Die Zukunft der Quantenbiologie – Anita Kristiansen

Eine im „Journal of the Royal Society Interface“ veröffentlichte Übersichtsarbeit bietet einen Ausblick auf die Gegenwart und Zukunft der Quantenbiologie.

Quelle: The future of quantum biology | Royal Society

Die Quantenbiologie ist die Anwendung der Quantentheorie auf Aspekte der Biologie, die durch die klassischen Gesetze der Physik nicht genau beschrieben werden können. Wir sprachen mit zwei der Autoren, Dr. Tjaart Krüger und Professor Rienk van Grondelle, über dieses Gebiet.

Was ist Quantenbiologie?

Die Quantenbiologie ist ein Forschungsgebiet, das sich mit Prozessen in lebenden Organismen befasst, die mit den klassischen Gesetzen der Physik nicht genau beschrieben werden können. Das bedeutet, dass die Quantentheorie angewandt werden muss, um diese Prozesse zu verstehen.

Alle Materie, auch lebende Materie, unterliegt den Gesetzen der Physik. In der Biologie und bei biologischen Prozessen geht es oft um Elektronen und Protonen, die ständig zwischen verschiedenen Teilen einer Zelle oder eines makromolekularen Systems übertragen werden. Diese Übertragungsprozesse können nur stattfinden, wenn das System mit seiner Umgebung Energie in Form von molekularen Schwingungen und Phononen austauscht. Ein solches System wird als „offenes Quantensystem“ bezeichnet, für das besondere physikalische Gesetze gelten.

Gute Beispiele für biologische Prozesse, bei denen Quanteneffekte sichtbar sind, sind der Transport von Elektronen und Protonen bei der Photosynthese, der Atmung, dem Sehen, der Katalyse, dem Geruchssinn und bei praktisch jedem anderen biologischen Transportprozess. Weitere Beispiele sind die Übertragung von elektronischer und/oder Schwingungsenergie sowie Magnetfeldeffekte bei der Elektronenübertragung und beim Vogelzug.

Die Quanteneffekte manifestieren sich als Langstreckeneffekte (wie beim Elektronen- und Protonentunneln) mit einer charakteristischen Temperaturabhängigkeit, Magnetfeldeffekten, der Beteiligung von Überlagerungszuständen (oder delokalisierten Zuständen), Resonanzeffekten und so weiter. Ziel der Quantenbiologie ist es, ein konsistentes offenes Quantensystemmodell zu entwickeln, das all diese Phänomene erklärt.

Warum ist die Quantenbiologie ein wichtiges Gebiet?

Elektronen, Protonen, Anregungen, chemische Bindungen und elektronische Ladungen sind per Definition Quanten, und das Verständnis ihrer Dynamik erfordert Quantenmechanik. Darüber hinaus bestimmen diese grundlegenden Einheiten weitgehend die Eigenschaften der nächsten Organisationsebene in biologischen Systemen – die der biomolekularen Komplexe, deren Interaktion untereinander und mit ihrer Umgebung ohne Berücksichtigung der Gesetze der Quantenbiologie oft nicht genau beschrieben werden kann.

Darüber hinaus spielt in der Biologie die Umwelt oft eine wesentliche Rolle für das Ergebnis eines biomolekularen Prozesses. Die Photosynthese und das Sehen sind zwei herausragende Beispiele dafür. Um die Biologie und die erstaunliche Selektivität biologischer Prozesse wirklich zu verstehen, brauchen wir also die Quantenbiologie.

Darüber hinaus kann die Quantenbiologie potenziell enorme Auswirkungen auf zahlreiche Technologien haben, darunter Sensorik, Gesundheit, Umwelt und Informationstechnologien. So könnten beispielsweise Energietechnologien durch bioinspirierte Solarzellen revolutioniert werden, und chemische, magnetische und biologische Sensortechnologien könnten durch die Anwendung der in natürlichen Äquivalenten gefundenen Prinzipien auf ein neues Niveau gehoben werden.

Wie haben Sie beide Ihr Interesse an diesem Gebiet geweckt?

Prof. van Grondelle: Durch mein Studium des Energie- und Elektronentransfers in der Photosynthese. Dabei handelt es sich um ultraschnelle Prozesse, die auf einer Zeitskala von 10-13-10-11 s ablaufen, die ich mit ultrakurzen Laserpulsen untersucht habe; und schon seit vielen Jahren konnten Zusammenhänge und delokalisierte Zustände beobachtet werden.

