Der österreichische Physiker Erwin Schrödinger versuchte Mitte des letzten Jahrhunderts als erster, das Phänomen des Lebens quantenmechanisch zu erklären. Jetzt haben sich genug Daten angesammelt, um Hypothesen darüber aufzustellen, wie Quanteneffekte im Körper entstehen und warum sie dort überhaupt benötigt werden. RIA Novosti spricht über die neuesten Fortschritte in der Quantenbiologie.
Schrödingers Katze lebt ziemlich
Schrödinger beschreibt in seinem 1945 veröffentlichten Buch Was ist Leben aus physikalischer Sicht? Den Mechanismus der Vererbung, Mutationen auf der Ebene von Atomen und Molekülen durch Quantenmechanik. Dies trug zur Entdeckung der DNA-Struktur bei und veranlasste Biologen, ihre eigene Theorie auf der Grundlage strenger physikalischer Prinzipien und experimenteller Daten zu erstellen. Die Quantenmechanik liegt jedoch immer noch außerhalb ihres Anwendungsbereichs.
Trotzdem entwickelt sich die Quantenrichtung in der Biologie weiter. Seine Anhänger suchen aktiv nach Quanteneffekten bei den Reaktionen der Photosynthese, dem physikalischen Geruchsmechanismus und der Fähigkeit der Vögel, das Erdmagnetfeld zu erfassen.
Photosynthese
Pflanzen, Algen und viele Bakterien beziehen ihre Energie direkt aus dem Sonnenlicht. Dazu haben sie eine Art Antenne in Zellmembranen (Lichtsammelkomplexe). Von dort gelangt ein Lichtquant in das Reaktionszentrum innerhalb der Zelle und startet eine Kaskade von Prozessen, die letztendlich das ATP-Molekül - den universellen Brennstoff im Körper - synthetisieren.
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Wissenschaftler achten darauf, dass die Transformation von Lichtquanten sehr effizient ist: Alle Photonen fallen von den Antennen in das aus Proteinen bestehende Reaktionszentrum. Es gibt viele Wege, die dorthin führen, aber wie wählen Photonen den besten aus? Vielleicht benutzen sie alle Pfade gleichzeitig? Dies bedeutet, dass es notwendig ist, die Überlagerung verschiedener Zustände von Photonen aufeinander zuzulassen - die Quantenüberlagerung.
Es wurden Experimente mit lebenden Systemen in Reagenzgläsern durchgeführt, die von einem Laser angeregt wurden, um die Quantenüberlagerung und sogar eine Art "Quantenbit" zu beobachten, aber die Ergebnisse sind inkonsistent.
Quanteneffekte in der Biologie / Illustration von RIA Novosti / Alina Polyanina, Depositphotos.
Vogelkompass
Ein Vogel namens "kleiner Schal" fliegt nonstop von Alaska nach Neuseeland über den Pazifik - 11.000 Kilometer. Der kleinste Richtungsfehler würde sie das Leben kosten.
Es wurde festgestellt, dass Vögel vom Erdmagnetfeld geleitet werden. Einige wandernde singende Arten erfassen die Richtung des Magnetfelds auf fünf Grad.
Um die einzigartigen Navigationsfähigkeiten zu erklären, stellten Wissenschaftler eine Hypothese über einen eingebauten Vogelkompass auf, der aus Magnetitpartikeln im Körper besteht.
Nach einem anderen Gesichtspunkt befinden sich auf der Netzhaut des Vogelauges spezielle Rezeptorproteine, die durch Sonnenlicht eingeschaltet werden. Photonen schlagen Elektronen aus Proteinmolekülen heraus und verwandeln sie in freie Radikale. Diese nehmen eine Ladung auf und reagieren wie Magnete auf ein Magnetfeld. Seine Änderung kann ein paar Radikale zwischen zwei Zuständen umschalten, die wie gleichzeitig existieren. Die Vögel sollen den Unterschied in diesen "Quantensprüngen" spüren und ihren Kurs korrigieren.
Geruch
Eine Person unterscheidet Tausende von Gerüchen, aber die physikalischen Geruchsmechanismen sind nicht vollständig bekannt. Auf der Schleimhaut trifft ein Molekül einer Geruchssubstanz auf ein Proteinmolekül, das es irgendwie erkennt und ein Signal an die Nervenzellen sendet.
Es gibt ungefähr 390 Arten von menschlichen Geruchsrezeptoren, die alle möglichen Gerüche kombinieren und wahrnehmen. Es wird angenommen, dass die Geruchssubstanz das Rezeptorschloss wie ein Schlüssel öffnet. Das Geruchsmolekül ändert sich jedoch chemisch nicht. Woran erkennt der Rezeptor das? Anscheinend spürt er etwas anderes in diesem Molekül.
Wissenschaftler haben vorgeschlagen, dass Elektronen durch Geruchsmoleküle tunneln (Energiebarrieren ohne zusätzliche Energie passieren) und einen gewissen Informationscode zu den Rezeptoren transportieren. Versuche der entsprechenden Versuche an Fruchtfliegen und Bienen haben noch keine verständlichen Ergebnisse erbracht.
„Das Verhalten eines komplexen Systems, insbesondere einer lebenden Zelle, wird durch mikroskopische Prozesse (Chemie) bestimmt, und solche Prozesse können nur durch die Quantenmechanik beschrieben werden. Wir haben einfach keine Alternative. Eine andere Frage ist, wie effektiv diese Beschreibung heute ist. Die Quantenmechanik komplexer Systeme - dies nennt man Quanteninformatik - steckt noch in den Kinderschuhen “, kommentiert RIA Novosti Yuri Ozhigov, Mitarbeiter der Abteilung für Supercomputer und Quanteninformatik der Fakultät für Computermathematik und Kybernetik der Staatlichen Universität Lomonossow, Moskau.
Der Professor glaubt, dass Fortschritte in der Quantenbiologie durch die Tatsache behindert werden, dass moderne physikalische Instrumente für leblose Objekte geschärft werden. Es ist problematisch, mit ihrer Hilfe Experimente an lebenden Systemen durchzuführen.
"Ich hoffe, das sind vorübergehende Schwierigkeiten", schließt er.
Tatiana Pichugina
