Bitte warten...
Grünes Blatt der Schusterpalme

Von Zugvögeln bis zum Geruchssinn Forschungstrend Quantenbiologie

Die Gesetze der Quantenphysik laufen oft dem gesunden Menschenverstand zuwider. Doch auch die Natur nutzt Quanteneffekte. In Ulm entsteht dazu jetzt ein Forschungszentrum. Gábor Paál im Gespräch mit Prof. Martin Plenio, Universität Ulm.

Die Regeln der Quantenphysik sind seltsam: Teilchen können sich an vielen Orten gleichzeitig "aufhalten" oder sich gleichzeitig rechtsherum und linksherum "drehen". Physiker beschäftigen diese Verrücktheiten der Quantenwelt seit langem. Biologen dagegen mussten sich bisher nicht weiter darum kümmern – worüber sie nicht traurig waren. Doch nun stellt sich zunehmend heraus, dass die Quantenphysik in der Natur doch eine größere Rolle spielt und die Natur sich diese Verrücktheiten regelrecht zunutze macht. Martin Plenio baut zur Zeit an der Uni Ulm ein Forschungszentrum für Quantenbiowissenschaften auf –

Welche Phänomene in der Natur lassen sich aus heutiger Sicht nur noch mithilfe der Quantenphysik verstehen?

Das klarste Beispiel ist die Photosynthese bei Pflanzen. Dass sie so effizient funktioniert können wir wirklich nur erklären, wenn wir Quantenmechanik benutzen, und zwar sowohl in der Absorption der Lichtstrahlung im Blatt, im Transport der Energie zu bestimmten Zentren sowie in der Umwandlung dieser Energie in chemische Energie und letzten Endes in Zucker. Andere Beispiele sind der Magnetfeldsinn von Vögeln sowie unser Geruchssinn, der noch überhaupt nicht verstanden ist, und für den es jetzt verschiedene quantenmechanische Theorien gibt, wie der funktioniert.

Bleiben wir bei der Photosynthese. Natürlich besteht Licht aus Photonen und somit aus Teilchen. Insofern ist zu erwarten, dass hier die Quantenphysik eine Rolle spielt. Quantenmechanik verbinden wir aber ja auch mit so ganz merkwürdigen Gesetzmäßigkeiten, etwa das Teilchen nicht nur einen Zustand haben, sondern sich aus einer Überlagerung vieler Zustände befinden können.

Spielen denn diese Verrücktheiten der Quantenmechanik bei der Photosynthese auch eine Rolle?

Absolut. Es geht nicht nur darum, dass das Licht aus „Quanten“ besteht. Viel wichtiger ist, dass Elektronen und sogenannte „Exzitonen“, also angeregte Elektronen sich in Molekülen ausbreiten. Diese Ausbreitung erklärt man über quantenmechanische Phänomene. Und die Photosynthese beruht offenbar auf dem Effekt, dass so ein Elektron in vielen verschiedenen Zuständen gleichzeitig sein und dadurch viele Wege in diesem Molekül gleichzeitig „auskundschaften“ kann. Das macht es so schnell und effizient. Das ist aufregend und interessant, weil letzten Endes unser Leben ja nun wirklich davon abhängt, dass Photosynthese gut funktioniert.

Sie haben ja auch die Zugvögel angesprochen und deren Magnetsinn. Daran haben sie selbst auch geforscht. Wo braucht man da die Quantenphysik? Normalerweise stellt man sich vor: Na ja gut, irgendwo ist da eben ein Magnetrezeptor und der registriert das Erdmagnetfeld, so dass sich der Vogel daran orientiert.

Wo kommt da die Quantenphysik ins Spiel?

Also ein Magnetfeldrezeptor ist da sicherlich da und wie der letzten Endes funktioniert, das ist die große Frage. Es gibt tatsächlich Tiere, in denen man kleine Magnetpartikel hat und die natürlich auf ein Magnetfeld reagieren, wie ein Kompass und auf diese Weise kann das funktionieren. Bei Vögeln scheint das aber nicht so zu sein. Dort benutzt man eine andere Art von Kompass, einen viel kleineren, und zwar besteht der aus einzelnen oder Paaren von Elektronen. Und Elektronen haben einen Spin – sie rotieren sozusagen in einem Magnetfeld ähnlich wie ein Kreisel. Diese Rotation wiederum hängt ab von der Orientierung des Magnetfeldes und gleichzeitig davon, wie diese Elektronen mit dem umgebenden Molekül – dem „Cryptochrome“ - in Wechselwirkung stehen. Das passiert im Auge des Vogels.

Und eine Theorie sagt nun, dass tatsächlich zwei Elektronen-Spins erzeugt werden, und dass die Art der Rotation wiederum die chemische Folgereaktion im Auge beeinflusst, so dass der Vogel am Ende ein Magnetfeld sehen kann. Das ist eine schöne Theorie. Für einen Physiker ist das wunderbar. Das ist sofort klar, das muss so sein. Für einen Biologen ist das so gar nicht klar, weil es da doch viele Fragen gibt, die zu klären sind. Wo kommen die Elektronen her, wie lange bleiben sie dort, wie bewegen sie sich? All diese Dinge muss man halt auch einfach im Experiment nachprüfen. Im Moment gibt es also eine schöne Theorie, aber keine so schönen Experimente, die das wirklich beweisen.

Wie könnten solche Experimente aussehen?

