Quanteneffekte in der Biologie?

Innsbrucker Physiker um den Theoretiker Hans Briegel untersuchen, ob Quantenphänomene wie die Verschränkung in biologischen Systemen auftreten können und in welchen Prozessen sie eine Rolle spielen.

Die Phänomene der Quantenmechanik können heute in hochkomplexen Apparaturen bei ultrakalten Temperaturen studiert werden. Extrem hohes Vakuum, leistungsstarke Laser und raffinierte Kühltechniken erlauben die exakte Kontrolle der elementaren Bausteine der Materie. So können Physiker heute im Labor Quanteneffekte wie die Verschränkung experimentell untersuchen und für mögliche Anwendungen wie den Quantencomputer fruchtbar machen. Ob das Wissen über die Quanteneigenschaften der Materie auch für andere Fachbereiche interessant ist, darüber denken Wissenschaftler am Institut für Theoretische Physik der Universität Innsbruck und dem Institut für Quantenoptik und Quanteninformation der Österreichischen Akademie der Wissenschaften nach. Gemeinsam mit seinem Team analysiert der Theoretiker Hans Briegel, wo in biologischen Systemen nichttriviale Quanteneffekte wie die Verschränkung auftreten können. Entgegen den Verhältnissen im Labor sind die Umweltbedingungen in der Biologie denkbar ungünstig für die Beobachtung von quantenmechanischen Phänomenen. „Biologie ist warm, komplex und verrauscht“, sagt der Quantentheoretiker Hans Briegel. „Wir analysieren hier Systeme bei Raumtemperatur und in einer stark verrauschten Umgebung.“ Hochsensible Quantenphänomene gehen in einem solchem Umfeld sofort unter und werden deshalb in Untersuchungen auch meist vernachlässigt. Dass dies nicht immer gerechtfertigt ist, dafür haben Briegel und seine Kollegen nun den Beweis angetreten.  

Bewegung verschränkt

In mehreren Arbeiten haben die Forscher zeigen können, dass quantenmechanische Kohärenz und Verschränkung auch in biologischen Systemen auftreten können. „Lebende Organismen sind ständigen Stoffwechselprozessen unterworfen, die Energie zuführen und Entropie abführen“, erklärt Briegel. „Als Physiker haben wir es hier mit Systemen zu tun, die nicht im thermischen Gleichgewicht sind. Genau hier eröffnen sich aber bislang unerwartete Freiräume für das Auftreten von neuartigen Quanteneffekten.“
Ein Beispiel für einen Nichtgleichgewichtsprozess auf biomolekularer Ebene sind sogenannte Konformationsänderungen von Proteinen. Die Form eines Biomoleküls spielt für seine biologische Funktion eine wichtige Rolle. Ändert ein Protein seine Form, so werden zeitabhängige intramolekulare Wechselwirkungen wirksam, ähnlich wie zwischen Quantenbits in einem Quantencomputer. „Normalerweise erwartet man sich hier keine interessanten Quanteneffekte, da die Wechselwirkungen inmitten einer stark verrauschten Umgebung stattfinden und der thermische Zustand des Systems im statischen Fall unverschränkt ist. Die Bewegung der Moleküle bringt allerdings Leben in die Sache“, sagt Hans Briegel. Obwohl in einer solchen Umgebung keine statische Verschränkung möglich ist, kann die Bewegung in Biomolekülen vorübergehende Verschränkungsprozesse induzieren. Das Rauschen der Umgebung wirkt dabei sogar unterstützend und setzt den Prozess immer wieder neu in Gang. „Die Aussage, dass Quantenwechselwirkungen in einer warmen und verrauschten Umgebung immer vernachlässigbar seien oder verwaschen werden, ist damit widerlegt. Nichtgleichgewichtsprozesse schaffen Spielräume auch für die Quantenphysik, die bisher nicht ausreichend untersucht wurden,“ ist sich Briegel sicher.  

