Jim Al-Khalili
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Ich möchte Ihnen ein aufstrebendes Wissenschaftsgebiet vorstellen, das noch spekulativ, aber unglaublich spannend ist und stetig an Bedeutung gewinnt. Die Quantenbiologie stellt die einfache Frage, ob die Quantenmechanik — diese seltsame, wundervolle und weitreichende Theorie über die subatomare Welt der Atome und Moleküle, auf die sich vieles in der heutigen Physik und Chemie stützt — auch in lebenden Zellen eine Rolle spielt. Anders gefragt: Gibt es Prozesse, Mechanismen oder Phänomene in lebenden Organismen, die nur durch Quantenmechanik erklärbar sind? Quantenbiologie ist nicht neu. Es gibt sie seit Anfang der 1930er Jahre. Aber erst im letzten Jahrzehnt wurden durch sorgfältige Experimente in biochemischen Laboren mittels der Spektroskopie handfeste Beweise für bestimmte Mechanismen gefunden, die nur quantenmechanisch zu erklären sind.

Die Quantenbiologie führt Quantenphysiker, Biochemiker und Molekularbiologen zusammen — sie ist sehr interdisziplinär. Ich komme aus der Quantenphysik, bin also Kernphysiker.

Ich habe über drei Jahrzehnte versucht, die Quantenmechanik zu verstehen. Niels Bohr, einer ihrer Gründer, sagte: "Wenn sie einen nicht staunen lässt, hat man sie nicht verstanden." Ich bin froh, dass ich immer noch darüber staune. Das ist ein gutes Zeichen. Aber es bedeutet, die winzigsten Gebilde des Universums zu untersuchen — die Bausteine der Realität. Um deren Größe zu einzuschätzen, denken Sie an etwas Alltägliches, wie einen Tennisball, und gehen zur nächst kleineren Größenordnung: Von einem Nadelkopf, zu einer Zelle, zu einem Bakterium, bis zu einem Enzym. Bald darauf kommt die Nanowelt.

Von Nanotechnologie haben Sie vielleicht gehört. Ein Nanometer ist ein Milliardstel Meter. Mein Gebiet ist der Atomkern — der winzige Punkt innerhalb des Atoms. Der ist noch eine Stufe kleiner. Das ist das Gebiet der Quantenmechanik, an das sich Physiker und Chemiker seit langem heran tasten. Die Biologen, andererseits, haben sich in meinen Augen etwas abgewandt. Sie sind zufrieden mit ihren Ball-und-Stäbchen-Molekül-Modellen.

(Lachen)

Die Bälle sind Atome, die Stäbe deren Verbindungen. Was sie nicht im Labor nachbauen können, erledigen heute leistungsstarke Computer, die riesige Moleküle simulieren können. Das ist ein Protein, das aus 100 000 Atomen besteht. Man braucht keine Quantenmechanik, um es zu erklären. Die Quantenmechanik wurde in den 1920ern entwickelt, als eine Reihe schöner und mächtiger mathematischer Regeln und Konzepte, die die Welt im ganz Kleinen erklären. Sie unterscheidet sich sehr von unserer alltäglichen Welt, mit ihren Billionen von Atomen. Es ist eine Welt, die auf Wahrscheinlichkeit und Zufall basiert — verschwommen und voller Phantome. In ihr können sich Teilchen wie sich ausbreitende Wellen verhalten.

Wenn wir Quantenmechanik oder Quantenphysik als Grundlage der Realität verstehen, liegt die Behauptung nahe, die organische Chemie fuße auf der Quantenphysik, weil sie die Regeln vorgibt, nach denen sich Atome zu organischen Molekülen formen. Organische Chemie ergibt, um einige Stufen komplexer die Molekularbiologie, die zum Leben selbst führt. So gesehen liegt die Behauptung nahe. Sie sagen: "Okay, letztlich basiert das Leben auf Quantenmechanik." Aber alles andere tut das auch. Auch die unbewegte Materie, die aus Billionen von Atomen besteht.

