Quantenbiologie

Gegenstand und Bedeutung

Quantenbiologie ist ein Teilgebiet der Biophysik. Sie untersucht, wie Quanten auf lebende Zellen eines Organismus einwirken und welche energetischen Prozesse oder Veränderungen dabei möglicherweise auf der Ebene von Atomen und Molekülen auftreten. Zentral ist die Frage, ob und wie Effekte der Quantenmechanik biologische Vorgänge beeinflussen können.

Als quantenbiologische Effekte werden unter anderem Photosynthese, Geruchssinn und die Orientierung von Vögeln während ihrer Wanderungen vermutet. Besonders untersucht werden dabei der Tunneleffekt und die Quantenkohärenz. Friedrich Dessauer gilt als Begründer der Quantenbiologie: Er übertrug die Plancksche Quantenlehre auf die Biologie, erforschte die Wirkung von Röntgenstrahlen auf Körperzellen und konnte diese mit der Treffertheorie quantitativ erfassen.

Frühe Fragestellungen

Die Ursprünge reichen in die Zeit nach 1925 zurück, als Niels Bohr, Werner Heisenberg, Wolfgang Pauli, Erwin Schrödinger, Paul Dirac, Enrico Fermi und weitere Physiker mathematische Grundlagen der Quantenmechanik entwickelten. Niels Bohr fragte 1929, ob Erkenntnisse der Quantenmechanik auch „Probleme bezüglich lebender Organismen“ erklären könnten; was er genau damit meinte, ist bis heute nicht klar. In einer Vorlesung am 15. August 1932 äußerte er außerdem, dass sein Konzept der Komplementarität zum Verständnis biologischer Phänomene beitragen könnte.

Pascual Jordan verband die Quantenmechanik mit dem Organizismus. Seine Verstärkungstheorie besagt, dass Gesetze für Chance und Wahrscheinlichkeit, also der Indeterminismus der Quantenmechanik, in lebenden Organismen so verstärkt werden könnten, dass Vorgänge der subatomaren Ebene auf den gesamten Organismus wirken. Max Delbrück untersuchte, ob Komplementarität auch in der Biologie vorkommt. Im Dreimännerwerk von 1935 schlugen Delbrück, Nikolai Wladimirowitsch Timofejew-Ressowski und Karl Günter Zimmer vor, mit der Treffertheorie die Größe eines Gens aus dessen Empfindlichkeit gegenüber ionisierender Strahlung wie Röntgenstrahlung zu bestimmen. Sie nahmen an, dass ein Strahlungsquant ein örtlich begrenztes Ziel aus wenigen Molekülen trifft.

Auch der 1932 in Cambridge gegründete Theoretical Biology Club fragte, ob Leben auf atomarer und molekularer Ebene erklärbar sei und ob die Quantenmechanik neue biologische Gesetze ermöglichen könne. J. B. S. Haldane meinte, dass die Gesetze der Physik zwar in lebenden Organismen gelten, diese aber die heisenbergsche Unschärferelation nutzen könnten, sodass bestimmte Vorgänge wahrscheinlicher werden. Lebende Organismen könnten dadurch im makroskopischen Maßstab von einzelnen Quantenvorgängen beeinflusst werden.

Erbinformation und Quanteneffekte

Erwin Schrödinger stellte 1944 in What is life? The Physical Aspect of the Living Cell die Leitfrage, wie Ereignisse in Raum und Zeit innerhalb eines lebenden Organismus durch Physik und Chemie erklärt werden können. Er schlug die Vorstellung eines „aperiodischen Kristalls“ vor, dessen Konfiguration kovalenter Bindungen genetische Informationen enthält. Aufbau und Funktion eines solchen genetischen Moleküls waren damals noch unbekannt. James D. Watson und Francis Crick bezeichneten Schrödingers Buch später als frühe theoretische Beschreibung der Speicherung genetischer Informationen und als Inspirationsquelle ihrer Forschung zur 1953 vorgeschlagenen DNA-Doppelhelixstruktur.

Der Tunneleffekt ist ein zentraler nicht-trivialer Quanteneffekt: Teilchen können Barrieren auf eine quantenmechanische Weise überwinden. Protonentunneln spielt nach dem Löwdin-DNS-Mutationsmodell eine entscheidende Rolle bei spontanen Mutationen der DNS. Elektronentunneln ist wichtig für Reparaturmechanismen der DNS durch Redox-Kofaktoren, für Redoxreaktionen wie Zellatmung und Photosynthese sowie für enzymatische Katalyse.

Quantenkohärenz bezeichnet einen Zustand, in dem Quantenzustände in einer geordneten Beziehung stehen. Die stärksten Hinweise auf ihre Rolle in molekularbiologischen Prozessen betreffen den Energietransport bei der Photosynthese. Indirekte Hinweise gibt es bislang für Modelle des Geruchssinns und für die Navigation von Vögeln über die Wahrnehmung des Erdmagnetfeldes, den Vogelkompass.