„Schrödinger’s Bakterium“ könnte ein Meilenstein in der Quantenbiologie sein.

Ein kürzlich durchgeführtes Experiment könnte lebende Organismen in einen Zustand der Quantenverschränkung versetzt haben.

Die Quantenwelt ist eine seltsame Welt. In der Theorie und in gewissem Maße in der Praxis fordern die Grundsätze, dass ein Partikel an zwei Orten gleichzeitig erscheinen kann – ein paradoxes Phänomen, das als Überlagerung bekannt ist – und dass zwei Partikel „verstrickt“ werden können, indem sie Informationen über beliebig große Entfernungen durch einen noch unbekannten Mechanismus austauschen.

Das vielleicht berühmteste Beispiel für Quantenverrücktheit ist Schrödingers Katze, ein Gedankenexperiment, das Erwin Schrödinger 1935 entwickelte. Der österreichische Physiker stellte sich vor, wie eine Katze, die in eine Box mit einer potenziell tödlichen radioaktiven Substanz gelegt wurde, nach den seltsamen Gesetzen der Quantenmechanik in einer Überlagerung von Tot und Leben existieren könnte – zumindest bis zum Öffnen der Box und der Beobachtung ihres Inhalts.

So weit das scheint, wurde das Konzept unzählige Male auf der Quantenskala experimentell validiert. Auf unsere scheinbar einfachere und sicherlich intuitivere makroskopische Welt hochgestuft, ändern sich die Dinge jedoch. Niemand hat je einen Stern, einen Planeten oder eine Katze in Überlagerung oder einen Zustand der Quantenverschränkung gesehen. Aber seit der ersten Formulierung der Quantentheorie Anfang des 20. Jahrhunderts fragen sich die Wissenschaftler, wo genau sich die mikroskopische und die makroskopische Welt überschneiden. Wie groß kann der Quantenbereich sein, und könnte er jemals groß genug sein, dass seine seltsamsten Aspekte die Lebewesen auf intime Weise eindeutig beeinflussen? In den letzten zwei Jahrzehnten hat das aufstrebende Gebiet der Quantenbiologie nach Antworten auf solche Fragen gesucht und Experimente an lebenden Organismen vorgeschlagen und durchgeführt, die die Grenzen der Quantentheorie ausloten könnten.

Diese Experimente haben bereits zu verlockenden, aber nicht abschließenden Ergebnissen geführt. Anfang des Jahres haben die Forscher beispielsweise den Prozess der Photosynthese gezeigt – wobei Organismen, die Lebensmittel mit Licht herstellen, einige Quanteneffekte haben können. Wie Vögel navigieren oder wie wir riechen, legen auch Quanteneffekte nahe, die auf ungewöhnliche Weise in Lebewesen stattfinden können. Aber diese tauchen nur einen Zeh in die Quantenwelt ein. Bisher hat es noch niemand geschafft, einen ganzen lebenden Organismus – nicht einmal ein einzelliges Bakterium – dazu zu überreden, Quanteneffekte wie Verwirrung oder Überlagerung zu zeigen.

So wirft ein neues Papier aus einer Gruppe an der University of Oxford nun einige Augenbrauen für seine Behauptungen über die erfolgreiche Verschränkung von Bakterien mit Photonen-Lichtpartikeln. Unter der Leitung der Quantenphysikerin Chiara Marletto und veröffentlicht im Oktober im Journal of Physics Communications, ist die Studie eine Analyse eines Experiments, das 2016 von David Coles von der University of Sheffield und seinen Kollegen durchgeführt wurde. In diesem Experiment sequestrierten Coles und die Firma mehrere hundert photosynthetische grüne Schwefelbakterien zwischen zwei Spiegeln und schrumpften die Lücke zwischen den Spiegeln schrittweise auf wenige hundert Nanometer – weniger als die Breite eines menschlichen Haares. Durch das Aufprallen von weißem Licht zwischen den Spiegeln hofften die Forscher, die photosynthetischen Moleküle innerhalb der Bakterien dazu zu bringen, sich mit dem Hohlraum zu koppeln – oder zu interagieren -, was im Wesentlichen bedeutet, dass die Bakterien die aufprallenden Photonen kontinuierlich absorbieren, emittieren und wieder absorbieren würden. Das Experiment war erfolgreich; bis zu sechs Bakterien schienen sich auf diese Weise zu koppeln.

Marletto und ihre Kollegen argumentieren, dass die Bakterien jedoch mehr als nur ein Paar mit der Höhle bilden. In ihrer Analyse zeigen sie, dass die im Experiment erzeugte Energiesignatur mit den photosynthetischen Systemen der Bakterien übereinstimmen könnte, die sich mit dem Licht im Hohlraum verfangen. Im Wesentlichen scheint es, dass bestimmte Photonen gleichzeitig auf photosynthetische Moleküle innerhalb der Bakterien treffen und diese vermissen – ein Markenzeichen der Verstrickung. „Unsere Modelle zeigen, dass dieses aufgezeichnete Phänomen eine Signatur der Verflechtung zwischen Licht und bestimmten Freiheitsgraden innerhalb der Bakterien ist“, sagt sie.

Laut Studienko-Autor Tristan Farrow, ebenfalls aus Oxford, ist dies das erste Mal, dass ein solcher Effekt in einem lebenden Organismus sichtbar wird. „Es ist sicherlich der Schlüssel, um zu zeigen, dass wir ein Stück auf dem Weg zur Idee eines Schrödinger-Bakteriums sind, wenn Sie so wollen“, sagt er. Und es deutet auf eine weitere potenzielle Instanz der natürlich entstehenden Quantenbiologie hin: Grüne Schwefelbakterien leben im tiefen Ozean, wo die Knappheit des lebensspendenden Lichts sogar quantenmechanische evolutionäre Anpassungen anregen könnte, um die Photosynthese zu fördern.

