Preisträger

Rauschen und Kohärenz

Welche Rolle spielen Quanteneffekte in der Biologie?

  • Martin B. Plenio
  • 09 / 2012 Seite: 63

Während die klassische Physik biologische Systeme auf großen Zeit- und Längenskalen gut beschreibt, gelten auf der Ebene von Atomen und Molekülen die Gesetze der Quantenmechanik. Gibt es dazwischen einen Übergangsbereich, in dem biologische Prozesse kohärent ablaufen? Und ist diese Quantendynamik physiologisch relevant? Zeitaufgelöste Experimente an photosynthetischen Komplexen und eine Vielzahl theoretischer Arbeiten legen nahe, diese Fragen zu bejahen.

Selbstverständlich bestehen alle biologischen Systeme aus Atomen und Molekülen. Deren Eigenschaften, zum Beispiel die chemischen Bindungen, werden letztendlich durch die Quantenmechanik bestimmt. Die chemischen Bindungen und die daraus entstehenden Moleküle bilden aber zunächst einmal nur das Gerüst, auf dem diejenigen dynamische Prozesse ablaufen, die Leben ermöglichen. So findet auf unterschiedlichsten Längen- und Zeitskalen Transport von Elektronen, Protonen sowie Molekülen verschiedenster Größe statt, um damit das hochgradige Nichtgleichgewicht eines lebenden Organismus aufrechtzuerhalten.

Daher stellt sich die Frage, ob Quantenmechanik und Kohärenz, das heißt die Welleneigenschaften von Materie, die Dynamik von biologischen Systemen auf eine für die Physiologie wesentliche Weise prägen. Dies ist nicht selbstverständlich, denn biologische Systeme sind eingebettet in eine „warme und feuchte“ Umgebung, die wie jede unkontrollierte Wechselwirkung eines Quantensystems mit seiner Umgebung zu Dekohärenz führt. Dekohärenz zerstört die Wellen­eigenschaften eines Quantensystems, das sich daher immer mehr klassisch verhält. Auf hinreichend kurzen Zeit- und Längenskalen, wenn sich also die Dekohärenz durch die Umgebung noch nicht vollständig entfalten konnte, sollten jedoch die quantenmechanischen Eigenschaften dominieren. Damit stellt sich auch die Frage, auf welchen Zeit- und Längen­skalen wir Quantendynamik in biologischen Systemen erwarten können und wenn ja, ob diese physiologisch relevant sind. Hat die Natur im Laufe der Evolution gar gelernt, das Wechselspiel zwischen Quantendynamik und der unvermeidlichen Dekohärenz für ihre Zwecke zu optimieren? Wurde dazu die Kohärenz verstärkt, oder hat es sich im Gegenteil als vorteilhaft erwiesen, Kohärenz und Quanteneigenschaften zu unterdrücken? ...

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