Erst vor etwa einem Jahrzehnt wurde mir klar, dass es quantenmechanischer Modelle bedarf, um die beobachteten Phänomene zu verstehen und ihren großen Erfolg zu erklären.

Dr. Krüger: Ich bin mit der Vorstellung aufgewachsen, dass die physikalischen und biologischen Wissenschaften zwei getrennte Wissenschaftsbereiche sind, bis ich während meines Studiums erkannte, dass die Gesetze der Physik das Verhalten jeder Art von Materie, einschließlich der belebten Materie, untermauern.

Wie wichtig die Quantenmechanik für das Verständnis der grundlegenden Prozesse des Lebens ist, wurde mir während meiner Doktorarbeit unter der Leitung von Rienk van Grondelle klar. Es war erstaunlich zu entdecken, auf wie vielen Ebenen die Quantenmechanik ein wesentlicher Bestandteil des Prozesses der Photosynthese und damit des gesamten Lebens ist.

Was ist das Ziel dieser Headline Review?

Im Dezember 2014 haben wir einen Workshop organisiert, um über die Quantenbiologie zu diskutieren und darüber, wohin uns das Forschungsfeld möglicherweise führen könnte. Die Hälfte der etwa 25 Teilnehmer waren etablierte Wissenschaftler, die sich auf die eine oder andere Weise ernsthaft mit Quanteneffekten in biologischen Systemen befasst haben, während die andere Hälfte Studenten und Postdocs der beteiligten Forschungsgruppen waren.

Drei Tage lang diskutierten wir intensiv über Quanteneffekte in der Biologie in Form von Vorträgen, Diskussionen, Fragen der Studenten und persönlichen Gesprächen. Schließlich wurde beschlossen, dass wir einen Übersichtsartikel über die „Zukunft der Quantenbiologie“ schreiben würden.

Der Hauptentwurf des Artikels sollte von den teilnehmenden Studenten verfasst werden, und in einer späteren Phase sollten sich auch die erfahreneren Wissenschaftler beteiligen. Ziel war es, ein Manuskript zu verfassen, das den gegenwärtigen Stand der Quantenbiologie und unsere Vorstellungen von ihrer künftigen Entwicklung klar umreißt.

In einer Übersicht wie dieser ist es unmöglich, alle Aspekte des riesigen Bereichs der Quantenbiologie zu behandeln. Wir haben uns daher entschlossen, Themen auszuwählen, von denen wir glauben, dass sie nach heutigem Kenntnisstand die stärksten Beweise für nichttriviale Quanteneffekte in der Biologie liefern, Themen, auf die sich die aktuellen Debatten in diesem Bereich konzentrieren, und Themen, die technologisches Potenzial aufweisen.

Was ist die Zukunft der Quantenbiologie?

Die Wissenschaftler werden zunehmend erkennen, dass Leben und Lebensprozesse eng mit der Physik offener Quantensysteme verbunden sind.

Ohne die Gesetze der Quantenmechanik können wir das Leben und die Lebensprozesse nicht verstehen. Die Herausforderung besteht darin, zu verstehen, wie in einer feuchten und verrauschten Umgebung (wie einem Protein, einer Membran, einer Zelle und einem ganzen Organismus) die „perfekten“ Gesetze der Quantenphysik überleben.

In naher Zukunft wird es neue Experimente geben, die beispielsweise die Auswirkungen starker Magnetfelder, die Analyse einzelner Moleküle/Systeme und die kohärente Mikroskopie im Femtosekundenbereich untersuchen werden. Eine Herausforderung besteht darin, zu verstehen, wie Quanteneffekte, die auf einer bestimmten Ebene der funktionalen Beschreibung eindeutig vorhanden sind, in Beobachtungen auf einer höheren Komplexitätsebene umgesetzt werden.

Es werden neue Systeme untersucht werden, wie z. B. Neuronen, neuronale Netze und vielleicht das gesamte Gehirn. Wir werden eine engere Verbindung zwischen unserem weiteren Verständnis des Lebens und unserem Verständnis der Quanteninformatik, des Quantencomputers, der künstlichen Intelligenz und verschiedener anderer Technologien sehen.