Rotkehlchen
© Richard Zinken
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 Bild vergrößernQuantenmechanik im Rotkehlchenauge
Wer am Computer sitzt, eine CD hört oder sich vom Navigationsgerät lenken lässt, profitiert letztlich von der Quantenmechanik. Erst durch diese Theorie wurden die Eigenarten von Atomen, Elektronen und Photonen handhabbar und ließen sich gezielt einsetzen. Aber nicht nur technische Errungenschaften hängen von quantenmechanischen Effekten ab, auch in der Natur spielen sie eine entscheidende Rolle.

Die Gesetze der Quantenmechanik bestimmen beispielsweise alle biomolekularen Strukturen. Und da die Form der Moleküle eng mit deren biologischen Funktion verknüpft ist, basiert letzten Endes die gesamte Molekularbiologie auf dieser Theorie. Mit solchen und anderen grundlegenden Quanteneffekten sind Wissenschaftler inzwischen gut vertraut.

Im Quantenlabor
© J. Burrus/NIST
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In ihren hochtechnisierten Laboren scheinen sie die Natur sogar zu überbieten: Aufwändige Experimente – von der Außenwelt isoliert, im Vakuum und bei ultrakalten Temperaturen – erlauben ihnen, mehr und mehr Kontrolle über die winzigen Teilchen zu erlangen. Quantenobjekte lassen sich unter diesen Bedingungen beispielsweise miteinander "verschränken". Hierbei bilden die Teilchen gewissermaßen eine Einheit und lassen sich nur noch gemeinschaftlich beschreiben. Jedes scheint den Zustand des anderen zu kennen – egal wie weit sie voneinander entfernt sind. Physiker arbeiten genau mit diesem Phänomen, um Quantencomputer und neue Formen der Informationsverarbeitung zu realisieren.

Dass in der belebten Natur derart fragile Quantenphänomene auftauchen, hielt man lange für unmöglich. Denn im Gegensatz zu einem Quantenlabor hat die Biologie nur warme, komplexe Systeme zu bieten, die ständig Störeinflüssen ausgesetzt sind und in denen viele unkontrollierte Prozesse ablaufen. In den vergangenen Jahren häuften sich allerdings Studien, denen zufolge auch in biologischen Systemen nichttriviale quantenmechanische Effekte – wie beispielsweise die Verschränkung – zu finden sind.

Effektive Lichtverwerter

Als aussichtsreicher Kandidat wird die Fotosynthese gehandelt: Seit gut drei Milliarden Jahren wandeln Pflanzen, Algen und manche Bakterien in diesem Prozess Sonnenlicht in chemische Energie um – die Evolution hätte also genug Zeit gehabt, um die Energieausbeute mit allen verfügbaren Mitteln zu optimieren. Und tatsächlich wird nahezu jedes eintreffende Photon des Sonnenlichts auch verwertet.

Im so genannten Lichtsammelkomplex – einer wenige Nanometer großen Ansammlung aus Proteinen – werden die Photonen eingefangen und deren Energieportion in wenigen billionstel Sekunden an das gemeinsam umlagerte Reaktionszentrum weitergeleitet. Der Wirkungsgrad beträgt hierbei mehr als 95 Prozent – weniger als fünf Prozent gehen also in Form von Wärme verloren. Wie schafft die Natur das?

<i>Rhodomonas salina</i>
© Daniel Vaulot, CNRS, Station Biologique de Roscoff
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Geht es nach klassischer Physik, wird die Energie im Lichtsammelkomplex zufällig von Molekül zu Molekül gereicht. Eine anscheinend wenig effiziente Methode. Auf der Suche nach einer besseren Antwort schauten sich Gregory Scholes von der University of Toronto in Kanada und seine Kollegen zwei verschiedene Meeresalgen genauer an. Bei Raumtemperatur regten sie die Moleküle im Lichtsammelkomplex mit einem kurzen Laserpuls an und verfolgten das eingehende Energiepaket, das so genannte Exziton, auf dem Weg zum Reaktionszentrum. Die Forscher fanden Hinweise, dass sich die Anregung für mehr als 400 Femtosekunden (10-15 Sekunden) wellenförmig ausbreitet und das über den gesamten Lichtsammelkomplex hinweg – ein eindeutig quantenmechanisches Phänomen [1].

