Klassische Netzwerke können wie Quantensysteme verhalten, was Zweifel an der Quantenbiologie aufwirft.

Seit Jahren propagiert der Princeton-Chemiker Gregory Scholes die Idee, dass lebende Zellen Quantenphysik auf winzigster Ebene nutzen. Er kehrt diese Position nun um. In mehreren Veröffentlichungen der letzten drei Jahre haben Scholes und sein Team gezeigt, dass komplexe Systeme aus gewöhnlichen Objekten Effekte hervorbringen können, die das Verhalten von Quantenmechanik in ihrer mathematischen Beschreibung abbilden. Die von diesen Systemen erzeugten Zustände sind jedoch nicht wirklich quantenmechanisch; sie sind lediglich „quantenartig.“

Jahrzehntelang haben Wissenschaftler nach Zeichen quantenmechanischen Verhaltens in lebenden Systemen gesucht, ohne Erfolg. Das Leben erstreckt sich über enorme Distanzen, von der globalen Schicht lebender Materie bis hin zu den winzigen Bausteinen innerhalb von Zellen. Auf seiner kleinsten Ebene erreicht die Biologie den Quantenbereich nie ganz, wo Teilchen wie Wellen auftreten, miteinander verbunden sind und gleichzeitig in mehreren Zuständen existieren. Dennoch suchen die Forscher weiterhin nach Wegen, mit denen Lebewesen Quanteneigenschaften in die Räume, Zeiten und Temperaturen bringen könnten, die tatsächlich für das Leben relevant sind.

Photosynthese und die Kohärenzdebatte

Die Photosynthese bietet eines der bekanntesten Beispiele. Lebewesen verwenden bestimmte Pigmente und Proteine, um Licht mit nahezu perfekter Quanteneffizienz einzufangen und fast jeden eingehenden Photon in nützliche chemische Energie umzuwandeln. Im Jahr 2007 deuteten neue Erkenntnisse darauf hin, dass das Leben dies möglicherweise durch ein quantenmechanisches Phänomen namens Kohärenz erreicht.

Der an der Princeton University tätige Chemiker Gregory Scholes war ursprünglich begeistert von diesem Ergebnis. Er und sein Team führten Experimente mit photosynthetischen Proteinen und Pigmenten durch und kamen zu vergleichbaren Schlussfolgerungen. Nun hingegen bezweifelt Scholes, dass Quanteneffekte tatsächlich in lebenden Systemen eine Rolle spielen. Stattdessen argumentiert er, dass das Leben möglicherweise lediglich quantenmechanisches Verhalten nachahmt, anstatt es zu nutzen.

„Vielleicht bedeutet Quantenbiologie im großen Maßstab, 3 1/2 Milliarden Jahre Evolution zu nutzen, um herauszufinden, wie man die Funktionalität erzielt, die man von Quantensystemen erhalten könnte“, sagte Scholes.

Das Problem des fragilen Quantenzustands

Ein Quantenzustand ist fragil. Er zerfällt, sobald er mit irgendetwas außerhalb seiner selbst in Kontakt kommt. Die kleinste Störung aus seiner Umgebung, wie etwa die Bewegung von Atomen, die durch Wärme verursacht wird, kann eine Dezohärenz auslösen, die ihn in gewöhnliches, klassisches Verhalten überführt. Innerhalb einer lebenden Zelle sollte die Dezohärenz fast augenblicklich ablaufen – Quanteneffekte sollten zu schnell verschwinden, um eine Rolle dafür zu spielen, wie das Leben funktioniert.

Selbst innerhalb einer Zelle können extrem kleine Teilchen wie Wasserstoffatome manchmal „quantentunneln“ durch energetische Barrieren, die sie andernfalls zurückhalten oder daran hindern würden, darüber hinwegzukommen. Es gibt Hinweise darauf, dass Tunneln innerhalb bestimmter Enzyme ihre rasche Leistungsfähigkeit erklären könnte.

Die neue Forschung zeigt, dass klassische Netzwerke dieselben mathematischen Strukturen erzeugen können wie Quantensysteme, was bedeutet, dass es sich um ein Ergebnis auf Muster-Ebene handelt und nicht um etwas Spezifisches für einzelne Teilchen.

Ein Jahrhundert Quantenbiologie

Die Quantenmechanik barg immer eine Verlockung, das Leben durch ihre seltsamen Regeln zu erklären, und dieser Impuls reicht bis zum aller Anfang des Fachgebiets zurück. Als der Quantenpionier Niels Bohr 1929 eine Vorlesung hielt, machte er eine vage, aber einladende Aussage darüber, wie die Quantenmechanik „vielleicht von entscheidender Bedeutung sein könnte, insbesondere bei der Diskussion der Stellung lebender Organismen in unserem Bild der Welt“.

Der Physiker Pascual Jordan widmete einen Großteil seiner Karriere der Quantenbiologie und behauptete, dass lebende Systeme eine besondere Fähigkeit besitzen, die unsichere Natur der Quantenwelt in alltägliche Dimensionen zu verstärken, was er als die Grundlage menschlichen Intellekts und der freien Wahl ansah. Der Genetiker und Evolutionsbiologe J.B.S. Haldane brachte diese Ansicht 1934 in einem Artikel vor, in dem er argumentierte, dass die Fähigkeit, Quantenunsicherheit auf gewöhnliche Größe zu erhöhen, genau das ist, was Leben von anderen Formen der Materie unterscheidet. Jordans Verbindung mit der Nazi-Partei und ihren bewaffneten Organisationen im Jahr 1933 schadete dem Ansehen der Quantenbiologie, da sie versuchte, sie mit politischem Extremismus zu verbinden.

Seit Jahrzehnten versuchen Physiker, die sich mit den Grundlagen der Quantenmechanik beschäftigen, Teile der Quantenwelt mithilfe klassischer Mittel nachzubilden, so Markus Müller, ein Physiker am Institut für Quantenoptik und Quanteninformation in Wien. Was Scholes demonstriert hat, sagte Müller, ist, dass quantenähnliches Verhalten aus gewöhnlichen, komplexen Systemen entstehen kann – der Art, die überall in der Natur existieren.

„Klassische Systeme können einige der wichtigsten Merkmale der Quanteninformation imitieren“, sagte Sabre Kais, eine Quantenchemikerin, die Quantencomputing-Algorithmen für komplexe Systeme an der North Carolina State University entwickelt. „Dies ist eine aufregende neue Richtung.“

Was das für das Fachgebiet bedeutet

Die neuen Ergebnisse lösen die Debatte darüber nicht, ob Quantenkräfte eine Rolle in lebenden Systemen spielen. Sie präsentieren lediglich eine weitere Erklärung für Vorkommnisse, die einst quantenhaft in der Natur erschienen. Sollte das Leben es schaffen, die gleichen numerischen Designs mithilfe gewöhnlicher Verbindungen zu erzeugen, könnte die Quanteninterpretation überflüssig werden.

Diese Studie bietet eine weiterführende Lektion über wissenschaftliche Forschung. Sie legt nahe, dass die Lösung eines Rätsels nicht immer eine fundamentalere Ebene der Realität ist, sondern eher ein einfacheres Muster, das über weite Strecken hinweg konsistent erscheint. (

Die Quantenbiologie ist noch weitgehend offen für die Erforschung. Die neuesten Ergebnisse deuten jedoch darauf hin, dass lebende Systeme keine Quantenmechanik benötigen, um quantenähnliches Verhalten zu zeigen. Allein die Komplexität könnte ausreichend sein. (

Quelle: “Biology Might Not Be Quantum, but Its Math Is Quantumlike,” Quanta Magazine. (