Quantenbiologie: Die unscharfe Verbindung zwischen Quantenmechanik und lebenden Dingen – Dr. Arturo Robertazzi
Wenn man es genau nimmt, sind alle Lebewesen, einschließlich der Menschen, nur Anregungen der Quantenfelder. Daher die Quantenbiologie.
Hier ist die Geschichte, wie mir heute etwas klar wurde: Ein Teil meiner wissenschaftlichen Arbeit überschneidet sich mit dem aufkommenden Gebiet der Quantenbiologie. Ich bezeichnete meine akademische Forschungslinie als Quantenchemie, angewandt auf Systeme von biologischer Relevanz – eine wissenschaftliche Reise zur Untersuchung biologischer Systeme durch die Linse der Quantenchemie. In meinem früheren Leben als aktiver akademischer Forscher bin ich tief in die Materie eingetaucht und habe mit Hilfe von Ab-Initio-Berechnungen und darüber hinaus metallbasierte Anti-Krebs-Wirkstoffe wie Cisplatin und NAMI-A erforscht oder untersucht, wie die Metallbindung die strukturellen Eigenschaften der DNA beeinflusst. Nicht zu vergessen sind die Stunden, die ich mit Katalysatoren verbracht habe, die natürlich vorkommende Enzyme nachahmen, und mit dem Photosystem II, dem ersten Proteinkomplex, der an den lichtabhängigen Reaktionen der Photosynthese beteiligt ist.
Genug mit der Angeberei. Lange Rede, kurzer Sinn: Mir wurde klar, dass ein Teil meiner Arbeit in den Bereich der Quantenbiologie fällt. Also habe ich mir die folgende Frage gestellt:
Was ist Quantenbiologie?
Denken Sie einmal kurz darüber nach: Das Universum selbst unterliegt den Gesetzen der Quantenmechanik und ist voller Teilchen, die sich auf eine Weise verhalten, die unserer gewöhnlichen Intuition widerspricht. Ich spreche von Elektronen und Quarks (vergessen wir für einen Moment die dunkle Energie und die dunkle Materie), die wie kleine Wellen in den zugrundeliegenden Quantenfeldern sind, die das Gewebe der Realität ausmachen. Und diese Teilchen wiederum bilden die Atome und Moleküle – die Bausteine allen Lebens auf der Erde, uns zumindest eingeschlossen.
Wenn man es genau nimmt, sind wir Menschen – zusammen mit Pflanzen, Bakterien und allen anderen Lebewesen – letztlich vielleicht nur ein Phänomen, das aus den Anregungen der Quantenfelder entsteht. Das ist ein provokanter Gedanke, aber er könnte bedeuten, dass die Prinzipien der Quantenmechanik in unseren Körpern und möglicherweise in unseren Gehirnen am Werk sind und alles von unserem Verhalten bis hin zu unserer eigenen Existenz beeinflussen.
Objekte in unserer Alltagswelt – Menschen, Planeten, Welpen – bestehen aus Atomen und Molekülen. Atome und Moleküle wiederum bestehen aus Elementarteilchen, die über eine Reihe von Grundkräften miteinander in Wechselwirkung stehen. Und diese Teilchen und Kräfte werden durch die Prinzipien der Quantenfeldtheorie genau beschrieben.
Sean M. Carroll 2021
Vereinfacht ausgedrückt, ist die Quantenbiologie die Untersuchung, wie sich Quantenmechanik und theoretische Chemie mit der schleimigen und wunderbaren Welt der Biologie überschneiden. Viele Aspekte der Biologie lassen sich mit der klassischen Physik allein nicht erklären, so dass wir uns den kontraintuitiven Regeln der Quantenmechanik zuwenden müssen, um sie zu verstehen.
Von der Art und Weise, wie Energie in biologischen Prozessen umgewandelt wird, bis hin zum Transfer von Elektronen und Protonen bei der Photosynthese und der Zellatmung, gibt es immer mehr Beweise dafür, dass die Quantenmechanik die Funktionsweise von Lebewesen beeinflusst.