Es gibt jedoch viele Vorbehalte gegen solche umstrittenen Behauptungen. In erster Linie sind die Beweise für eine Verwicklung in diesem Experiment Indizien, abhängig davon, wie man das Licht interpretiert, das durch und aus den hohlraumbegrenzten Bakterien sickert. Marletto und ihre Kollegen bestätigen, dass ein klassisches Modell ohne Quanteneffekte auch die Ergebnisse des Experiments erklären könnte. Aber natürlich sind Photonen überhaupt nicht klassisch – sie sind Quanten. Und doch reproduziert ein realistischeres „semiklassisches“ Modell, das die Newtonschen Gesetze für die Bakterien und die Quantengesetze für Photonen verwendet, nicht das tatsächliche Ergebnis, das Coles und seine Kollegen in ihrem Labor beobachtet haben. Dies deutet darauf hin, dass sowohl im Licht als auch in den Bakterien Quanteneffekte im Spiel waren. „Es ist ein wenig indirekt, aber ich denke, es liegt daran, dass sie nur versuchen, die Dinge so rigoros auszuschließen und etwas zu viel zu behaupten“, sagt James Wootton, ein Quanteninformatik-Forscher am IBM Forschungslabor Zürich, der an keinem der beiden Papiere beteiligt war.

Der andere Vorbehalt: Die Energien der Bakterien und des Photons wurden gemeinsam und nicht unabhängig gemessen. Dies ist, so Simon Gröblacher von der Delft University of Technology in den Niederlanden, der nicht an dieser Untersuchung teilgenommen hat, eine gewisse Einschränkung. „Es scheint etwas Quantenes los zu sein“, sagt er. „Aber….normalerweise, wenn wir Verstrickungen zeigen, müssen Sie die beiden Systeme unabhängig voneinander messen“, um zu bestätigen, dass jede Quantenkorrelation zwischen ihnen echt ist.

Trotz dieser Unsicherheiten ist für viele Experten der Übergang der Quantenbiologie vom theoretischen Traum zur konkreten Realität eine Frage des Wann, nicht des Wenn. Isoliert und kollektiv haben Moleküle außerhalb biologischer Systeme bereits in jahrzehntelangen Laborexperimenten Quanteneffekte gezeigt, so dass es sinnvoll genug erscheint, diese Effekte für ähnliche Moleküle innerhalb eines Bakteriums oder sogar unseres eigenen Körpers zu finden. Bei Menschen und anderen großen multizellulären Organismen sollten solche molekularen Quanteneffekte jedoch bis zur Bedeutungslosigkeit gemittelt werden – aber ihre sinnvolle Ausprägung innerhalb weitaus kleinerer Bakterien wäre nicht allzu schockierend. „Ich bin ein wenig hin- und hergerissen, wie überraschend[dieser Fund] ist“, sagt Gröblacher. „Aber es ist offensichtlich aufregend, wenn man das in einem echten biologischen System zeigen kann.“

Mehrere Arbeitsgruppen, darunter die von Gröblacher und Farrow, hoffen, diese Ideen noch weiter zu vertiefen. Gröblacher hat ein Experiment entworfen, bei dem ein winziges Wassertier, ein so genanntes Tardigramm, in Überlagerung gebracht werden könnte – ein Vorschlag, der aufgrund der hundertmal größeren Größe eines Tardigraden viel schwieriger ist als das Verwirren von Bakterien mit Licht. Farrow sucht nach Möglichkeiten, das bakterielle Experiment zu verbessern; im nächsten Jahr hoffen er und seine Kollegen, zwei Bakterien miteinander und nicht unabhängig mit Licht zu verbinden. „Die langfristigen Ziele sind grundlegend und grundlegend“, sagt Farrow. „Es geht darum, die Natur der Realität zu verstehen, und ob Quanteneffekte einen Nutzen in biologischen Funktionen haben. An der Wurzel der Dinge ist alles Quantum“, fügt er hinzu, wobei die große Frage ist, ob Quanteneffekte eine Rolle spielen, wie Lebewesen funktionieren.

Es könnte zum Beispiel sein, dass „die natürliche Selektion Wege gefunden hat, wie lebende Systeme Quantenphänomene auf natürliche Weise nutzen können“, bemerkt Marletto, wie das bereits erwähnte Beispiel der Photosynthese von Bakterien in der lichthungrigen Tiefsee. Aber um dem auf den Grund zu gehen, muss man klein anfangen. Die Forschung ist stetig in Richtung Makroebene gestiegen, wobei ein neuestes Experiment Millionen von Atomen erfolgreich verwickelt hat. Der Nachweis der Moleküle, aus denen sich Lebewesen zusammensetzen, zeigt sinnvolle Quanteneffekte – auch wenn sie für triviale Zwecke gedacht sind – wäre ein wichtiger nächster Schritt. Durch die Erforschung dieser quantenklassischen Grenze könnten die Wissenschaftler näher an das Verständnis herankommen, was es bedeuten würde, makroskopisch quantenhaft zu sein, wenn eine solche Idee wahr ist.

Jonathan O’Callaghan ist ein freiberuflicher Weltraum- und Wissenschaftsjournalist mit Sitz in London. Du kannst ihm auf Twitter @Astro_Jonny folgen.

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tekk.tv

Lange Zeit war Paul Florian in der TV-Branche tätig. Schon immer gab es eine Schublade voller Handys (und später Smartphones) in seiner Wohnung. Als Online-Redakteur hat der Nerd in ihm diese Schublade nun für Tekk geöffnet.

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