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Biophysik : Quietschgrüne Quantenwesen

Für den Biologen sind das Chloroplasten. Für den Physiker kohärente Zustände. Bild: Science Photo Library

Bei der Photosynthese laufen Prozesse ab, die es nach den klassischen Naturgesetzen gar nicht geben kann.

          7 Min.

          Seth Lloyd hatte nie Biologieunterricht. „Nicht einmal im Kindergarten“, erzählt der Physiker gerne in seinen Vorträgen, die sich gleichwohl seit einigen Jahren immer wieder um ein Thema aus dem Reich des Lebendigen drehen: die Photosynthese, jene Kette biochemischer Prozesse, mittels derer die meisten Pflanzen und viele Bakterien ihren Stoffwechsel mit Solarenergie versorgen. Dann muss Lloyd seinen Zuhören natürlich erzählen, wie er zu dem Thema kam. Im April 2007 erstaunte und belustigte den Professor für Quanteninformatik am Massachusetts Institute of Technology ein Artikel in der New York Times. Darin ging es um die Veröffentlichung einer Gruppe von Chemikern an der University of California in Berkeley, die behaupteten, herausgefunden zu haben, dass photosynthetisierende Einzeller aus der Gruppe der grünen Schwefelbakterien sich verhalten wie Quantencomputer.

          Ulf von Rauchhaupt
          Redakteur im Ressort „Wissenschaft“ der Frankfurter Allgemeinen Sonntagszeitung.

          Diese bislang noch weitgehend theoretischen Apparate nutzen die Eigenschaft mikrokosmischer Objekte wie Lichtquanten oder subatomarer Teilchen, in mehreren Zuständen gleichzeitig zu existieren. Statt entweder eine Null oder eine Eins zu repräsentieren wie die Bits in herkömmlichen Computern, lassen sie sich daher als Überlagerung mehrerer Nullen und Einsen präparieren, mit denen man dann zugleich rechnen kann. Wäre das praktisch umsetzbar, würde dies eine enorme Effizienzsteigerung bedeuten, weswegen weltweit Tausende von Physikern und Informatikern an der Entwicklung von Quantencomputern arbeiten, bis dato aber erst bescheidene Quantenberechnungen durchführen können. Dafür treiben sie zudem einen bislang unpraktikablen apparativen Aufwand, denn damit Quantenphänomene als solche in Erscheinung treten, muss Materie für gewöhnlich auf Temperaturen knapp oberhalb des absoluten Nullpunkts gekühlt und mitunter im Hochvakuum von der Umgebung isoliert werden. Wie soll dergleichen im warmen, weichen und nassen Milieu biologischer Systeme möglich sein?

          Das Erwachen der Quantenbiologie

          Als sich Lloyd die Veröffentlichung aus Berkeley genauer ansah, stellte er – wahrscheinlich zu seiner Erleichterung – schnell fest, dass die Photosynthese-Moleküle jener Bakterien mitnichten irgendwelche Quantenberechnungen ausgeführt hatten. Allerdings zeigen sie tatsächlich genuines Quantenverhalten. Seither ist dies auch in Pigmentmolekülen anderer lichtbedürftiger Organismen nachgewiesen worden: an Purpurbakterien, einzelligen Algen und schließlich auch Pflanzen. Das hat eine ganze neue Disziplin entstehen lassen, die Quantenbiologie, deren Protagonisten das spukhafte Treiben an der Basis der Physik längst auch anderswo im Lebendigen vermuten. Im Magnetsinn von Zugvögeln etwa oder im Geruchssinn. Während bei diesen Vorgängen noch nicht ganz klar ist, ob sie nicht doch mit klassischer Physik erklärt werden können, ist es im Fall der Photosynthese heute ein hartes experimentelles Faktum: Ohne Quantentheorie ist sie nicht zu verstehen.

          Nun geht natürlich alle Chemie und damit auch Biochemie auf Quantenphysik zurück. Die in organischen Molekülen besonders wichtige sogenannte kovalente Bindung funktioniert nur, weil die Elektronen in den Hüllen der beteiligten Atome eine quantenmechanische Eigenschaft namens Spin besitzen, der sie dazu befähigt, maximal paarweise zugleich am gleichen Ort das gleiche Energieniveau zu besetzen. Doch das ist noch keine Quantenbiologie – man kann sich chemische Bindung durchaus auch als mechanisches oder elektrisches Verhaken von Atomen vorstellen, um chemische Prozesse zu verstehen und sogar vorherzusagen.

          Vom Photon zum Exziton

          Auch der allererste Schritt der Photosynthese scheint noch im Bild der klassischen Physik verständlich: Ein Lichtquant oder Photon, das man sich hier als fliegendes Energiepäckchen denken kann, trifft auf das Molekül eines Farbstoffs, etwa Chlorophyll, und schlägt ein Elektron heraus, seinerseits als kleines negativ geladenes Kügelchen gedacht. Wo es im Molekül fehlt, ist eine positive Ladung zurückgeblieben, die das Elektron anzieht wie die Sonne die Erde. Beide bilden ein aneinander gebundenes Paar, ein sogenanntes Exziton, das die Energie des Photons weiterträgt.

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