Direkt zum Inhalt

Geruchssinn: Die Quantennase: Hilft Quantenmechanik beim Riechen?

Vom Laserpointer zum Mobiltelefon – so einige technische Errungenschaften stützen sich auf die skurrilen Effekte der Quantenmechanik. Könnten aber auch Lebewesen ihnen ihren außerordentlichen Geruchssinn zu verdanken haben? Ein Physiker und Buchautor präsentiert eine spekulative Theorie.
Your Quantum Nose: How Smell Works

Veröffentlicht am: 21.03.2017

Laufzeit: 0:09:32

Sprache: englisch

Untertitel: deutsch

Auf seinem YouTube-Kanal Domain of Science präsentiert der promovierte Physiker und Wissenschaftsautor Dominic Walliman Videos zu wissenschaftlichen Themen.

Von Abgas bis Zimt: Eine Billion verschiedene Gerüche kann der Mensch unterscheiden. Zu diesem Ergebnis kam im Jahr 2014 eine Studie in Science anhand empirischer Tests ausgewählter Gerüche und einer anschließenden Hochrechnung. Zuvor ging man von lediglich 10 000 Gerüchen aus.

Erstaunlich wären beide Zahlen: Die Molekülstrukturen so mancher Duftstoffe sind einander zum Verwechseln ähnlich und stellen unsere Nase bei ihrer Unterscheidung vor große Herausforderungen. Wie sie diese meistert, wird derzeit eifrig erforscht.

Womöglich haben wir den richtigen Riecher gar einem quantenmechanischen Effekt zu verdanken. Das Video des britischen Physikers und Wissenschaftsautors Dominic Walliman auf seinem YouTube-Kanal Domain of Science erklärt die Quantentheorie des Riechens anschaulich: Ihr zufolge erkennt die Nase Duftmoleküle anhand ihrer Schwingungen. Wenn die Theorie denn stimmt, funktioniert das so: Innerhalb des Geruchsrezeptors wandert ein Elektron auf einem höheren Energielevel zu einem Platz mit einem niedrigeren Energielevel. So löst es einen elektrischen Nervenimpuls aus, in diesem Fall also ein Duftsignal. Damit es den Platz auf dem niedrigeren Level einnehmen kann, muss es aber zuvor die Energiedifferenz zwischen höherem und niedrigerem Level abgeben. Das wiederum kann es nur, wenn ein schwingfähiges Duftmolekül anwesend ist, das sich mit genau dieser Energiedifferenz zu einer Schwingung anregen lässt.

Kurz gesagt: Das Duftsignal wird nur dann ausgelöst, wenn ein genau passendes Duftmolekül anwesend ist. Die Quantenphysik kommt in Form des Tunneleffekts ins Spiel: Zwischen dem Ort des Elektrons, wo es sich auf höherem Energielevel befindet, und dem Ort auf niedrigerem Energielevel gibt es eine Art Energiewand. Die könnte es gemäß der klassischen Physik nur überwinden, wenn es noch viel höhere Energie besäße – einfach "wandern" geht also nicht. Doch der quantenmechanische Tunneleffekt erlaubt genau das: dass ein Elektron auch ohne genügend Energie durch diese Wand "hindurchtunnelt". Das klingt spannend!

Erschreckend ist allerdings, dass ausgerechnet ein Quantenphysiker diese äußerst umstrittene Theorie als gängige Lehrmeinung darstellt. Doch diverse Untersuchungen sprechen gegen die "Quantennase". So konnten beispielsweise Versuchspersonen in einer Nature-Studie die Gerüche unterschiedlich schwingender Duftmoleküle schlicht nicht unterscheiden.

Im Grundsatz aber scheint die Frage, ob quantenmechanische Effekte nicht nur in unbelebter atomarer Materie eine Rolle spielen, sondern auch in biologischen Systemen, mittlerweile auf eine positive Antwort zuzusteuern. "Die Quantenmechanik sorgt dafür", so schreibt Spektrum-Redakteur Frank Schubert in einer Rezension von Der Quantenbeat des Lebens – verfasst von einem Kernphysiker und einem Molekulargenetiker, "dass Zellen atmen und Photosynthese betreiben können; sie gewährleistet, dass die Enzyme des Stoffwechsels arbeiten und Lebewesen ihre Erbinformation codieren können; und sie bietet vielleicht sogar eine Erklärung dafür, wie das Leben entstanden ist." Bei der Photosynthese beispielsweise, mit deren Hilfe Pflanzen Lichtenergie verwerten, können möglicherweise die Quantenphänomene Kohärenz und Verschränkung einen Schlüssel zum Verständnis effizienten Energietransfers liefern (Spektrum.de-Beitrag Mit allen Quantenmitteln).

Die "Quantennase" bleibt zwar weiterhin umstritten. Wer sie als reine Spekulation begreift, kann im Video aber doch einiges lernen. Und das Poster, zu dem sich die Animationen am Ende zusammenfügen, lässt sich sogar online bestellen. Auf ihm ist allerdings immer noch die wohl zu niedrige Zahl von 10 000 unterscheidbaren Gerüchen verewigt.

Lesermeinung

Beitrag schreiben

Wir freuen uns über Ihre Beiträge zu unseren Artikeln und wünschen Ihnen viel Spaß beim Gedankenaustausch auf unseren Seiten! Bitte beachten Sie dabei unsere Kommentarrichtlinien.

Tragen Sie bitte nur Relevantes zum Thema des jeweiligen Artikels vor, und wahren Sie einen respektvollen Umgangston. Die Redaktion behält sich vor, Leserzuschriften nicht zu veröffentlichen und Ihre Kommentare redaktionell zu bearbeiten. Die Leserzuschriften können daher leider nicht immer sofort veröffentlicht werden. Bitte geben Sie einen Namen an und Ihren Zuschriften stets eine aussagekräftige Überschrift, damit bei Onlinediskussionen andere Teilnehmer sich leichter auf Ihre Beiträge beziehen können. Ausgewählte Lesermeinungen können ohne separate Rücksprache auch in unseren gedruckten und digitalen Magazinen veröffentlicht werden. Vielen Dank!

Partnervideos