Physikalische Ergebnisse der Quantum Life Science

Der aktuelle Review von Yukawa und Kollegen (1) beschreibt den Stand der „Quantum Life Science“, einem neuen interdisziplinären Feld, das die Quantenphysik mit der Biologie verbindet. Das Forschungsfeld untersucht, wie Effekte aus der Quantenphysik in lebenden Systemen gemessen oder genutzt werden können.

Quantenphänomene gelten als extrem empfindlich und sind nur unter sehr speziellen Bedingungen - bei sehr niedrigen Temperaturen - messbar. Die Effekte sind extrem kurzlebig und kompliziert zu messen. In lebendigen Systemen mit warmer und feuchter Umgebung werden sie schnell dekohärent, d. h. sie verlieren ihre quantenmechanischen Eigenschaften. Neue Forschung zeigt jedoch, dass biologische Prozesse quantenmechanische Eigenschaften aufweisen können oder davon beeinflusst werden.

Hier drei Beispiele:

• Bei der Photosynthese nutzen Pflanzen, Algen und manche Bakterien Licht, um Energie zu bilden. Messungen und Simulationen zeigen, dass Elektronen in den lichtabsorbierenden Strukturen mehrere Wege gleichzeitig „ausprobieren“ (Superposition). Das ermöglicht einen effizienten Energietransport fast ohne Verluste.

• Zugvögel nutzen das Erdmagnetfeld zur Navigation. Eine Forschungs-Hypothese besagt, dass in speziellen Proteinen (z. B. Cryptochromen) freie Elektronenpaare entstehen, deren Spin-Zustände sehr empfindlich auf Magnetfelder reagieren. Diese „radical-pair mechanism“ arbeiten nach quantenmechanischen Regeln und können erklären, wie Vögel Richtungen wahrnehmen.

• Bei enzymatischen Reaktionen können Protonen über quantenmechanische Prozesse potentiell „Abkürzungen“ nutzen, um Barrieren zu überwinden, die sie nach klassischem Verständnis nicht überwinden könnten – sogenanntes Quantum Tunneling, das Reaktionen stark beschleunigen kann.

Die Beobachtung von Quanteneffekten in lebenden Systemen stellt Forscher aufgrund der beschriebenen Dekohärenz vor hohe wissenschaftliche Herausforderungen. Die Quantum Life Science ist ein herausforderndes, sehr wichtiges Forschungsfeld – sie eröffnet spannende neue Perspektiven für unser Verständnis von lebendigen Systemen in all ihrer Komplexität.