Quantenbiologie: besseres Leben durch Quantenmechanik

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frog-48234_640Seth Lloyd ist Professor für quantum-mechanical engineering am MIT, und er ist der erste, der ein Modell des Quantencomputers entwarf. Er arbeitet an Quantencomputern und Quanten-Kommunikationssystemen und hat u.v.a. das Buch "Programming the Universe" (Knopf, 2004) geschrieben.

In seinem Buch vertritt Lloyd die Auffassung, dass das Universum ein Quantencomputer ist, der im Zuge seines Programmablaufs alles, was wir sehen, und uns selbst hervorbringt. Sobald wir die physikalischen Gesetze vollständig verstanden haben, so Lloyd, werden wir mit Hilfe von Quantencomputern in der Lage sein, auch das Universum vollständig zu verstehen (wiki).

In seinem Artikel vom 10.3. bei PBS.org (The Nature of Reality – The physics of nothing, everything, and the things in between) bezieht er sein Weltbild auf die Natur, Quantum Biology: Better Living Through Quantum Mechanics, mit verblüffenden Resultaten – der Inhalt in freier Wiedergabe:

Wenn man weiß, dass Seth alles durch die Quantenbrille sieht, versteht man eher, was gemeint ist. Sein Beruf ist, mit supraleitenden Systemen umzugehen, mit Quantenpunkten, nichtlinearen Kristallen und solchen Sachen. Von da aus bekommt man schon einen Eindruck, in welchen Bereichen sich das abspielt: Man kann den "Rechenteil" des Quantencomputers auch unter dem Mikroskop nicht sehen. Das Laboratorium, das für die Apparaturen gebraucht wird, ist allerdings groß, hauptsächlich wegen der Abschirmung gegen Umwelteinflüsse und der Kühlvorrichtungen bis runter auf ein paar tausendstel Grad über dem absoluten Nullpunkt.

Das lässt nicht erwarten, dass entsprechende Effekte in der freien Natur auftreten könnten. Aber 2007 brachte die New York Times einen Artikel über grüne Schwefelbakterien, die laut NYT während der Phytosynthese Qquanten-Rechnungen ausführten. Seth und seine Kollegen hielten das für einen Witz. Als sie das zugrundeliegende Paper in Nature analysierten, sahen sie aber, dass es korrekt war ("non-crackpot" in Seth' blumiger  Ausdrucksweise).

Photosynthese ist bei wiki u.a. so beschrieben: Man unterscheidet zwischen oxygener und anoxygener Photosynthese. Bei der oxygenen wird molekularer Sauerstoff (O2) erzeugt, bei der anoxygenen nicht. Bei der anoxygenen Photosynthese können statt Sauerstoff andere anorganische Stoffe entstehen, beispielsweise elementarer Schwefel S – um dies letztere geht es hier.

Das Sonnenlicht wird von den Zellen in chemische Energie umgesetzt. Die Photonen werden von lichtempfangenden Molekülen (Chlorophyllen) absorbiert, die in Antennenstrukturen ausgebildet sind. Wenn ein Photon absorbiert wird, erzeugt es ein Exciton, eine Ladungslücke, die mit einem Elektron zusammenhängt. Solche Quasi-Partikel werden von den Physikern wie Partikel beschrieben. So kann man sich vorstellen, wie das Exciton innerhalb des Photocomplex' von Chromophor zu Chromophor hüpft, bis es im molekularen Reaktionszentrum angekommen ist. Dort nimmt eine Agglomeration von Molekülen das Photon auf und transformiert seine Energie in eine biologisch verwendbare Form, mit der Organismen ihren Metabolismus aufrechterhalten können, wachsen und sich reproduzieren können. Die allermeiste Energie in lebenden Systemen kommt von diesem Prozess. Jede Kalorie, die man konsumiert, kommt originär von Excitonen, die durch die Photosynthese-Antennen hüpfen.