Der Einfluss nicht-trivialer Quantenphänomene auf biologische Prozesse ist ein komplexes und immer noch spekulatives Forschungsgebiet, dessen Erforschung jedoch absolut faszinierend ist. Im Kern geht es bei der Quantenbiologie darum, die Geheimnisse des Lebens zu entschlüsseln und zu versuchen, die physikalischen Grundlagen zu verstehen, die dem Ganzen zugrunde liegen.
Sind Sie also bereit, mit mir ein paar Beispiele aus der Quantenbiologie zu erforschen?
Los geht’s.
Photosynthese und Superposition
Die Photosynthese ist ein Paradebeispiel dafür, wie Quanteneffekte in der biologischen Welt zum Tragen kommen. Proteinkomplexe in photosynthetischen Organismen absorbieren die Sonnenenergie und leiten sie in Form von elektronischer Anregung an das Reaktionszentrum weiter, wo sie für biochemische Reaktionen genutzt wird. Und die Effizienz dieses Prozesses? Sie übertrifft alle Erwartungen und liegt in der Regel bei über 90 %.
Was also ist das Geheimnis hinter dieser bemerkenswerten Effizienz? Die ultraschnelle Dynamik angeregter Zustände, einschließlich Energieübertragung und Ladungstrennung. Und die Quantenüberlagerung und die Kohärenzdynamik machen dies alles möglich.
Jüngste experimentelle Entwicklungen unterstützen dies, indem sie exzitonische Kohärenzeffekte in photosynthetischen Komplexen sowohl bei niedrigen als auch bei Umgebungstemperaturen nachweisen.
Tierische Navigationssysteme und Quantenverschränkung
Es hat sich herausgestellt, dass zahlreiche Organismen, von Insekten bis zu Fischen, das Magnetfeld der Erde spüren können, um sich zu orientieren. Es ist verblüffend, wenn man darüber nachdenkt. Stellen Sie sich vor, Sie könnten, genau wie Brieftauben, schwache magnetische Anomalien erkennen.
Wie würde sich das anfühlen? Wie würde es riechen? Und wie vollbringen diese Lebewesen diesen Zauber?
Eine mögliche Erklärung dafür, wie Organismen das Magnetfeld der Erde wahrnehmen, ist eine durch Licht ausgelöste chemische Reaktion , die in einem Cryptochrom-Photorezeptor stattfindet. Diese Reaktion beinhaltet Radikalpaare und kann durch Änderungen der Magnetfeldausrichtung beeinflusst werden. Dieser Mechanismus beruht auf der Vorstellung, dass biologische Systeme Leitern elektronischer Zustände enthalten , die zur Wahrnehmung externer Reize genutzt werden können. Die relativen Energien von Singulett- und Triplett-Zuständen können dann zur Wahrnehmung von Magnetfeldern genutzt werden.
Es wird angenommen, dass die Quantenverschränkung ein Schlüsselfaktor für diese Fähigkeit ist.
Zelluläre Prozesse und Quanten-Tunnelung
Wussten Sie, dass der protonengekoppelte Elektronentransfer, der die gleichzeitige Übertragung eines Protons und eines Elektrons aus verschiedenen chemischen Gruppen beinhaltet, ein entscheidender Mechanismus für verschiedene biologische Funktionen ist?
Diese nuklearen Quanteneffekte stellen eine besondere Art von Quantenphänomenen dar, die in biologischen Systemen beobachtet werden. In Enzymen, die diese Prozesse nutzen, können Quanteneffekte dank der durch die Nullpunktenergie induzierten Energieverschiebung und des Wasserstofftunnelns erheblich zu den katalytischen Raten beitragen. Vielleicht überraschenderweise können Protonentransfers und Quanteneffekte DNA-Mutationen und damit die biologische Evolution vorantreiben.
Der Ursprung der Quantenbiologie: Erwin Schrödingers Was ist Leben?
Die Quantenbiologie ist ein relativ junges Gebiet, das erst in den letzten Jahrzehnten an Bedeutung gewonnen hat. Die Möglichkeit, dass die Quantenmechanik in biologischen Systemen eine Rolle spielen könnte, ist jedoch ein Konzept, das die Wissenschaftler schon seit über einem Jahrhundert vor Rätsel stellt.
Alles begann mit den Pionieren, die den Weg für die heutige Erforschung dieser Idee ebneten.