Quantenkohärenz könnte den Schlüssel zum effizienten Energietransfer darstellen, glauben Scholes und sein Team, denn dieses Quantenphänomen ermöglicht die beobachteten Welleneigenschaften des Exzitons und damit auch Interferenzeffekte: An manchen Stellen des Lichtsammelkomplexes löschen sich die Exzitonwellen aus, an anderen verstärken sie sich – ganz ähnlich wie bei Wasser- oder Lichtwellen. Auf diese Weise sind manche Ausbreitungspfade gegenüber anderen bevorzugt. Das System könnte gewissermaßen alle möglichen Wege zum Reaktionszentrum gleichzeitig prüfen und den günstigsten wählen, folgern die Wissenschaftler.

Gemäßigtes Rauschen

"Wir wissen noch nicht, welche Vorteile die Quanteneffekte bringen und ob es auch ohne ginge."
(Martin Plenio)
Doch so "einfach" scheint es nicht zu sein. "Wenn das wahr wäre, dann müsste der Transport am effizientesten sein, wenn es überhaupt kein Rauschen im System gäbe, wenn es also perfekt isoliert wäre", sagt Martin Plenio von der Universität Ulm. Denn in einer derart ungestörten Umgebung würden die Welleneigenschaften in Reinform auftreten und das System könnte die meisten Wege ausprobieren. Modellrechnungen seiner Gruppe legen allerdings nahe, dass das Rauschen essenziell wichtig ist: "Wenn man zu viel von dieser quantenmechanischen Kohärenz hat, dann läuft der Transport schlecht."

Interferenz
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Die Natur hat die Stärke des Rauschens demnach anscheinend exakt so hingebogen, dass die Kohärenzeffekte noch da sind, aber nicht mehr perfekt [3]. Und in diesem fein abgestimmten Regime sollte insbesondere die destruktive Interferenz – die Anregungen im System pflanzen sich hierbei nicht weiter fort – abgeschwächt werden. Wissenschaftler um Mohan Sarovar von der University of California in Berkeley vermuten auf Grund von Computersimulationen sogar, dass die Moleküle in einer Fotosynthese betreibenden Bakterie über den gesamten Lichtsammelkomplex hinweg miteinander verschränkt sind – bei Raumtemperatur immerhin für bis zu zwei Pikosekunden [2].

"Wir wissen noch nicht, welche Vorteile die Quanteneffekte bringen und ob es auch ohne ginge", erläutert Plenio. Erst wenn der Nutzen von Kohärenzeffekten und Verschränkung für die Fotosynthese klar wird, ließen sich die "natürlichen" Konzepte in ein künstliches System übertragen. Auch wenn es noch längst nicht so weit ist, haben Wissenschaftler wie Plenio schon jetzt konkrete Pläne: "Unser Traum ist es, einmal bessere organische Solarzellen zu bauen." Nach dem Vorbild der Natur wollen die Forscher Strukturen mit optimalen fotovoltaischen Eigenschaften synthetisieren, die alle heutigen Materialien übertrumpfen.

Verschränkung im Vogel

Ein anderer Bereich, im dem die Natur auf Quanteneffekte setzen könnte, ist die Magnetfeldwahrnehmung verschiedener Tiere – zum Beispiel bei Rotkehlchen. Bereits vor 30 Jahren schlug der Biophysiker Klaus Schulten, jetzt an der University of Illinois in Urbana, vor, dass ein fotochemischer Prozess im Auge des Vogels für den Magnetsinn verantwortlich sein könnte: Ein Lichtteilchen gelangt auf die Netzhaut und trifft dort auf ein Rezeptormolekül. Eines der beiden äußeren Elektronen wird daraufhin herausgeschlagen und wandert zum benachbarten Molekül.

Rotkehlchen
© Richard Zinken
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Die beiden Moleküle bilden daraufhin ein so genanntes Radikalenpaar: Eines besitzt ein Elektron zu wenig, das andere eines zu viel – sie sind also geladen. Wie auch alle anderen Elektronen besitzen das übergewanderte und das zurückgebliebene Elektron auf der äußeren Schale einen quantenmechanischen Spin. Ähnlich einem mikroskopischen Stabmagnet wechselwirken die beiden Elektronenspins mit ihrer Umgebung und dem Erdmagnetfeld bis das angeregte Elektron wieder auf seinen alten Platz zurückhüpft.