Beim Beschießen der Photosysnthese-Komplexe mit dem Laser konnten Seth und sein Team zeigen, dass die Excitonen Quantenmechanik nutzen, um ihren Weg durch den Photokomplex effizienter zu machen; sie haben überzeugende Beweise dafür gefunden. Mehr noch, sie spekulierten, dass dabei ein Quantencomputer-Algorithmus genutzt wird, den man Quanten-Suche nennt. Dabei erlaubt es die Wellennatur der Photonen-Verbreitung den Excitonen, sich ihr Ziel auszusuchen. Wie sich herausstellte, nutzten die Excitonen einen anderen Quantenalgorithmus namens Quanten-Gang, und es konnte nachgewiesen werden, dass diese "Quanten-Rechnung" den Bakterien hilft, Energie von A nach B zu bewegen. 

Wie ist das möglich? Solche hochspezialisierten Quantenoperationen kosten die Menschen einen ganzen Raum voll Apparate, und das Bakterium macht es in einer einzigen Zelle? Das liegt laut Seth an der Jahrmilliarde der Evolution, wo die Bakterien das Verarbeiten der Photonen optimieren konnten, bzw. wo die besseren Lösungen die schlechteren verdrängten. In Seth' heiterer Schreibung: If a little quantum hanky panky allowed some bacteria to process energy and reproduce more efficiently than other bacteria, then quantum hanky panky stuck around for the next generation.

Die Natur ist der große Nanotechniker, und lebende Systeme arbeiten mit molekularen Mechanismen, die Atome und Energie systematisch durch die Molekülkomplexe der Zellen kanalisieren. Die Moleküle werden nach den Gesetzen der Quantenmechanik zusammengesetzt: —quantum weirdness is always lurking just around the chemical corner – um jede Ecke rum lauert die Quantenverrücktheit. Und die kann beim Energietransport helfen oder bremsen, je nachdem. Die natürliche Selektion entscheidet sich fürs Helfen, die Evolution sorgt für den nützlichen Einsatz der Quanten-Gegebenheiten. .

Die Beschreibung der Transporthilfe geht so: Es gibt das Phänomen des Welle-Teilchen-Duslismus', das Seth ausführlicher unter Zuhilfenahme von Fußbällen beschreibt. Hier sei nur wiedergegeben, dass die Wellenfunktion des Fußballs etwa genausogroß ist wie der Ball selber. Auf der Quantenebene kann das anders sein. Die Welle, die zu einem Partikel gehört, kann viel größer sein als das Partikel selber. Ein "angeregtes" Exciton innerhalb der Chromophoren kann seine Welle über mehrere Chromophoren hin ausbreiten.

Seth dazu: Macht das Sinn? Natürlich nicht! Aber Quantenmechanik ist grundsätzlich vernunftresistent und kontraintuitiv. Da gibt es einen Unterschied zu Fußbällen. Steh beschreibt das mit einer Veranschulichung: Wie die Wellennatur der Excitonen bei ihrer Kanalisierung helfen kann, sieht man an einer klassischen Analogie. Jede Chromophore ist dabei ein Lilienblatt auf dem Teich, und das Exciton ist ein hüpfender Frosch, der zufällig benachbarte Blätter anspringt (Bild: Nemo, pixabay). Wenn der Frosch an einem Ende anfängt, wie lange braucht er dann bis zur Mitte? Wenn das Gehüpfe zufallsgesteuert ist, findet er bestimmt nicht den kürzesten Weg. Mathematisch gesehen, ist die Zahl der nötigen Hüpfer um so größer, je mehr Lilienblätter es gibt.

Bei einem Quantenfrosch wäre das anders. Seine Ausgangs-Wellenfunktion wird am Rand reflekktiert und weist nach innen, wie die Refletionen der Wellen von einem Stein, den man reinschmeißt. Die Welle findet das Zentrum schneller, die Zeit hängt vom Radius des Teichs ab, nicht von der Zahl der Lilienblätter. Das ist die Quadratwurzel, weil die Blätterzahl nach Fläche geht. Das Quantenhüpfen ("quantum hop") birgt das Potential, den Frosch viel schneller zum Ziel zu bringen. Zahlenbeispiel: 100 Hüpfer beim klassischen Fall gegen 10 Hüpfer im Quanten-Fall.

