Strom aus Kabelbakterien nutzen

Die elektrische Leitfähigkeit bei bestimmten Bakterien, die als Kabelbakterien bekannt sind, bleibt selbst bei extrem niedrigen Temperaturen überraschend hoch. Das deutet darauf hin, dass ihre Art der Elektrizitätsübertragung von quantenmechanischen Effekten beeinflusst wird.

#Einzigartige biologische Leitung

Kabelbakterien sind faszinierende Organismen, die Elektrische Ströme über lange Distanzen leiten können, manchmal bis zu Zentimetern. Das schaffen sie durch eine spezielle Anordnung von Proteinfasern in ihren Zellen. Die Leitfähigkeit dieser Fasern ist bemerkenswert hoch im Vergleich zu anderen biologischen Materialien und bietet spannende Möglichkeiten für neue Technologien in der Bioelektronik. Allerdings ist der genaue Mechanismus, wie diese Bakterien Elektrizität übertragen, noch nicht vollständig verstanden.

Forscher haben detaillierte Experimente bei unterschiedlichen Temperaturen durchgeführt, insbesondere bei sehr niedrigen Temperaturen, um herauszufinden, wie diese Bakterien es schaffen, elektrische Ladungen effizient zu bewegen. Sie fanden heraus, dass der Leitungsprozess auf einer einzigartigen Form des quantenunterstützten Transports beruht, bei dem Ladungen zwischen Orten „hopsen“, was eine erhebliche Verbreitung der Ladungsträger ermöglicht.

#Faserleitfähigkeit

Als sie massen, wie der elektrische Strom bei Raumtemperatur funktioniert, stellten sie fest, dass er einem von der Wärme beeinflussten Muster folgt. Dieses Muster ändert sich jedoch bei niedrigeren Temperaturen, wo es scheint, dass die Ladungsträger nicht auf Wärme angewiesen sind, um sich zu bewegen. Das zeigt, dass quantenmechanische Vibrationen innerhalb der Bakterien eine Rolle bei der Elektrizitätsübertragung spielen.

Typischerweise denken wir in der Biologie, wenn es darum geht, wie elektrische Ladungen sich bewegen, an die Proteinkomplexe in Mitochondrien oder Chloroplasten. Diese Strukturen ermöglichen es Elektronen, zwischen sehr nah beieinanderliegenden Komponenten zu hüpfen. Doch Kabelbakterien können Elektronen über viel grössere Distanzen transportieren. Andere Bakterienarten können auch Elektrizität bewegen, aber nur über vergleichsweise kürzere Distanzen, normalerweise nur ein paar Mikrometer. Kabelbakterien haben das weiterentwickelt und ihre Fähigkeit, Elektrizität zu leiten, auf Zentimeter ausgeweitet.

#Struktur der Kabelbakterien

Innerhalb der Kabelbakterien gibt es ein Netzwerk aus leitfähigen Proteinfasern, das sich über die gesamte Länge der Bakterien erstreckt. Studien zeigen, dass diese Fasern bei Raumtemperatur eine Leitfähigkeit von bis zu 300 S/cm haben können, was viel höher ist als bei vielen organischen Materialien. Diese unglaubliche Leitfähigkeit ermöglichte es Forschern, die Art und Weise zu untersuchen, wie diese Fasern über ein breites Temperaturspektrum Elektrizität leiten.

Um zu verstehen, wie Elektrizität fliesst, schauten die Forscher sich die Fasern genau an und isolierten lange Stränge, um elektrische Tests durchzuführen. Sie fanden heraus, dass die Fasern auf Millimeter-Distanz einheitlich agieren, was die Idee unterstützt, dass sie konstant Elektrizität über längere Strecken leiten können.

#Messung der Leitfähigkeit und Temperatureinfluss

Das Team untersuchte, wie sich der Strom mit Temperatur und der Stärke des elektrischen Felds ändert. Sie richteten Experimente mit verschiedenen Segmenten von Fasern ein, um zu sehen, wie der Strom unter unterschiedlichen Bedingungen variierte. Bei höheren Temperaturen und schwächeren elektrischen Feldern fliesst der Strom sehr geradlinig. Aber wenn die Temperatur sinkt oder das elektrische Feld stärker wird, beginnt der Fluss, sich komplizierter zu verhalten.

Für biologische Materialien ist es normalerweise nicht relevant, zu untersuchen, wie sie bei niedrigen Temperaturen Elektrizität leiten, da dies nicht den realen Bedingungen entspricht. Aber es ist eine hilfreiche Methode, um die Elektronenbewegung in diesen speziellen Bakterien zu verstehen, da die übliche thermische Aktivität, die den Ladungsfluss unterstützt, reduziert ist.

Die meisten bisherigen Studien zur Niedertemperaturleitung konzentrierten sich auf photosynthetische Systeme, die sich von dem unterscheiden, was man bei diesen langen Bakterien sieht. Daten darüber, wie die Temperatur die Leitung in grossen Proteinstrukturen wie denen in Kabelbakterien beeinflusst, fehlten bis jetzt.