Im Moment schaut man sich das Verhalten von Vögeln an und ändert die Umgebungsbedingungen und das Magnetfeld, versucht also, den Magnetfeld-Sinn zu stören und beobachtet dann jeweils das Verhalten der Vögel. Und das ist eine sehr indirekte Methode, die gibt die ersten Hinweise, dass so eine Theorie wirklich wahr sein kann. Aber das Problem ist natürlich: Wir untersuchen das Verhalten eines Vogels, um etwas über einzelne Elektronen zu lernen. Deshalb versucht die Forschung jetzt, ganz kleine Sensoren zu entwickeln, die direkt an diese Moleküle andocken können, von denen wir vermuten, dass sie im Magnetfeld sensitiv sind und diesen Magnetfeld-Sinn vermitteln. Und das sind Dinge, mit denen wir uns in Ulm auch beschäftigen. Das wäre eine viel bessere Chance am Ende wirklich einen Beweis zu liefern.

Nun sind Quantenzustände sehr fragil, schon kleine Störungen und Wechselwirkungen mit der Umgebung können dazu führen, dass die „Quantenwelt“ mit all ihren „Überlagerungen“ zusammenbricht in die klassische Welt, in der Teilchen nur einen Zustand haben. Wenn Quantenphysiker diese Phänomene im Labor untersuchen, dann brauchen sie ganz besondere Bedingungen, die Versuche müssen stark von der Außenwelt abgeschirmt sein. Zum Teil finden sie bei extrem niedrigen Temperaturen statt.

Wie kann es sein, dass diese Quantenzustände in der Natur eine Rolle spielen? Denn da hat man keine isolierten Laborbedingungen, da ist es ja „warm“ und es gibt lauter Interaktionen mit der Umwelt.

Diesen Einwand bringen in der Tat auch viele meiner Kollegen. Aber mal ein Gedankenexperiment: Angenommen, ich setze sie ins Zentrum der Sonne, wo es ja sehr heiß ist, nehme Sie aber nach einer extrem kurzen Zeit, 10 hoch -20 Sekunden, wieder heraus - dann wird ihnen nichts passieren! Sie werden nicht einmal gemerkt haben, dass sie dort waren. Weil sie einfach keine Gelegenheit hatten, wirklich Wärme mit dem Zentrum der Sonne auszutauschen. Wenn also ein Prozess schnell ist, spielt es überhaupt keine Rolle, dass es um Sie herum warm ist. Das heißt, Prozesse in der Biologie, die schnell vor sich gehen, werden wenig gestört. Und in der Photosynthese reden wir von Prozessen auf einer Zeitskala von 10 hoch -12 Sekunden. Das ist ein Millionstel einer Millionstel Sekunde, also extrem schnell. Dadurch werden diese quantenmechanischen Eigenschaften noch nicht sehr stark gestört. Wir erwarten nicht, dass quantenmechanische Eigenschaften in der Biologie eine Rolle spielen auf Zeitskalen von Sekunden. Wir erwarten sie nur in sehr sehr schnellen Prozessen, die außerdem auch noch auf kleinen Längenskalen stattfinden.

Vor zwei Jahren haben die beiden Briten Jim Al-Khalili und Johnjoe McFadden ein Buch zu dem Thema geschrieben. Auf Deutsch heißt es: "Der Quantenbeat des Lebens". Am Ende des Buches haben sie dann noch ein Extra-Kapitel angefügt mit dem Hinweis, dass sich auf dem Gebiet gerade so viel tut, dass sie manches nochmal ergänzen und korrigieren müssen.

Was hat sich denn seit dem Erscheinen des Buchs noch getan?

Eine interessante Entwicklung ist, dass die Ideen der Quantenbiologie – speziell in der Photosynthese – jetzt übertragen werden auf organische Photovoltaik. Und dass gewisse Tricks, die die Natur nutzt, in organischen Photovoltaik-Zellen genutzt werden können, um z. B. die Ladungstrennung, also die Erzeugung von Strom aus Licht effizienter zu gestalten und schneller zu erreichen und dadurch die Effizienz von diesen Solarzellen erhöhen kann.

Und das ist das, was Sie jetzt in Ulm auch vorhaben?

Das ist eine Sache, die wir hier in Ulm sehr verfolgen und wir hoffen, dass wir da, gemeinsam mit Experimental-Physikern und mit Kollegen aus Norddeutschland Fortschritte machen.

Könnte auch die Medizin eines Tages von der Quantenbiologie profitieren?

Die Hoffnung gibt es. Das Beispiel, was sich hier aufdrängt, ist gerade der Geruchssinn. Denn die Theorie, die dort eine Rolle spielt, beschäftigt sich mit der Funktionsweise von Rezeptoren, die in der Zellmembran sitzen. Und es gibt einen neuen Vorschlag wie diese Rezeptoren Moleküle messen sozusagen, also wie die auf die Anwesenheit oder Abwesenheit von z. B. Geruchsmolekülen oder letztendlich medizinischen Molekülen reagieren. Und wenn sich dieses neue Verständnis bestätigt, dann hat man wieder eine völlig neue Methode, um in diesem Fall medizinische Moleküle maßzuschneidern. Und das wäre wirklich ein Traum. Aber da muss man sagen, das ist ein langer Weg, da reden wir jetzt sicherlich über einen Zeitraum von zehn, zwanzig Jahren bis sich so eine Grundlageneinsicht dann letzten Endes niederschlägt, in was wirklich praktischem für die Alltagsmedizin.

 

Buchhinweis:

Jim Al-Khalili & Johnjoe McFadden: Der Quantenbeat des Lebens. Wie Quantenbiologie die Welt neu erklärt. Ullstein, 2015.

Weitere Themen in SWR2