Quelle : Max Pixel
Noch vor einem Jahrzehnt waren sich die Wissenschaftler sicher, dass die Chemie des Lebens und die seltsame Chemie der Quantenwelt waren völlig getrennte Dinge. Quanteneffekte wurden normalerweise nur im Nanometerbereich beobachtet, umgeben von hartem Vakuum, extrem niedrigen Temperaturen und einer strengen Kontrolle Labor Umwelt. Die Biologie ist jedoch eine makroskopische Welt, die warm, chaotisch und alles andere als kontrolliert ist. Es schien elementar, dass ein Quantenphänomen wie „Kohärenz“, in dem die Wellenmuster jedes Teils eines Systems im Gleichschritt bleibenwürde im turbulenten Bereich der Zelle keine Mikrosekunde dauern. Es wäre einfach undenkbar.
Zumindest dachten wir ...
In den letzten Jahren haben Wissenschaftler in der ganzen natürlichen Welt kohärente Quantenprozesse gefunden. Und es stellt sich heraus, dass die Quantenbiologie nicht nur in einigen exotischen Halobakterien oder Beuteltieren allgegenwärtig ist. Tatsächlich scheint sie ein zentraler Bestandteil von zu seindie wichtigsten chemischen Reaktionen auf der Erde : Photosynthese und Zellatmung.
Jetzt… warum sollte es dich interessieren?
Was ist zuerst wieder „Quantum“?
Niels Bohr, einer der Gründer des Fachgebiets, sagte über die Quantenmechanik: „Wenn Sie nicht erstaunt sind, haben Sie es nicht verstanden.“ Und er hatte absolut Recht.
Die Quantenmechanik wurde in den 1920er Jahren entwickelt und ist im Kern eine Reihe mathematischer Regeln und Ideen, die die Welt der ganz Kleinen erklären. Und es ist eine Welt, die sich sehr von der alltäglichen Welt unterscheidet, die wir erleben und die aus der Summe bestehtvon Billionen von Atomen. Es ist eine Welt, die auf Wahrscheinlichkeit und Zufall aufgebaut ist, in der sich Teilchen unvorhersehbar oder mit äußerster Präzision teleportieren und sich dann manchmal vollständig verschieben können, um sich wie ausgebreitete Wellen zu verhalten.
In der Quantenwelt können Teilchen sogar Multitasking betreiben, sie können sich an zwei Orten gleichzeitig befinden. Sie können mehr als eine Sache gleichzeitig tun. Aber diese Verrücktheit ist sehr heikel und Physiker müssen sehr hart arbeiten, um sie aufrechtzuerhaltenin Labors. Sie kühlen ihre Systeme auf nahezu Null ab, führen unsere Experimente im Vakuum durch und versuchen, sie von äußeren Störungen zu isolieren. Das unterscheidet sich sehr von der warmen, unordentlichen, lauten Umgebung einer lebenden Zelle. Und das seit vielen JahrenWissenschaftler gingen davon aus, dass die Biologie lediglich ein Produkt deterministischer chemischer Reaktionen ist und als solches von Quanteneffekten nicht beeinflusst wird.
Wenn wir jedoch die Quantenmechanik oder die Quantenphysik als die grundlegende Grundlage der Realität selbst betrachten, ist es logisch zu sagen, dass die Quantenphysik die organische Chemie untermauert. Die in ihrer Komplexität vergrößerte organische Chemie gibt uns Molekularbiologie, die natürlich zum Leben führtIn gewisser Weise ist es nicht verwunderlich, dass Quantenwechselwirkungen wichtige Bausteine im Leben sind.
Das war jedoch nicht immer so einfach zu sagen. Lange bevor die Quantenbiologie nachgewiesen wurde, erkannte ein Mann etwas. Erwin Schrödinger von Schrödingers Cat-Ruhm sagte: „Auf molekularer Ebene haben lebende Organismen eine bestimmte Ordnung,eine Struktur, die sich stark von der zufälligen thermodynamischen Drängelung von Atomen und Molekülen in lebloser Materie gleicher Komplexität unterscheidet. “
Und er hatte Recht. Tatsächlich verhält sich lebende Materie in einer Struktur so, wie leblose Materie, die auf nahezu Null abgekühlt ist, wo Quanteneffekte eine sehr wichtige Rolle spielen. Die Struktur hat etwas Besonderes - dieOrdnung - in einer lebenden Zelle. Genau deshalb kann die Quantenmechanik eine so große Rolle im Leben spielen.