Der Effekt dieser Wechselwirkung hängt maßgeblich von der anliegenden Magnetfeldrichtung und -stärke ab und damit auch die biochemischen Reaktionen, die infolgedessen ausgelöst werden. Für den Vogel bedeutet das: Je nachdem wie er zum Erdmagnetfeld blickt, werden unterschiedliche chemische Substanzen in seiner Netzhaut freigesetzt. Und diese dienen dem untersuchten Rotkehlchen dann als Richtungsinformation [4, 5].

"Aus Sicht der Quanteninformationstheorie stellt sich zwangsläufig die Frage, ob die Spins der beteiligten Elektronen verschränkt sind und wenn ja, welchen Einfluss diese Verschränkung beispielsweise auf die Empfindlichkeit des magnetischen Kompass hat", sagt Hans Briegel von der Universität Innsbruck. In einem theoretischen Modell spielten er und sein Team diesen sogenannten Radikalpaarmechanismus für zwei verschiedene Moleküle durch [6].

Tatsächlich reagierte das aus Laborexperimenten der Spin-Chemie bekannte Radikalenpaar Pyrin-Dimethylanilin in der Computersimulation empfindlicher auf das Magnetfeld, wenn eine quantenmechanische Verschränkung vorlag. Allerdings vermutet man dieses Molekül nicht im Auge des Rotkehlchens. Das Flavoprotein Cryptochrom gilt dagegen als möglicher Kandidat, nur leider verschafften die untersuchten Quanteneffekte hier keinen Vorteil.

Noch in den Kinderschuhen

Für den Fall der Fälle berechneten Physiker um Vlatko Vedral von der University of Oxford in England schon einmal, wie lange eine Verschränkung im Magnetkompass eines Vogels Bestand hätte. Auf Basis des Radikalenpaarmodells kombiniert mit experimentellen Daten kommen sie bei Raumtemperatur auf eine Zeitspanne von rund 100 Mikrosekunden [7]. Damit würde die Natur nicht nur modernste Quantenlabore in den Schatten stellen, sie überböte die für möglich gehaltenen Zeiten gleich um mehrere Größenordnungen.

Cryptochrome
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"Ob man davon sprechen kann, dass sich Rotkehlchen beim Vogelzug tatsächlich die quantenmechanische Verschränkung zunutze machen, wird nicht zuletzt davon abhängen, welches Radikalenpaar sie in ihrem Magnetkompass verwenden", sagt Quantentheoretiker Briegel. Bislang ist allerdings noch nicht einmal geklärt, ob der Radikalpaarmechanismus, ob mit oder ohne Verschränkung, tatsächlich für den Magnetsinn von Tieren verantwortlich ist – auch wenn Experimente mit Vögeln starke Indizien dafür liefern.

Im Vergleich dazu fällt die Beweislage für die Existenz nichttrivialer Quanteneffekte in der Natur noch deutlich schlechter aus. "Die Forschung steckt hier noch weitgehend in den Kinderschuhen", meint auch Briegel. Bisher ist jedenfalls noch vollkommen offen, ob und wie sich die Natur solche fragilen Quantenphänomene zu Nutze macht. Der Innsbrucker forscher und auch manche seiner Kollegen vermuten jedenfalls, dass es gerade die widrigen Umstände in biologischen Systemen sind, die das Unmögliche möglich machen.

In einem lebenden Organismus wird ständig Energie verbraucht und verhindert so einen thermischen Gleichgewichtszustand – der stellt sich erst nach dem Tod ein. Was in einem Quantenlabor unerwünscht ist, könnte laut Briegel hier den entscheidenden Unterschied ausmachen: "Nichtgleichgewichtsprozesse schaffen einen neuen Spielraum, um fragile Quantenphänomene wie zum Beispiel die Verschränkung auch unter scheinbar ungünstigen Bedingungen aufrecht zu erhalten."

Wann und ob sich all diese reizvollen Ideen bestätigen, bleibt abzuwarten. Schließlich spielen in der Biologie viele Prozesse zusammen, die man oft nicht genau kennt. Selbst Briegel glaubt nicht an einen schnellen Erfolg: "Anders als in modernen Quantenoptiklabors wird der experimentelle Nachweis von Verschränkung in lebenden Organismen wohl noch länger auf sich warten lassen."