Auf den ersten Blick scheinen Quanteneffekte und lebende Organismen zu ganz unterschiedlichen Fächern zu gehören: Erstere lassen sich zumeist nur auf der Skala von Nanometern beobachten, in einem Hochvakuum bei extrem tiefen Temperaturen in einer hochgradig kontrollierten Laborumgebung. Letztere dagegen bevölkern die makroskopische Welt, die warm, unordentlich und alles andere als kontrolliert ist. Ein Quantenphänomen wie die "Kohärenz", bei der die Wellenfunktionen aller Teile eines Systems in einer festen Beziehung zueinander stehen, könnte im turbulenten Reich der Zellen keine Mikrosekunde überleben.

So dachte man zumindest. Doch in den vergangenen Jahren haben neue Entdeckungen erste Hinweise darauf geliefert, dass die Natur ein paar Tricks kennt, die den Physikern unbekannt waren: Kohärente Prozesse könnten in der Umwelt sehr wohl allgegenwärtig sein. Bekannte oder vermutete Beispiele reichen von der Fähigkeit der Vögel, mithilfe des Erdmagnetfelds zu navigieren, bis zu den inneren Abläufen der Fotosynthese.

Die Biologie habe den Dreh heraus, zu nutzen, was funktioniert, erklärt Seth Lloyd, Physiker am Massachusetts Institute of Technology in Cambridge. Und wenn es sich dabei um "Quantentricks handelt", so Lloyd, "dann werden eben Quantentricks verwendet." Manche Forscher reden sogar von einer neuen Disziplin: der Quantenbiologie. Sie argumentieren, Quanteneffekte seien zwar seltene, aber lebenswichtige Bestandteile, mit denen natürliche Systeme funktionieren. Und an praktischen Anwendungen interessierte Laborphysiker spitzen ihre Ohren. "Wir hoffen, von den Quantenfertigkeiten der Biologie zu profitieren", sagt Lloyd. Ein besseres Verständnis dafür, wie Quanteneffekte in natürlichen Organismen aufrechterhalten werden, könne den Wissenschaftlern dabei helfen, das schwer erreichbare Ziel eines funktionsfähigen Quantencomputers zu erreichen, so der Forscher. "Oder wir können vielleicht bessere energiespeichernde Geräte oder bessere organische Solarzellen herstellen."

Routenplaner für die Energie

Schon lange hatten die Wissenschaftler den Verdacht, dass bei der Fotosynthese etwas Ungewöhnliches vorgeht. Lichtteilchen, so genannte Photonen, kommen von der Sonne, treffen zufällig auf Chlorophyllmoleküle und andere Licht absorbierende "Antennenpigmente", die in großer Zahl in den Zellen jedes Blattes und jedes fotosynthetischen Bakteriums vorhanden sind. Ist die Energie des Photons erst einmal dort deponiert, dann ist der weitere Ablauf nicht mehr zufälliger Natur. Auf irgendeine Weise wird die Energie in einen stetigen Strom kanalisiert, der auf das fotosynthetische Reaktionszentrum der Zelle zufließt. Dort kann die Energie dann mit maximaler Effizienz für die Umwandlung von Kohlendioxid in Zucker genutzt werden.

Schon in den 1930er Jahren erkannten die Forscher, dass diese Reise quantenmechanisch beschrieben werden muss – eine Beschreibung, in der Teilchen wie beispielsweise Elektronen sich oft wie Wellen verhalten. Wenn ein Photon auf ein Antennenmolekül trifft, stößt es Wellen angeregter Elektronen an – so genannte Exzitonen –, ähnlich wie ein in einen See fallender Stein Wellen auf der Wasseroberfläche erzeugt. Diese Exzitonen wandern dann von einem Molekül zum nächsten, bis sie das Reaktionszentrum erreichen. Besteht diese Wanderung aus zufälligen Sprüngen ohne Vorzugsrichtung, wie die Wissenschaftler ursprünglich annahmen? Oder ist die Bewegung organisiert? Einige moderne Forscher haben gezeigt, dass die Exzitonen kohärent sein können. Ihre Wellen könnten also mehr als ein Molekül überspannen, und sie könnten im Gleichtakt schwingen und sich gegenseitig verstärken.