Quantums Rolle bei der Photosynthese
Einer der wichtigsten Prozesse in der gesamten Biologie ist die Photosynthese; der Weg, über den Pflanzen und Bakterien Sonnenlicht aufnehmen und diese Energie in Biomasse umwandeln. Jahrelang konnte niemand herausfinden, wie die Reaktion ohne ein massives Versagen günstig ablaufen könnteRate, die Mathematik passte einfach nicht zusammen. Aber dann, vor ein paar Jahren, wurde die Antwort klar: Quantenkohärenz.
Quantenkohärenz ist die Idee des Multitasking von Quantenentitäten. Dies geschieht, wenn sich ein physikalisches Teilchen wie eine Welle verhält, sodass es sich nicht nur in die eine oder andere Richtung bewegt, sondern gleichzeitig mehreren Pfaden folgen kannDie Idee bei der Photosynthese ist, dass das Photon, das „Quantum“ des von einem Chlorophyllmolekül eingefangenen Lichts, dann an das sogenannte Reaktionszentrum abgegeben wird, wo es in chemische Energie umgewandelt werden kann.
Aber was unglaublich ist, ist, dass es bei der Anreise nicht nur einer Route folgt, sondern mehreren Pfaden gleichzeitig, um den effizientesten Weg zum Reaktionszentrum zu optimieren, ohne sich als Abwärme abzuleiten. Es ist etwas, das allen Gründen widersprichtund Verständnis und doch häufen sich immer mehr Beweise dafür, dass es wahr ist. Die gruseligen Effekte der Quantenwelt leben unter uns.
Navigieren mit der Quantenmechanik
Eine der schönsten Anwendungen von Quanteneffekten in der Natur ist der Migrationskompass des Rotkehlchens. Dieser Vogel wandert jeden Herbst von Skandinavien ins Mittelmeer und navigiert wie viele andere Meerestiere und sogar Insekten vorbeidas Erdmagnetfeld wahrnehmen. Aber das Erdmagnetfeld ist sehr, sehr schwach; es ist 100 mal schwächer als ein Kühlschrankmagnet. Und doch beeinflusst es irgendwie die Chemie in einem lebenden Organismus. Ein eingebauter Kompass!
Aber wie schafft es das? Nun, zumindest im Fall des Rotkehlchens mit Quantenverschränkung. Dies ist der Begriff dafür, wenn zwei Teilchen weit voneinander entfernt sind und dennoch irgendwie verbunden bleiben und wir haben keine gute Erklärung dafür, warum- selbst Einstein nannte es "gruselige Fernwirkung". Irgendwie befindet sich in der Netzhaut des Rotkehlchens ein Protein namens Cryptochrom, das lichtempfindlich ist. Und in Cryptochrom befinden sich zwei Elektronen, die quantenverschränkt sind.
Diese Elektronen sind weit genug voneinander entfernt, dass der Unterschied zwischen den schwachen Magnetfeldwechselwirkungen bei jedem tatsächlich erkennbar ist, wodurch der Vogel erkennen kann, ob er zum Äquator hin oder von diesem weg fliegt. Nur als Referenz, wenn Kohärenz bestehtEin „heikler“ Prozess, Verstrickung kann auch eine Neurochirurgie mit einer Kettensäge sein. Es ist so schwer zu erreichen - wir geben jedes Jahr Milliarden aus, um Quantencomputer herzustellen, die dies zu einem Bruchteil so zuverlässig tun können. Und doch steht dieses einfache Rotkehlchen aufdie Schneide des Lebens und seine unbeschreiblichen zugrunde liegenden Prozesse.
Wissenschaft ist wild!
Der Quantenhorizont der Biologie
Die hier untersuchten Beispiele sind keineswegs das Ende der Dinge. Wie bereits erwähnt, beruht die Atmung genau wie die Photosynthese auf einem gewissen Grad an Kohärenz, und wir lernen sogar, dass Quanteneffekte auch für den gesamten Geruchsprozess von grundlegender Bedeutung sind.Die Quantenbiologie steckt noch in den Kinderschuhen. Sie ist noch etwas spekulativ. Es häufen sich jedoch immer mehr Forschungen, die nur die Idee stützen, dass die Quantenmechanik die gesamte Natur durchdringt, und dass Tricks, die nicht vom Leben der Quantenwelt gestört werden, entwickelt wurdennutze seine enormen Besonderheiten.
Darüber hinaus könnte die Studie in diesem Bereich genau das sein, was uns zur nächsten Phase der technologischen Entwicklung des Menschen führt. Dinge wie der Vogelkompass bei Umgebungstemperatur des Robin könnten ein potenzieller Leitfaden für die Entwicklung geschützter Materialsysteme für Quantencomputer seinDekohärenz bilden. Von der Natur lernen ist eine Idee, die so alt ist wie die Mythologie - aber wer hätte gedacht, dass die Naturbiologie uns etwas über die Quantenwelt beibringen könnte?
… außer Schrödinger, nehme ich an.