Chemischer Kompass von Zugvögeln

Die Innsbrucker Forscher wollen aber nicht nur die Existenz von Quantenphänomenen in der Biologie nachweisen, sondern fragen auch nach deren Nutzen für die Natur. Als Beispiel untersuchten Jianming Cai und Gian Giacomo Guerreschi mit Hans Briegel den sogenannten Radikalpaarmechanismus. Diesen Mechanismus hat der Biophysiker Klaus Schulten bereits vor über 30 Jahren als Erklärung für den magnetischen Orientierungssinn von Zugvögeln vorgeschlagen. Im Auge von Vögeln – zum Beispiel der Rotkehlchen – vermutet man Magnetrezeptoren, die durch Photonen aktiviert werden und sogenannte Radikalpaare bilden. Abhängig von der Ausrichtung der Rezeptoren im Erdmagnetfeld sollen dann im Auge unterschiedliche biochemische Reaktionen ablaufen.
In einem theoretischen Modell haben die Innsbrucker Theoretiker nun untersucht, ob die quantenmechanische Verschränkung der Elektronenspins in einem Radikalpaar die Empfindlichkeit gegenüber dem Magnetfeld verstärkt. „Wir haben das Modell mit zwei konkreten Molekülen durchgerechnet: Pyren-Dimethylanilin (Py-DMA), für das experimentelle Daten im Bereich der Spin-Chemie existieren, sowie für ein Molekül in Cryptochrom, das als möglicher Kandidat für den chemischen Kompass von Vögeln gehandelt wird“, erzählt Briegel. Das Ergebnis der theoretischen Studie ist überraschend: „Bei Py-DMA führt die quantenmechanische Verschränkung zu einer deutlich erhöhten Empfindlichkeit gegenüber dem Magnetfeld. Beim Cryptochrom hingegen war kein Zusammenhang festzustellen“, sagt Briegel. „Das illustriert die Komplexität der Fragestellung. Ob Verschränkung für den Orientierungssinn von Rotkehlchen eine Rolle spielt, wird letztlich davon abhängen, welches Molekül an der Radikalpaarbildung im Auge der Zugvögel tatsächlich beteiligt ist.“  

Brückenschlag zwischen Quanteninformation und Biophysik

Um diese Frage weiter zu erhellen, schlagen Briegel und seine Kollegen vor, Methoden und Konzepte der Quanteninformation auf Experimente in der Spin-Chemie anzuwenden. „Wir haben in der Quanteninformation zahlreiche Protokolle und Kontrolltechniken zur Untersuchung und Charakterisierung von Quantenphänomenen entwickelt“, sagt Briegel. „Diese könnten im Prinzip auch bei Experimenten mit Molekülen eingesetzt werden.“ Mit kurzen Radiowellenpulsen ließe sich beispielsweise überprüfen, ob bei der Radikalpaarbildung tatsächlich verschränkte Zustände zwischen den Radikalen auftreten. Die dabei gewonnenen Einsichten könnten dann die Tür für künftige Experimente an biologischen Organismen – auch Pflanzen und Tieren – öffnen. Allerdings dämpft Hans Briegel die Erwartungen: „In der Biologie spielen viele Prozesse zusammen, die man oft nicht genau kennt. Anders als in modernen Quantenoptiklabors wird der Nachweis von Verschränkung in lebenden Organismen wohl noch länger auf sich warten lassen.“ Für den Theoretiker lohnt es sich aber dennoch danach zu suchen: „Wir haben mit unseren Studien jedenfalls gezeigt, dass es nicht verrückt ist, auch in biologischen Systemen gezielt nach nichttrivialen Quanteneffekten zu suchen, wie sie sonst nur zum Beispiel in Quantencomputern eine Rolle spielen“, sagt Hans Briegel. Unterstützt werden die Innsbrucker Wissenschaftler dabei vom österreichischen Wissenschaftsfonds FWF.    

Publikationen:

• Quantum control and entanglement in a chemical compass. Jianming Cai, Gian Giacomo Guerreschi, and Hans J. Briegel.
  Phys. Rev. Lett. 104, 220502 (2010)
• Dynamic entanglement in oscillating molecules and potential biological implications. Jianming Cai, Sandu Popescu, and Hans J. Briegel
  Phys. Rev. E 82, 021921 (2010)
• Entanglement and intra-molecular cooling in biological systems? - A quantum thermodynamic perspective. Hans J. Briegel and Sandu Popescu
  Preprint: http://arxiv.org/abs/0806.4552

Kontakt:
Univ.-Prof. Hans Briegel
Institut für Theoretische Physik
Universität Innsbruck
t: +43 512 507 6202
e: Hans.Briegel[at]uibk.ac.at
Institut für Quantenoptik und Quanteninformation
Österreichische Akademie der Wissenschaften
t: +43 512 507 4740
e: Hans.Briegel[at]oeaw.ac.at