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Quantensprünge und genetische Variation: Wird Schrödingers Vorhersage wahr?
Mit der Entwicklung der Wissenschaft ist die Quantenbiologie nach und nach zu einem Grenzgebiet an der Schnittstelle von Biologie und Physik geworden. Die Quantenbiologie konzentriert sich auf die Erforschung der Auswirkungen der Quantenmechanik auf biologische Systeme und zeigt ihre Bedeutung für biologische Prozesse auf. Von der enzymatischen Katalyse über sensorische Prozesse bis hin zur Energieumwandlung zeigt die Funktionsweise dieser Prozesse den tiefgreifenden Einfluss der Quantenmechanik. In seinem 1944 erschienenen Buch What is Life? „ erforscht diese Konzepte, stellt seine zentrale Quantenthese vor und hat viele nachfolgende Forscher dazu gebracht, über die Rolle von Quantenphänomenen im Leben nachzudenken.
Schrödingers Vorhersage
Schrödinger glaubt, dass die genetische Information des Lebens in einem „nichtperiodischen Kristall“ gespeichert sein könnte und dass Mutationen in Form von „Quantensprüngen“ auftreten könnten.
Heute hat die Entwicklung der Quantenbiologie einen Teil der Geheimnisse des Lebens gelüftet und die traditionelle Sichtweise der Biologie in Frage gestellt. Viele Forscher arbeiten daran zu klären, wie sich die Quantenmechanik auf die Enzymkatalyse und die Zellfunktion auswirkt, insbesondere bei Energieumwandlungsprozessen wie Photosynthese und Zellatmung. Es hat sich gezeigt, dass Elektronentransfer und Protonentunneln während der Enzymkatalyse in vielen biologischen Prozessen von wesentlicher Bedeutung sind.
Quanteneffekte der Enzymkatalyse
Enzyme sind biologische Katalysatoren, deren Effizienz teilweise auf Quantentunneln beruht. Beim Quantentunneln gelingt es Teilchen unter bestimmten Umständen, Energiebarrieren zu überwinden, die eigentlich nicht zu überwinden sind. Es wurde festgestellt, dass Enzyme in vielen Organismen am Elektronentransfer beteiligt sind, was diese Prozesse effizienter macht.
Quantentunneln ist nicht nur die Grundlage für den Elektronentransfer, sondern auch ein wichtiger Mechanismus für den Protonentransport.
Quantenmechanismus der Energieübertragung
Bei der Photosynthese absorbieren photosynthetische Pigmente mit membrangebundenen Pulssystemen Photonen und übertragen diese Energie auf Reaktionszentren. Dabei gilt die Quantenkohärenz als Schlüsselfaktor, der zur effizienten Energieübertragung beiträgt. Aktuelle Forschungsergebnisse zeigen, dass photosynthetische Pigmente Energie mit einem Wirkungsgrad von über 99 % übertragen können, ein Wirkungsgrad, der nicht allein durch die klassische Physik erklärt werden kann.
Quantenkohärenz ermöglicht die Nutzung mehrerer Wege der Energieübertragung während der Photosynthese und steigert so die Effizienz.
Quantenphänomene in sensorischen Systemen
Neben der Energieübertragung weisen sensorische Systeme auch das Vorhandensein von Quanteneffekten auf. Beispielsweise könnte Quantentunneln an der Funktionsweise des Geruchssinns beteiligt sein. Eine Theorie zur Geruchswahrnehmung besagt, dass Geruchsrezeptoren Gerüche auf der Grundlage molekularer Schwingungen erkennen, was darauf hindeutet, dass Quantenphänomene eine wichtige Rolle in unserer Wahrnehmung spielen.
Ob der Geruchssinn von der Existenz des Quantentunnelns abhängt, wird noch intensiv erforscht.
Zukünftige Forschungsrichtungen
Während sich die Quantenbiologie weiterentwickelt, wird die zukünftige Forschung die spezifischen Auswirkungen dieser Quantenphänomene in der Biologie eingehender untersuchen. Wir könnten feststellen, dass mehr biologische Prozesse durch die Prinzipien der Quantenmechanik gesteuert werden, beispielsweise wie die Anwendung neuer medizinischer Technologien erleichtert werden kann. Auch viele biologische Experimente müssen heute neu interpretiert werden, was eine neue Perspektive auf die Integration von vergleichender Biologie (Biophysik) und Quantenbiologie bietet.
Werden Quanteneigenschaften der Biologie unser Verständnis der Natur des Lebens verändern?
Die wissenschaftliche Gemeinschaft steht vor einer weitreichenden Frage: Wird die Quantenmechanik ein wichtiger Eckpfeiler der zukünftigen Biotechnologie werden und uns dabei helfen, die tiefen Geheimnisse der genetischen Variation zu entschlüsseln? Wie verändern diese Quantenphänomene unser grundlegendes Verständnis des Lebens? Vielleicht wird es in den nächsten Jahrzehnten zu einem wichtigen Thema der wissenschaftlichen Forschung?