Wenn das so ist, dann hat es eine bemerkenswerte Konsequenz: Kohärente Quantenwellen können gleichzeitig in zwei oder noch mehr unterschiedlichen Zuständen existieren. Kohärente Exzitonen könnten sich also auf zwei oder mehr unterschiedlichen Wegen gleichzeitig durch den Wald der Antennenmoleküle bewegen. Tatsächlich könnten sie sogar eine Vielzahl unterschiedlicher Optionen erkunden und automatisch den effizientesten Pfad zum Reaktionszentrum wählen.

Vor vier Jahren konnten zwei Teams unter der Leitung von Graham Fleming, Chemiker an der University of California in Berkeley, diese Hypothese experimentell untermauern. Das eine Team verwendete einen Strom sehr kurzer Laserpulse, um die fotosynthetische Maschinerie des grünen Schwefelbakteriums Chlorobium tepidium zu untersuchen. Die Forscher mussten ihre Proben mit flüssigem Stickstoff auf 77 Kelvin kühlen, bis die Daten der Laser klare Zeichen für kohärente Anregungszustände lieferten. Das zweite Team hat eine ähnliche Studie am purpurroten Bakterium Rhodobacter sphaeroides durchgeführt. Sie stießen bei einer Temperatur von 180 Kelvin auf Zeichen für eine elektronische Kohärenz.

2010 publizierten Wissenschaftler der ersten Gruppe dann Beweise für eine Quantenkohärenz in ihrem bakteriellen Komplex bei normaler Raumtemperatur – und zeigten damit, dass die Kohärenz nicht nur ein Artefakt der Bedingungen in einem Tieftemperaturlabor ist, sondern tatsächlich eine wichtige Rolle für die Fotosynthese in der realen Welt spielen könnte. Etwa zur gleichen Zeit berichtete eine Team unter der Leitung von Gregory Scholes, Chemiker an der University of Toronto, ebenfalls über Kohärenz bei normaler Raumtemperatur – aber nicht in Bakterien, sondern in fotosynthetisch aktiven, kryptophytischen Algen: evolutionsbiologisch eigenständige Organismen, die völlig andere Licht absorbierende chemische Gruppen als Pflanzen verwenden.

Fotosynthese nicht das einzige Beispiel

Wie aber kann Quantenkohärenz lange genug bestehen, um für die Fotosynthese von Nutzen zu sein? Die meisten Physiker hatten angenommen, dass – bei Raumtemperatur – das umgebende molekulare Chaos in einer Zelle die Kohärenz praktisch sofort zerstört. Von Lloyd und einigen seiner Kollegen durchgeführte Computersimulationen deuten auf eine Antwort hin: Zufälliges Rauschen in der Umgebung könnte tatsächlich die Effizienz des Energietransport bei der Fotosynthese erhöhen, statt sie zu verringern. Es zeigt sich, dass ein Exziton manchmal an bestimmten Stellen der fotosynthetischen Kette gefangen sein kann. Die Simulationen zeigen, dass das Rauschen der Umgebung das Exziton sanft frei schüttelt, ohne dabei die Kohärenz zu zerstören. "Die Umgebung befreit das Exziton und erlaubt ihm, sein Ziel zu erreichen", so Lloyd.

Die Fotosynthese ist nicht das einzige Beispiel für Quanteneffekte in der Natur. So wissen die Forscher beispielsweise seit mehreren Jahren, dass in einigen von Enzymen katalysierten Reaktionen Protonen per Tunneleffekt von einem Molekül zum anderen wandern. Bei diesem quantenmechanischen Phänomen durchdringt ein Teilchen eine Energiebarriere, ohne dass es ausreichend Energie dafür besitzt, die Barriere klassisch zu überwinden. Eine kontrovers diskutierte Theorie über den olfaktorischen Sinn behauptet außerdem, dass der Geruch durch die biochemische Wahrnehmung molekularer Schwingungen zu Stande kommt – ein Prozess, bei dem Elektronen zwischen den Molekülen tunneln, die für den Geruch und den Rezeptor verantwortlich sind, an den Duftstoffe in der Nase anbinden.

Sind diese Beispiele weitreichend genug, um eine neue Forschungsdisziplin zu rechtfertigen? Robert Blankenship, Fotosyntheseforscher an der Washington University in St. Louis und Koautor von Fleming bei der Veröffentlichung über C. tepidium, ist ein wenig skeptisch: "Mein Gefühl ist, dass es da zwar ein paar Fälle gibt – die wir zum Teil schon kennen –, bei denen diese Effekte wichtig sind. Aber viele, wenn nicht die meisten biologischen Systeme ziehen keinen Nutzen aus Quanteneffekten." Scholes dagegen sieht Gründe für eine optimistischere Sichtweise, wenn man Quantenbiologie nur ausreichend breit definiert: "Ich denke, es gibt andere Beispiele in der Biologie, bei denen ein Verständnis auf quantenmechanischem Niveau uns hilft, ein tieferes Verständnis vom Ablauf der Prozesse zu erhalten."