In den beschriebenen Schwefelbakterien geht es rapider, da rechnet man mit Atto- und Femtosekunden (wb). Die Antennen des Photokomplex', durch welche die Excitonen vordringen müssen, bilden nun die Entsprechung zum Lilienteich. Die Wellen der Excitonen breiten sich über mehrere Chropophoren aus, und sie erlauben den Excitonen eine schnellere Fortbewegung als bei der klassischen Methode.

Seth hat zusammen mit Kollegen eine Theorie aufgestellt, wie Quanten-Gänge (quantum walks) bei der Photosynthese die Wellennatur der Quantenmechanik nutzen können, um beste Effizienz zu erreichen. Dabei kam raus, dass der wellenähnliche Transport nicht immer die beste Lösung ist. Bildlich gesprochen kann der Lilienteich voll herausschauender Steine sein, an denen die Wellen sich brechen. Im Endergebnis erreicht die Welle womöglich nie das Ziel. Das nennt man destruktive Interferenz. Obwohl die Welle sich auf kurzen Strecken ausbreiten kann, wird sie irgendwo weiter hinten gestoppt. Dann ist der Quantenfrosch ausgebremst, und die klassische Weise wäre besser. Und in den Antennen-Photokomplexen gibt es mikroskopische Unregelmäößigkeiten, die wie Steine im Teich wirken und die Wellen streuen.

Durch ihr Quantenmechanisches Modell dieser Verhältnisse haben Seth & Co. die optimale Strategie für die Interaktion zwischen Wellen-Ausbreitung und klassischer Hüpfstrategie bei der Photosynthese berechnet. Auf kurze Strecken gewinnt die Wellen-Ausbreitung gegenüber dem Zufallsgehüpfe. Das Exciton reist wie eine Welle bis zu der Entfernung, wo die Störungen es ausbremsen. An diesem Punkt kommt die Tatsache ins Spiel, dass lebende Wesen heiße (gemessen an den Labortemperaturen) und nasse Systeme sind, Diese Umgebung gibt dem Exciton einen Schubs ("whack" für "Dekohärenz") das es wieder in Schwung bringt, so dass es einen klassischen Hüpfer machen kann. Dadurch befreit es sich und kann sich weiter ausbreiten. Dieser Prozess wiederholt sich. Die Welle breitet sich aus, bis sie an Hindernissen bricht, die Umgebung gibt ihr einen Schubs, das Exciton hüpft und erreicht das Reaktionszentrum in der bestmöglichen Zeit. Die Regel für den Quantenfrosch ist einfach: Surfe bis du festsitzt, dann hüpfe.

Die Natur hat es genauso eingerichtet, und nicht nur bei den Schwefeldingern. Photosynthetische Pflanzen sind Meister bei der minutiösen Ausnutzung der Quantenmechanik. Sie manipulieren Kohärenz und Dekohärenz, so dass sie fast 100% Effizienz beim Enrgietransport erreichen. Wenn das "Quanten-Hanky-Panky" so effektiv ist, was ist dann mit den anderen Lebewesen? fragt Seth. Könnten die nicht auch Nutzen daraus ziehen, um besser zu leben und sich mehr fortzupflanzen? Bisher haben die Wissenschaftler aber nur Beweise bei der Photosynthese gefunden ("smoking gun" für Evidenz, bzw. "smoking photon", wie Seth allerliebst formuliert). Aber es gibt Hinweise auf andere Organismen, wo die Quantenmechanik offensichtlich eine bestimmende Rolle spielt (beteiligt ist sie ja immer, weil alle Chemie und alle elektomagnetischen Aktoinen quantenmechanisch sind, wb).