Einer der großen Akteure in diesem Spiel, Erwin Schrödinger, schrieb etwa 20 Jahre nach seiner berühmten Gleichung mit What is Life? ein Buch, das noch immer als der Ursprung der Quantenbiologie gilt.
Die Giganten, die Schrödinger inspirierten
Niels Bohr, ein weiterer einflussreicher Gigant und einer der Väter der Kopenhagener Deutung, hatte seinerzeit Zweifel an der Verwendung der Quantenmechanik zur Erklärung biologischer Prozesse. Trotz seiner anfänglichen Skepsis ließ er sich eines Besseren belehren und sprach 1932 auf dem Internationalen Kongress für Lichttherapie über das Konzept der Komplementarität – das bekannte (und große) Thema des Welle-Teilchen-Dualismus, demzufolge Quanteneinheiten sowohl wellenförmiges als auch teilchenförmiges Verhalten zeigen. Für Niels Bohr ging dieses Konzept jedoch über die Quantenmechanik hinaus, da er argumentierte, dass es eine analoge Komplementarität zwischen der Funktionalität des Lebens und unserer Fähigkeit, es zu verstehen, gibt.
Diese Idee inspirierte Max Delbrück, einen jungen deutschen Physiker, der Bohrs Forschungsgruppe in Kopenhagen besuchte und sich für Biophysik und Molekularbiologie begeisterte.
Delbrück war 1935 Mitverfasser einer Arbeit, die schließlich den Ausgangspunkt für Erwin Schrödingers Was ist Leben? lieferte.
Unglaublich kleine Gruppen von Atomen, die viel zu klein sind, um exakte statistische Gesetze zu zeigen, spielen eine dominierende Rolle bei den sehr geordneten und gesetzmäßigen Vorgängen in einem lebenden Organismus.
Erwin Schrödinger, 1944
Das Erbe von Schrödingers Was ist Leben?
In den 1940er Jahren war unser genialer Freund Schrödinger ziemlich beeindruckt davon, wie genau die Vererbung ist. Natürlich war er das! Überlegen Sie mal: Die Wahrscheinlichkeit, dass eine Mutation in einem bestimmten Gen auftritt, liegt bei weniger als eins zu 10 Millionen während jedes Fortpflanzungszyklus.
Schrödinger kam zu dem Schluss, dass die klassischen Gesetze diesen Grad an Präzision nicht erklären können, und entwickelte eine Hypothese, die auf dem Prinzip der Ordnung aus der Unordnung beruht. Um dies zu verstehen, betrachten Sie die Diffusion. Sie kann als ein hochgradig geordneter und vorhersagbarer Prozess modelliert werden, und doch entsteht sie aus Atomen und Molekülen, die zufällig umherhüpfen.
Schrödinger schlug daraufhin vor, dass sich die quantengesteuerte Dynamik einer kleinen Gruppe von Atomen ausbreiten und die Makroereignisse innerhalb eines lebenden Organismus beeinflussen könnte. Er schlug daher vor, dass die genetische Information in einem komplexen organischen Molekül gespeichert sein muss : einem aperiodischen Kristall, der auf atomarer Ebene die Struktur und Dynamik des Lebens kodiert.
Ich weiß, was Sie jetzt denken: Watson und Crick im Jahr 1953!
Ja und nein.
Ja, Schrödingers Hypothese hat Watson, Crick und Franklin zur Entdeckung der DNA inspiriert; und nein: der aperiodische Kristall ist nicht genau dasselbe wie die DNA.
Doch trotz Schrödingers bahnbrechenden Ideen entwickelte sich die Biologie ohne großen Bezug zur Quantenmechanik, da die Physiker skeptisch waren, ob Quanteneffekte in biologischen Systemen eine Rolle spielen würden. Hinzu kam, dass es schwierig war, in einem heißen und feuchten System wie einer lebenden Zelle das erforderliche Maß an Kontrolle zu erreichen.
Das soll aber nicht heißen, dass alle Ideen Schrödingers umsonst waren. Es gab Versuche , Biologie und Quantenmechanik miteinander zu verbinden, wie z. B. Löwdins Vorschlag, dass das Quantentunneln von Protonen Mutationen verursachen könnte.