Letztlich stößt man auf die Quantenebene, wo man in diese Eigenartigkeit eintauchen muss. Aber im Alltag können wir das vernachlässigen, denn sobald man Billionen von Atomen zusammensetzt, verliert sich diese Quanten-Eigenart. Darum geht es in der Quantenbiologie nicht. Sie ist nicht so offensichtlich. Gewiss fußt das Leben im molekularen Bereich auf Quantenmechanik. In der Quantenbiologie sucht man nach Auffälligkeiten, nach ungeahnten Konzepten in der Quantenmechanik, um zu sehen, ob sie wirklich eine bedeutende Rolle für die Darstellung der Lebensabläufe spielen.

Hier ist ein perfektes Beispiel dafür, wie ungeahnt sich die Quantenwelt verhält: der Quanten-Skifahrer. Er scheint intakt und bei bester Gesundheit, obwohl er scheinbar auf beiden Seiten des Baumes vorbeigefahren ist. Beim Anblick einer solchen Spur denkt man wahrscheinlich an einen Stunt. Aber in der Quantenwelt passiert das ständig. Teilchen können mehrere Dinge gleichzeitig tun und an zwei Orten gleichzeitig sein. Sie können sich wie sich ausbreitende Wellen verhalten. Es ist beinahe magisch.

Physiker und Chemiker haben sich fast ein Jahrhundert an dieser Eigenartigkeit versucht. Ich halte den Biologen nicht vor, dass sie sich die Quantenmechanik nicht aneignen wollten oder mussten;

denn diese Eigenartigkeit ist sehr heikel. Wir Physiker tun alles, um sie in Laboren aufrecht zu erhalten: Wir kühlen unsere Systeme fast auf den absoluten Nullpunkt, machen Experimente im Vakuum und versuchen, jede äußere Störung auszuschließen. Das warme, chaotische und laute Milieu einer lebenden Zelle ist ganz anders. Die Molekularbiologie hat die Lebensprozesse im Hinblick auf chemische Reaktionen scheinbar sehr gut beschrieben; reduktionistische, deterministische chemische Reaktionen, die zeigen, dass das Lebendige aus dem selben Stoff wie alles andere ist. Und wenn Quantenmechanik in der Makro-Welt unwichtig ist, dann auch in der Biologie.

Es gab einen Mann, der anderer Meinung war: Erwin Schrödinger, bekannt durch Schrödingers Katze, ein österreichischer Wissenschaftler und Mitgründer der Quantenmechanik in den 1920ern. 1944 schrieb er das Buch "Was ist Leben?", das enorm einflussreich war. Es beeinflusste Francis Crick und James Watson, die Entdecker der Doppelhelix-Struktur der DNS. In seinem Buch schreibt er: "Auf molekularer Ebene haben lebende Organismen eine bestimmte Struktur, die ganz anders ist als das thermodynamische Gerangel von Atomen und Molekülen in unbelebter Materie von gleicher Komplexität.

Lebendige Materie scheint sich nach einem Prinzip zu verhalten, so wie unbelebte Materie sich auf beinahe 0 herunterkühlt, wenn Quanteneffekte eine wichtige Rolle spielen. Die Struktur in einer lebendigen Zelle hat etwas Besonderes." Also spekulierte Schrödinger, dass die Quantenmechanik für das Leben eine Rolle spielen könnte. Das ist ein sehr spekulativer, weitreichender Gedanke, den er nicht sehr weit ausgeführt hat.

Doch wie gesagt: Es gab in den letzten zehn Jahren vermehrt Experimente, die nahelegen, dass bestimmte Phänomene in der Biologie auf Quantenmechanik fußen.