Der Kompass im Vogelauge

Ein seit Langem ungelöstes Rätsel der Biologie ist, wie einige Vögel mithilfe des Erdmagnetfelds navigieren können. Der magnetische Sinn der Tiere wird durch Licht aktiviert, das auf die Netzhaut des Vogelauges trifft. Der bislang beste Erklärungsansatz der Forscher ist, dass die Energie jedes einfallenden Photons ein Paar freier Radikale erzeugt – hochgradig reaktive Moleküle, mit jeweils einem ungepaarten Elektron. Jedes dieser ungepaarten Elektronen besitzt einen Drehsinn, auch Spin genannt, der sich im Magnetfeld ausrichten kann. Wenn die Radikale sich voneinander entfernen, wird das ungepaarte Elektron des einen hauptsächlich durch den Magnetismus eines nahen Atomkerns beeinflusst, während das ungepaarte Elektron des anderen weiter vom Atomkern entfernt ist und nur das Magnetfeld der Erde fühlt. Der Unterschied zwischen den Feldern verschiebt das Radikalenpaar zwischen zwei Quantenzuständen mit unterschiedlicher chemischer Reaktivität.

"Demnach wird ein bestimmter chemischer Stoff in den Retina-Zellen des Vogelauges erzeugt, wenn das System in dem einen Zustand, aber nicht im anderen Zustand ist", erklärt Simon Benjamin, Physiker an der University of Oxford. "Seine jeweilige Konzentration spiegelt die Orientierung des Erdmagnetfelds wider." Dass diese Erklärung funktionieren könnte, wurde 2008 mit einer künstlichen fotochemischen Reaktion demonstriert, in der Magnetfelder die Lebensdauer eines Radikalenpaars beeinflussten.

Benjamin und seine Mitarbeiter haben vorgeschlagen, dass die beiden ungepaarten Elektronen, die durch ein einziges Photon erzeugt worden sind, im quantenmechanischen Zustand der Verschränkung existieren. Dabei handelt es sich um eine Form der Kohärenz, bei der die Orientierung der Spins der beiden Elektronen miteinander korreliert bleibt, egal wie weit die beiden Radikale voneinander entfernt sind. Verschränkung ist bei Raumtemperatur normalerweise eine äußerst delikate Angelegenheit. Die Forscher haben jedoch berechnet, dass sie im Kompass eines Vogels mehrere zehn Mikrosekunden bestehen kann – wesentlich länger als in jedem künstlichen molekularen System.

Ein solcher quantenmechanischer magnetischer Sinn könnte weit verbreitet sein. Nicht nur Vögel, sondern auch einige Insekten und sogar Pflanzen zeigen physiologische Reaktionen auf magnetische Felder. So beeinflussen Magnetfelder beispielsweise die wachstumshemmende Wirkung von blauem Licht auf die Pflanze Arabidopis thaliana in einer Weise, die mit einer Nutzung von Radikalenpaaren im Einklang ist. Aber um endgültig zu beweisen, dass es auf diese Weise funktioniert, "müssen wir die Moleküle verstehen, die beteiligt sind, und sie im Labor untersuchen", so Benjamin.

Ausgewählte Vorteile

Quantenkohärenz bei der Fotosynthese scheint für Organismen, die den Effekt nutzen, von Vorteil zu sein. Hat sich die Fähigkeit zur Nutzung von Quanteneffekten also durch natürliche Selektion entwickelt? Oder ist sie nur ein zufälliger Nebeneffekt der Struktur bestimmter Moleküle? "Es gibt viele Spekulationen zur Evolutionsfrage – und viele Missverständnisse", sagt Scholes, der selbst alles andere als sicher ist, wie die Antwort lautet. "Wir wissen nicht, ob es einen Selektionsprozess gab, der zu dem Effekt bei der Fotosynthese geführt hat. Wir wissen auch nicht, ob überhaupt die Möglichkeit besteht, die elektronische Energie ohne Kohärenz zu transportieren. Es gibt keinerlei Daten, um die Frage zu beantworten."

