Was ultrakurze Lichtblitze und Vögel gemeinsam haben

Chemische Vorgänge bestimmen unser Leben. Die elementaren Prozesse, die zur Bildung neuer Moleküle führen, finden auf einer unvorstellbar kurzen Zeitskala statt. Gemessen wird in Femtosekunden. Eine Femtosekunde ist der millionste Teil einer milliardstel Sekunde. Teure Laseranlagen, wie sie in den Laboren Prof. Maternys an der Constructor University stehen, sind in der Lage, Lichtblitze mit einer Dauer von wenigen Femtosekunden zu erzeugen.

Die elementaren Schritte einer chemischen Reaktion, wie z. B. das Brechen einer Bindung zwischen den atomaren Bestandteilen eines Moleküls, können nun mit einem einzelnen Lichtpuls gestartet und mit einem zweiten, dazu zeitverzögerten Puls abgefragt werden. Während man so Reaktionsschritte verfolgen kann, ist eine gezielte Beeinflussung des Reaktionsablaufs mit einem einzelnen Anregungspuls nicht möglich. Hier kann man aber von der Natur lernen. Viele Tiere kommunizieren mit Hilfe von Lauten. Bei Menschen hat sich hier das Werkzeug der Sprache zu einem sehr differenzierten Werkzeug entwickelt, mit Menschen anderen Mitteilungen machen können, die dann zu bestimmten Handlungen führen. Auch Vögel verständigen sich über ihr Zwitschern. Voraussetzung ist natürlich, dass die Partner die gleiche Sprache sprechen. Betrachtet man das Zwitschern der Vögel oder auch die Sprache der Menschen, so erkennt man, dass es sich hierbei um eine Abfolge verschiedener Tonhöhen oder Schallfrequenzen handelt, deren Lautstärke und Reihenfolge entscheidend ist.

Moleküle können mit Licht wechselwirken. Hierbei ist ebenfalls die Frequenz der Lichtwellen entscheidend, d. h. also die verschiedenen Farben des Lichtes. Bei der richtigen zeitlichen Abfolge dieser Lichtkomponenten auf der extrem kurzen Zeitskala, auf der die molekularen Prozesse ablaufen, kann auch den Molekülen eine Information so zugespielt werden, dass eine chemische Reaktion in eine bestimmte Richtung gelenkt wird – man verwendet also zwitschernde Lichtpulse.

Leider versteht man die Sprache der Moleküle nicht ausreichend. Aus diesem Grund verwenden die Forscher der Constructor University einen Ansatz, den sie der Evolution des Lebens abgeschaut haben. Den Molekülen wird eine Anzahl von willkürlich erzeugten „Lichtworten“ übermittelt und die chemische Reaktion wird als Antwort des Moleküls ausgewertet. Die zwitschernden Lichtpulse, die das günstigste Ergebnis geliefert haben, werden beibehalten („The Survival of the Fittest“). Aus den anderen Pulsen werden durch Kreuzungen oder Mutationen neue Lichtworte geschaffen. Zudem werden auch völlig neue Pulsformen kreiert. Mit diesem neuen Wortschatz wird wiederum ein Test mit den Molekülen durchgeführt. Dieser Vorgang wird so lange wiederholt, bis die gewünschte Antwort erfolgt, also der Puls korrekt zwitschert.

Auch wenn natürlich im Detail große Unterschiede zwischen dem Zwitschern der Vögel und der Kontrolle chemischer Reaktionen mit optimal geformten Lichtpulsen bestehen, empfanden die Wissenschaftler die Parallelitäten so bedeutend, dass auch in der Fachsprache sich der Begriff „zwitschernde Pulse“ (englisch „chirped pulses“) eingebürgert hat.