Quantenphysik bietet erstaunliche Einblicke in biologische Prozesse

Kann sich etwas an zwei Orten gleichzeitig befinden? Nach den Gesetzen der Quantenphysik durchaus. Genauer gesagt kann ein Teilchen laut dem Prinzip der Superposition gleichzeitig zwei verschiedene Zustände einnehmen. Im Rahmen des Projekts PAPETS – die Abkürzung steht für „Phonon-Assisted Processes for Energy Transfer and Sensing“ – erforschen Wissenschaftler dieses und weitere Phänomene an der Schnittstelle zwischen Biologie und Quantenphysik. Ihr Ziel besteht darin, die Rolle der Schwingungsdynamik bei der Photosynthese und unserem Geruchssinn zu ermitteln. Das PAPETS-Projekt umfasst sieben Partner und läuft von September 2014 bis August 2016. Die EU beteiligte sich an der Finanzierung mit 1,8 Millionen Euro.

Quanteneffekte wurden in einem biologischen System, genauer in einem photosynthetischen Komplex, erstmals von Greg Engel und seinen Mit­arbeitern im Jahr 2007 in den USA beobachtet. Diese Effekte wurden in verschiedenen Laboratorien bei einer Temperatur von etwa -193 Grad Celsius und später bei Raumtemperatur reproduziert. „Besonders überraschend und interessant ist, dass diese Quanteneffekte in biologischen Komplexen beobachtet wurden, bei denen es sich um große, feuchte und geräuschvolle Systeme handelt", sagt Yassar Omar, Projektkoordinator von PAPETS und Professor an der Universität Lissabon. „Superposition ist fragil, und wir hätten erwartet, dass sie von der Umgebung zerstört wird.“

Superposition trägt zu einem effizienteren Energietransport bei. Ein Exziton, ein energietragendes Quanten-Quasiteilchen, kann sich schneller durch den photosynthetischen Komplex bewegen, da es sich in zwei Zuständen gleich­zeitig befindet. Wenn es eine Abzweigung erreicht, muss es sich nicht zwischen links und rechts entscheiden. Es kann beide Wege gleichzeitig zurücklegen. „Der Komplex gleicht einem Irrgarten“, so Omar. „Nur eine Tür führt zum Ausgang, doch das Exziton kann beide Wege zur gleichen Zeit auskundschaften. Das ist effizienter.“ Omar und seine Kollegen sind der Ansicht, dass mehrere Faktoren dazu beitragen, dass die Superposition wirken und aufrechterhalten werden kann. Dazu zählt die Schwingungs­dynamik der Umgebung, und genau diese wollen die Forscher genauer verstehen und nutzbar machen.

Die im PAPETS-Projekt untersuchten Theorien werden auch experimentell überprüft, um sie zu validieren und weitere Erkenntnisse zu sammeln. Um beispielsweise den Quantentransport bei der Photosynthese zu erforschen, geben die Forscher kurze Laserimpulse in biologische Systeme ab. An­schließend beobachten sie die Interferenzen im Transportnetzwerk, die eine Signatur wellenförmiger Phänomene darstellen. „Das ist, als lassen wir Steine in einen See fallen“, vergleicht Omar. „Wir können dann beobachten, ob die erzeugten Wellen größer werden oder sich gegenseitig aufheben, wenn sie aufeinandertreffen.“

Obwohl es sich bei PAPETS in erster Linie um ein Forschungsprojekt handelt, führt es zu Erkenntnissen, für die sich möglicherweise praktische An­wen­dungen finden lassen. So erlangen die Forscher ein umfassenderes Ver­ständnis vom Vorgang der Photosynthese, und das könnte die Konstruktion von Solarzellen mit deutlich höheren Wirkungsgraden ermöglichen.

Die Olfaktion, also die Erkennung und Unterscheidung verschiedener Gerüche, ist ein weiteres vielversprechendes Gebiet. Die Versuche kon­zentrieren sich auf das Verhalten von Drosophila-Fliegen. Bisher vermuten die Forscher, dass die Tunnelung von Elektronen, die mit den internen Schwin­gungen eines Moleküls zusammenhängt, eine Signatur von Gerüchen darstellt. Diese Forschungsarbeit könnte industrielle Anwendungen für Lebensmittel, Wasser, Kosmetika und Arzneimittel haben. Bessere künstliche Geruchserkennung könnte beispielsweise zum Nachweis von Unreinheiten oder Verschmutzung zum Einsatz kommen, sagt Omar: „Im Gegensatz zum Sehen, Hören oder Fühlen ist der Geruchssinn nur schwer mit hoher Leistung künstlich nachzustellen.“

CORDIS / RK