Ich zeige Ihnen nur die spannendsten. Der Tunneleffekt ist eines der bekanntesten Phänomene der Quantenwelt. Im linken Kasten sieht man die wellenartige Ausbreitung einer Quanten-Erscheinung; eines Teilchens wie ein Elektron. Das ist kein Ball, der gegen eine Wand prallt, sondern eine Welle, die mit einer bestimmten Wahrscheinlichkeit, wie ein Geist eine feste Wand passiert und gegenüber auftaucht. Man sieht einen blassen Lichtfleck im rechten Kasten. Der Tunneleffekt beschreibt, dass ein Teilchen auf eine feste Wand stoßen kann und wie durch Magie auf einer Seite verschwindet und gegenüber auftaucht. Um einen Ball über eine Mauer zu werfen, muss man genug Kraft investieren, damit er darüber fliegt. In der Quanten-Welt reicht es, ihn dagegen zu werfen und er verschwindet mit einer Chance, die größer als Null ist, auf der einen Seite

und erscheint auf der anderen.

Das ist keine Spekulation. Wir sind froh ... Nein, "froh" trifft es nicht ganz.

(Lachen)

Es ist uns vertraut.

(Lachen)

Tunneleffekte passieren ständig. Sie sind der Grund, dass die Sonne scheint. Teilchen verschmelzen und die Sonne verwandelt durch den Tunneleffekt Wasserstoff in Helium. In den 70er und 80er Jahren beobachtete man den Tunneleffekt auch in lebenden Zellen. Enzyme sind Arbeitstiere des Lebens, Katalysatoren chemischer Reaktionen; Biomoleküle, die chemische Reaktionen in lebenden Zellen beschleunigen — um viele Größenordnungen. Es war immer ein Mysterium, wie sie das tun.

Man fand heraus, dass einer der von Enzymen entwickelten Tricks ist, subatomare Teilchen wie Elektronen und sogar Protonen per Tunneleffekt von einem Teil des Moleküls zum anderen zu bringen. Das ist effizient, schnell und es kann verschwinden ... Ein Proton kann kann hier verschwinden und dort auftauchen; Enzyme helfen dabei.

Das wurde in den 80ern erforscht, insbesondere von einer Gruppe um Judith Klinman in Berkeley. Andere Gruppen in Großbritannien haben nun bestätigt, dass Enzyme das wirklich tun.

Die Forschung meiner Gruppe ... Ich bin, wie gesagt, Kernphysiker und fand heraus, dass ich das nötige Werkzeug habe, um Quantenmechanik auf Atomkerne anzuwenden, und sie auch in anderen Bereichen einsetzen kann. Wir fragten uns, ob der Tunneleffekt bei DNS-Mutationen eine Rolle spielt. Diese Frage ist nicht neu, sie geht auf Anfang der 60er Jahre zurück. Die beiden Stränge der DNS, die Doppelhelix-Struktur, sind durch Sprossen verbunden — wie eine verdrehte Leiter. Diese Leitersprossen sind Wasserstoffbrücken, Protonen, die beide Stränge wie Leim zusammenhalten. Bei näherem Hinsehen zeigt sich, dass sie die großen Moleküle, die Nukleotide, zusammenhalten. Gehen wir noch näher heran. Dies ist eine Computersimulation. Die beiden weißen Bälle in der Mitte sind Protonen, die eine doppelte Wasserstoffbrücke bilden. Eines bevorzugt die eine, eines die andere Seite der Stränge; der beiden vertikalen Linien, die gerade nicht sichtbar sind. Manchmal springen Protonen über. Beachten Sie die weißen Bälle. Sie können die Seite wechseln. Wenn die DNS-Stränge sich trennen und replizieren, und die beiden Protonen am falschen Platz sitzen, kann das zu einer Mutation führen.

Das weiß man seit etwa 50 Jahren. Aber wie wahrscheinlich ist dieser Vorgang und was geht dabei vor sich? Springen die beiden drüber, wie der Ball über die Mauer? Oder nutzen sie den Tunneleffekt, selbst ohne genügend Energie? Erste Anzeichen lassen den Tunneleffekt möglich erscheinen. Wir wissen nicht, wie wichtig er ist. Diese Frage ist noch offen. Sie ist spekulativ, aber von enormer Tragweite. Denn falls die Quantenmechanik bei Mutationen mitwirkt, bedeutet das sehr viel für das Verständnis bestimmter Mutationstypen, vielleicht sogar derer, die in einer Zelle Krebs auslösen.