Europäische Rotkehlchen haben einen Magnetsinn, der ihnen beim Vogelzug hilft. Sie haben aber keinen Magnetkompass im Hirn, der aus einem Stück Eisen besteht. Vielmehr deutet alles auf einen anderen lichtaktivierten Quantenmechanismus hin. Ein Photon regt ein Elektron an, das als geladenes Teilchen im Erdmagnetfeld herumschwirrt ("swivels"). Die Geschwindigkeit, mit der es seinen angeregten Zustand verliert, hängt davon ab, wie weit es geswivelt ist (und man dachte, das bestimmt nur die Halbwertszeit, wb). Die Rotkehlchen brauchen also Licht, um den magnetischen Norden zu finden. Wenn man das nächste Mal welche im Dunklen herumstolpern sieht, weiß man also bescheid.

So locker geht's weiter, wenn Seth sagt, er riecht ein Quant. Die Quantenmechanik dürfte auch im Riechsinn beteiligt sein. Die Wissenschaft hat lange geglaubt, der chemische Sinn funktioniere wie ein Schlüssel- und Schlüsselloch-System, wo Moleküle an passende Rezeptoren andocken. Der Rezeptor wandelt dann seine Struktur und löst einen Neuronenimpuls aus.

Das Problem ist aber, dass die Rezeptoren nicht spezifisch genug sind. Sie können auf viele verschiedene Schlüssel ansprechen. Die Forscher sind deshalb zu dem Schluss gekommen, dass sie auch auf die Vibration der Moleküle reagieren – quasi auf den Sound. Die Kombination von Struktur und Vibration identifiziert demnach jedes Molekül. Die grundlegende Dynamik der Vibrationen muss aber intrinsisch quantenmechanisch sein. Der Rezeptor muss auf einzelne Phononen (Quasiteilchen des Sounds) reagieren. Das haben Experimente mit Fruchtfliegen tatsächlich erwiesen. Die Hypothese vom Quantenduft ("quantum smell") ist plausibel. Fliegen fliegen auf Phononen.

Und wo kann man die Quantenwirkungen noch sehen? Nun, beim Licht, antwortet Seth. Die Augen sind ein guter Platz, um nach solchen Wirkungen zu schauen. Sie sind fähig, einzelne Photonen zu detektieren, und das macht ein Quantenmechanismus. Ein Molekül in der Retina absorbiert ein einzelnes Photon und benutzt dessen Energie, um den Fluss von tausenden von Ionen auszulösen, welche die Reaktion des Hirns stimulieren. Neuronale Impulte im Hirn sind womöglich zu stark und zu klassisch, um so sensitive Reaktionen wie die Quanten-Wellen-Dynamik der Photosynthese zu nutzen, aber wenn man auf den Level einzelner Synapsen runtergeht, mag der Neurotransmitter-Mechnismus sehr wohl solche Effekte nutzen wie beim Geruchssinn.

Je tiefer man in die Materie einsteigt, desto mehr Beispiele für Quantenmechanik wird man finden ("examples of quantum mechanics at work"). Bisher weiß man noch nicht genau, welche Aspekte der Biologie davon profitieren. Aber wir wissen, ungequanteltes Leben ist nicht lebenswert ("unquantized life is not worth living").

Bleibt nur eine Frage nach diesem faszinierenden Artikel: Warum machen sie mit Bakterien rum, die Schwefel produzieren, und nicht mit welchen, die Wasserstoff erzeugen? Die hat die Evolution auch hervorgebracht, und sie wären eine bessere Ergänzung für unsere Energieversorgung als die Schwefel-Stinker.

 

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Eine Antwort auf Quantenbiologie: besseres Leben durch Quantenmechanik

  1. Jan Magnus Kurz kommentiert:

    Ein zentraler Punkt ist ja, dass diese Erkenntnisse aufzeigen, dass selbst ultrakurze Effekte im Quantenkosmos enorme Wirkung auf selbst organisierende Systeme des Mesokosmos haben. Nämlich durch allgemeine/universelle Evolution. Daher hier noch ein weiterer Info-Link: http://de.wikipedia.org/wiki/Quantendarwinismus

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