effizient, dass das Enzym weiterhin reibungslos funktioniert. Deshalb ist der Mechanismus äußerst faszinierend. Wenn wir ihn in biomimetischen Verfahren reproduzieren könnten, könnten wir Wasseroxidationsplatten auf unseren Dächern betreiben, die dann – angestrahlt vom Licht – Wasserstoff und Elektronen als Energiequelle liefern könnten.

Die Vorstellung, dass ein so komplexes System wie Photosystem II (ganz zu schweigen vom Rest der Pflanze, die sich viele Male reproduzieren kann) ohne intelligenten Design-Einsatz entstanden wäre, ist sicherlich bizarr. Kein Wunder, dass es in Römer 1,20 heißt: die Menschen sind „ohne Entschuldigung“, wenn sie „Es gibt keinen Gott“ sagen (Psalm 14,1; 53,2).

Sind Julian Eaton-Rye und andere Forscher auf der ganzen Welt der Möglichkeit, die Photosynthese zu kopieren, näher als vor zehn Jahren?

Julian Eaton-Rye: Das ist jetzt vielleicht ein bisschen Zukunftsmusik, aber das Verständnis der Chemie zur Wasserspaltung hat gerade in den letzten 12 Monaten einen großen Durchbruch erfahren: einer Forschergruppe in Japan ist eine wichtige Analyse der Röntgenkristallstruktur des Photosystems gelungen. Und es gibt viele Menschen auf der ganzen Welt, die an dem sogenannten Mangan-Projekt arbeiten. Unser eigenes Labor arbeitet an der Proteinumgebung, die dieses Mangansystem umgibt, und an den Polypeptiden, die notwendig sind, um das Photosystem kontinuierlich zu erneuern. Ich denke, dass die Zukunft vielversprechend aussieht. Die Biochemie ist sehr interessant, und wir hoffen, dass in den nächsten fünf bis zehn Jahren… vielleicht tatsächlich nur fünf, die echte Chemie der Reaktion verstanden sein wird. Ein vernünftiges Ziel ist es daher, sie nachhaltig zu reproduzieren.

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Wenn es dem Menschen eines Tages gelingt, das zu kopieren, was Pflanzen können (sog. „Re-Engineering“, d. h. ein Nachbau dessen, was bereits existiert, Anm. d. Übers.), wird es nicht das Ergebnis von Zeit- und Zufallsprozessen gewesen sein, sondern intelligentes Design, und die Forscher werden zweifellos der Ehre würdig sein, die ihnen zuteil werden wird. Wie viel mehr Ehre gebührt also dem überaus intelligenten Designer, der die Pflanzen überhaupt erst entworfen hat?!

Als Robyn Williams Julian Eaton-Rye nach dem möglichen Nutzen fragte, falls die Erforschung der chemischen Funktionsweise von Photosystem II und anderer Aspekte der Photosynthese erfolgreich sein sollte, antwortete Eaton-Rye:

Julian Eaton-Rye: Der Nutzen ist offensichtlich: Wenn man Wasserstoff tatsächlich aus Wasser gewinnen könnte, hätte man viele, viele Probleme im Zusammenhang mit Umweltverschmutzung und nachhaltiger Energieversorgung gelöst. Es gäbe keine Verschmutzung durch die Verwendung von Wasser als Kraftstoff. In diesem Sinne wäre es also eine sehr schöne Möglichkeit, die wir nutzen könnten.

Der Mensch auf der Jagd nach „Pflanzenpower“: nachhaltige Energiegewinnung aus Wasser und Sonne mit dem zusätzlichen Vorteil, dass keine Verschmutzung durch die Verwendung von Wasser als Kraftstoff entsteht!

Klingt nach einer genialen Idee. Ich frage mich, wer zuerst daran gedacht hat?