Schrödingers Ideen waren in der Tat entscheidend, um die Skepsis der Wissenschaftler des 20. Jahrhunderts zu überwinden und boten wertvolle Einblicke in die Beziehung zwischen Quantenmechanik und biologischen Systemen.
Heute lebt Schrödingers Erbe im Bereich der Quantenbiologie weiter.
Quantenbiologie heute
Trotz der Arbeiten von Schrödinger und anderen Pionieren der Quantenmechanik glaubten die Physiker des 20. Jahrhunderts, dass Quanteneffekte keinen nennenswerten Einfluss auf die Biologie haben. Das war, wenn Sie mich fragen, eine naheliegende Schlussfolgerung.
Da lebende Systeme so chaotisch und nie vollständig von ihrer Umgebung abgeschnitten sind, sollten Quanteneffekte sehr schnell verschwinden. Dieses Phänomen, das als Quantendekohärenz bekannt ist, ist auch für das heutige Quantencomputing eine echte Bremse – aber das ist eine andere Geschichte.
Vereinfacht ausgedrückt bezeichnet die Quantendekohärenz den Prozess, bei dem ein Quantensystem, das sich zuvor in einem Überlagerungszustand befand (das heißt, es kann in mehreren Zuständen gleichzeitig existieren, wie die berühmte Katze), mit seiner Umgebung verschränkt wird, z. B. mit Teilchen in der Luft, einer Kamera oder einem menschlichen Beobachter, und in einen wohldefinierten Zustand kollabiert.
Und jetzt kommt die Wendung.
Neue Forschungsergebnisse deuten darauf hin, dass Lebewesen möglicherweise nur einige wenige gut lokalisierte, sich ultraschnell bewegende Moleküle benötigen , um Quanteneffekte zu ermöglichen. Wie bereits erwähnt, finden Wissenschaftler immer mehr Beweise für diese Hypothese, wie z. B. die Beobachtung der Quantenüberlagerung bei der Photosynthese, das Quantentunneln bei der Enzymaktivität und die Quantenverschränkung in tierischen Navigationssystemen.
Es besteht kein Zweifel, dass die Quantenbiologie noch in den Kinderschuhen steckt. Quanteneffekte bei diesen und anderen Prozessen wie dem (menschlichen) Sehvermögen, dem Geruchssinn oder DNA-Mutationen sind immer noch schwer theoretisch zu untersuchen oder genau zu messen. Doch nach hundert Jahren Forschung werden wir vielleicht endlich sehen, ob all diese Unschärfen lebenden Organismen wirklich zugute kommen und ihnen zum Gedeihen verhelfen können.
Wie McFadden und Al-Khalili feststellen: Das Leben hat gelernt, Quantensysteme auf eine Weise zu seinem Vorteil zu manipulieren, die wir noch nicht ganz verstehen.
Die Quantenbiologie könnte dabei helfen.
Eine letzte persönliche Note
Als ich „From Atoms To Words“ ins Leben rief, glaubte ich, dass das einzige Thema, das wirklich eine Diskussion wert ist, die Physik und die Erforschung des Universums sei. Ich meine, seien wir ehrlich, was ist demütiger als die gewaltigen Ausmaße des Urknalls und die Anfänge der Chemie, außerirdisches Leben im Kosmos oder das rätselhafte Gefüge der Raumzeit?
Aber je mehr Geschichten ich schrieb, desto mehr wurde mir klar, dass jeder wissenschaftliche Durchbruch faszinierend sein kann, wenn man ihn aus der richtigen Perspektive betrachtet.
Wenn Sie neugierig darauf sind, tiefer in das heutige Thema einzutauchen, ist die Übersicht der „Royal Society“ von McFadden und Al-Khalili ein hervorragender Ausgangspunkt (und die Inspiration für diesen Artikel).
Ich hoffe, dass Sie beim Lesen dieser Seiten zu der gleichen Erkenntnis kommen wie ich: In der Wissenschaft geht es nicht nur um Daten und Statistiken, sondern um die Menschen, die hinter den Entdeckungen stehen – die Intrigen, die Pannen und die Triumphe.
Die Wissenschaft ist eine Schatztruhe voller außergewöhnlicher Geschichten, die darauf warten, ausgegraben zu werden.