Scholes betont, dass es keinen offensichtlichen Grund dafür gibt, warum Selektion Kohärenz bevorzugen sollte. "Nahezu alle fotosynthetischen Organismen verbringen einen großen Teil des Tages damit, die Umwandlung von Licht in Nährstoffe zu zügeln. Es gibt selten zu wenig Licht. Warum sollte also ein Evolutionsdruck da sein, dieses Systen zu optimieren?"

Fleming stimmt dem zu: Er nimmt an, dass die Quantenkohärenz nicht adaptiv ist, sondern "ein Nebenprodukt der hohen Dichte von Chromophoren, die für eine optimale Absorption der Sonnenstrahlung notwendig ist." Scholes hofft, die Angelegenheit durch einen Vergleich der Antennenproteine kryptophyter Algen aufzuklären, die sich zu verschiedenen Zeiten entwickelt haben.

Aber selbst wenn die Quantenkohärenz in biologischen Systemen ein Zufallseffekt ist, so sind die Folgen außergewöhnlich, betont Fleming. Kohärenz macht Systeme unempfindlich gegen Unordnung in der Verteilung der Energie. Mehr noch, sie "ermöglicht einen gleichrichter-ähnlichen Transport der Energie in nur eine Richtung, erzeugt die schnellstmögliche Energietransferrate, ist unabhängig von der Temperatur und vermutlich noch ein paar andere Dinge mehr, an die ich noch nicht einmal gedacht habe."

Wie profitieren wir Menschen davon?

Diese Effekte könnten auch von praktischem Nutzen sein. Ein offensichtlicher Vorteil ist, so Scholes, dass ein besseres Verständnis davon, wie biologische Systeme Quantenkohärenz unter normalen Bedingungen aufrechterhalten, "unsere Denken über die Entwicklung Licht erntender Strukturen ändert." Das könnte den Wissenschaftlern erlauben, beispielsweise Solarzellen mit effizienterer Energieumwandlung zu bauen. Seth Lloyd sieht dies als "begründete Erwartung" und hofft insbesondere, dass seine Entdeckung der positiven Rolle des Umgebungsrauschens bei der Entwicklung photonischer Systeme hilfreich ist, die aus Materialien wie Quantenpunkten (nanometergroßen Kristallen) oder hochgradig verzweigten Polymeren, gespickt mit lichtabsorbierenden chemischen Gruppen, bestehen: Sie könnten als künstliche Antennenanlagen fungieren.

Ein anderes potenzielles Anwendungsgebiet stellen Quantencomputer dar. Das langfristige Ziel von Physikern und Ingenieuren ist die Manipulation von Daten, die in Quantenbits (kurz: Qubits) als kleineste Informationseinheiten kodiert sind. Ein Beispiel dafür sind Spinzustände von Elektronen oder Atomkernen: Der Spin kann jeweils zwei entgegengesetzte Richtungen einnehmen, "spin up" und "spin down" genannt. Qubits können in beiden Zuständen zugleich existieren – und das erlaubt die simultane Berechnung aller möglichen Antworten der auf diese Weise kodierten Rechnung. Im Prinzip kann ein Quantencomputer deshalb sehr viel schneller die beste Lösung eines Problems finden als ein gewöhnlicher Computer – aber nur, wenn die Qubits ihre Kohärenz aufrechterhalten können. Das Rauschen der Umgebung, wie etwa das Gezappel der umgebenden Atome, darf also den Gleichschritt der Wellen nicht zerstören.

Die Biologie hat irgendwie eine Antwort auf diese Herausforderung gefunden: Die Quantenkohärenz erlaubt es fotosynthetischen Systemen, den besten Weg für den Energietransport zu "berechnen". Benjamin, dessen Hauptinteresse in der Entwicklung neuer Materialien für Quantencomputer und allgemein für die Informationstechnologie liegt, sieht den bei Raumtemperatur funktionierenden Kompass der Vögel als potenziellen Wegweiser für die Forschung. "Wenn wir herausfinden, was den Kompass der Vögel vor der Dekohärenz schützt, könnte uns das ein paar Hinweise für die Entwicklung der Quantentechnik geben", sagt Benjamin. Von der Natur lernen – eine Idee so alt wie die Mythologie. Doch bislang konnte sich niemand vorstellen, dass wir aus der Natur sogar etwas über die Quantenwelt lernen könnten.