#Leitfähige Faserhüllen

Das Team isolierte Faserhüllen von den Kabelbakterien, um deren elektrische Eigenschaften zu untersuchen. Diese Hüllen erhalten die leitfähigen Netzwerkstrukturen der Fasern, während die äusseren Zellschichten entfernt werden. Jede Hülle kann zahlreiche parallele Fasern enthalten, die mit speziellen Bildgebungstechniken gezählt wurden. Durch die Kombination dieser Zahlen mit den Messungen der Durchmesser der Fasern konnten die Forscher berechnen, wie leitfähig diese Fasern tatsächlich sind.

#Beobachtungen bei niedrigen Temperaturen

Die Ergebnisse zeigen, dass die Leitfähigkeit bei niedrigen Temperaturen hoch bleibt und von dem abweicht, was man aufgrund klassischer Theorien erwarten würde. Typischerweise ist thermische Energie notwendig, um die Bewegung von Ladungen zu erleichtern, aber bei Kabelbakterien scheinen andere Faktoren eine Rolle zu spielen.

Dieses Verhalten spiegelt frühere Beobachtungen in photosynthetischen Systemen wider, wo Reaktionen sogar bei sehr niedrigen Temperaturen weitergingen. Diese Erkenntnisse führten dazu, dass Forscher die Theorien über den Elektronentransfer erweiterten, um quantenmechanische Effekte zu berücksichtigen.

#Quantenmechanische Vibrationen

Der Schlüssel zum Verständnis, wie Elektrizität in diesen Bakterien bei niedrigen Temperaturen bewegt wird, liegt im Konzept der quantenmechanischen Vibrationen. Wenn die Temperaturen sinken, hört die regelmässige thermische Bewegung auf, aber die quantenmechanischen Vibrationen bleiben bestehen. Das ermöglicht es den Elektronen, sich auf eine Weise zu bewegen, die klassische Theorien nicht vollständig erklären können.

Das Modellieren des Elektronentransports in eindimensionalen Ketten hilft zu veranschaulichen, wie diese Vibrationen mit dem Transportprozess interagieren. In diesen Bakterien beeinflussen die Vibrationen, wie Ladungen von einem Ort zum anderen entlang der leitfähigen Fasern hüpfen.

#Leitfähigkeits-Skalierung bei niedrigen Temperaturen

Als die Forscher weiterhin die experimentellen Daten analysierten, fanden sie heraus, dass sich die Leitfähigkeit bei niedrigen Temperaturen vorhersehbar verhält. Sie scheint von der Stärke des elektrischen Feldes sowie von der Temperatur abzuhängen. Ein interessanter Aspekt ihrer Ergebnisse ist, dass sie die gesammelten Daten aus verschiedenen Segmenten in ein gemeinsames Skalierungsverhalten gruppieren konnten. Das deutet auf ein universelles Muster in der Funktionsweise der Leitfähigkeit unter variierenden Bedingungen hin.

#Mehrstufiger Hopping-Mechanismus

Die wichtigste Erkenntnis aus der Untersuchung der Kabelbakterien ist, dass ihre Methode, Elektrizität zu übertragen, nicht typisch ist. Anstatt sich direkt von einem Ort zum anderen zu bewegen, durchlaufen die Ladungen mehrstufige Hops. Das ermöglicht ihnen, längere Distanzen zurückzulegen, was im Vergleich zu bekannten Methoden des Elektronentransports in anderen biologischen Systemen ungewöhnlich ist.

Interessanterweise enthalten Kabelbakterien nicht die üblichen eisen- oder kupferbasierten Cofaktoren, die den Elektronentransfer in ähnlichen Systemen unterstützen. Stattdessen scheint ein anderer Mechanismus mit einem Nickel-Schwefel-Cofaktor in Zusammenhang zu stehen, der nicht häufig mit elektrischer Leitfähigkeit in biologischen Materialien assoziiert wird.

#Vergleich mit anderen Systemen

Beim Vergleich des Elektronentransports in Kabelbakterien mit anderen biologischen Systemen fanden die Forscher bemerkenswerte Unterschiede, insbesondere in Bezug auf die Reorganisationsenergie – die Energie, die benötigt wird, um molekulare Strukturen während des Elektronentransfers neu anzuordnen. Die niedrigere Reorganisationsenergie in Kabelbakterien trägt zu ihrer hohen Leitfähigkeit bei. In vielen anderen Systemen ist diese Energie viel höher, was normalerweise zu stärker lokalisierten Ladungszuständen führt, die die Leitfähigkeit behindern können.

#Fazit

Zu verstehen, wie Kabelbakterien Elektrizität leiten, hat wichtige Auswirkungen sowohl auf die Biologie als auch auf die Technologie. Diese Erkenntnisse stellen die aktuellen Modelle des biologischen Elektronentransports in Frage und deuten darauf hin, dass die Mechanismen in verschiedenen Systemen stark variieren können. Die aussergewöhnliche Fähigkeit der Kabelbakterien, Elektrizität über lange Distanzen zu leiten, während sie einzigartige molekulare Strukturen nutzen, eröffnet Möglichkeiten für deren Verwendung in zukünftigen elektronischen Anwendungen und biomimetischen Designs.

Die Ergebnisse ebnen den Weg für weitere Forschung in Bezug auf die Vielzahl biologischer Materialien, die ähnliche Eigenschaften aufweisen können, sowie die zugrundeliegenden Prinzipien, die eine solche Leitfähigkeit ermöglichen. Das Erkunden dieser natürlichen Systeme könnte zu innovativen Lösungen für die Energieübertragung und -speicherung in verschiedenen technologischen Anwendungen führen.