Ein anderes Beispiel für Quantenmechanik in der Biologie ist die Quantenkohärenz in einem der wichtigsten biologischen Prozesse: Photosynthese — Pflanzen und Bakterien nehmen Sonnenlicht auf, um mit dieser Energie, Biomasse zu bilden. Mit der Quantenkohärenz nimmt man an, dass Quantenobjekte mehrere Dinge zugleich tun. Wie der Quanten-Skifahrer: ein Objekt, das sich wie eine Welle verhält, sich also nicht einfach nach da oder dort bewegt, sondern mehreren Wegen gleichzeitig folgen kann.

Vor einigen Jahren war die Wissenschaft geschockt, als eine Arbeit veröffentlicht wurde, die experimentell nachwies, dass Quantenkohärenz in lebenden Bakterien vorkommt, wo sie Photosynthese bewirkt. Danach wird das Photon, das Lichtteilchen, das Sonnenlicht, das von einem Chlorophyll-Molekül eingefangene Quantum Licht, in ein Reaktionszentrum weitergeleitet, zur Umwandlung in chemische Energie. Dahin gelangt es nicht nur auf einem Weg, sondern auf mehreren gleichzeitig, um das Reaktionszentrum möglichst effizient zu erreichen, ohne etwa Wärme zu vergeuden. Quantenkohärenz in einer lebenden Zelle — eine außerordentliche Vorstellung, und dennoch erscheinen fast wöchentlich neue Arbeiten, die belegen, dass dem wirklich so ist.

Mein drittes und letztes Beispiel ist eine wunderschöne Vorstellung; auch noch sehr spekulativ, aber ich muss es Ihnen einfach erzählen. Das Rotkehlchen zieht jeden Herbst von Skandinavien in den Mittelmeerraum. Wie viele Meerestiere und sogar Insekten orientiert es sich dabei am Magnetfeld der Erde. Dieses Magnetfeld ist sehr schwach: 100-mal schwächer als ein Kühlschrankmagnet. Und dennoch beeinflusst es die Chemie eines Lebewesens. Das steht außer Frage. Ein deutsches Paar von Ornithologen, Wolfgang und Roswitha Wiltscko, bestätigten in den 70er Jahren, dass sich das Rotkehlchen wirklich auf das Erdmagnetfeld als Richtungsweiser verlässt — ein eingebauter Kompass.

Nur wusste man nicht, wie das geschah. Wir haben nur eine einzige Theorie — wir wissen nicht, ob sie richtig ist — die besagt, dass es durch die sogenannte Quantenverschränkung passiert. In der Netzhaut des Rotkehlchens — das ist kein Witz — in seiner Netzhaut gibt es ein Protein namens Cryptochrom, das lichtsensibel ist, und in dem es ein quantenmechanisch verschränktes Elektronenpaar gibt. Bei einer Quantenverschränkung sind zwei Teilchen weit auseinander und doch miteinander verbunden. Sogar Einstein gefiel das nicht. Er nannte es "spukhafte Fernwirkung".

(Lachen)

Wenn Einstein sich dabei unwohl fühlte, dürfen wir das auch. Zwei verschränkte Elektronen in einem Molekül tanzen einen grazilen Tanz, der den Ausschlag gibt, wohin der Vogel im Erdmagnetfeld fliegt.

Wir wissen nicht, ob die Erklärung richtig ist, aber wäre es nicht spannend, wenn die Quantenmechanik den Vögeln beim Navigieren hilft? Die Quantenbiologie steckt noch in den Kinderschuhen. Sie ist immer noch spekulativ, aber ich glaube, dass sie auf stichhaltiger Wissenschaft basiert. Ich glaube auch, dass wir im kommenden Jahrzehnt mehr und mehr entdecken werden, dass sie das Leben durchdringt; dass das Leben Tricks entwickelt hat, die die Quantenwelt nutzt. Haben Sie ein Auge darauf.

Vielen Dank.

(Applaus)