Der Quantenbeat des Lebens: Wie Quantenbiologie die Welt neu erklärt
Author: Jim Al-Khalili; Johnjoe McFadden
Date: 2015-09-25T00:00:00+00:00
Keywords: Science; Physics; Quantum Theory
Description: WORUM GEHT ES? Leben ist das faszinierendste Phänomen des Universums. Aber wie entsteht es? Wie funktioniert es? Und wieso verändert es sich ständig? Die noch junge Wissenschaft der Quantenbiologie liefert bahnbrechende Erklärungen für diese bislang ungelösten Rätsel. Jim Al-Khalili und Johnjoe McFadden zeigen, wie die unglaublich kleinen Ereignisse in der Quantenwelt eine große Wirkung auf alles Leben haben. Genau wie Richard Dawkins‘ Das egoistische Gen kann dieses Buch unser Verständnis von Evolution grundlegend verändern. WAS IST BESONDERS? Dieses Buch eröffnet uns eine völlig neue Sichtwe
Publisher: Ullstein eBooks
Rights: © Jim Al-Khalili und Johnjoe McFadden

JIM AL-KHALILI UND JOHNJOE MCFADDEN

Der Quantenbeat des Lebens

Wie Quantenbiologie die Welt neu erklärt

Aus dem Englischen von Sebastian Vogel

Ullstein

Die Originalausgabe erschien 2014 unter dem Titel Life on the Edge bei Bantam Press, London, einem Imprint von Transworld Publishers.

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ISBN 978-3-8437-1188-3

© 2015
© der deutschsprachigen Ausgabe 2015 by Ullstein Buchverlage GmbH, Berlin
Umschlaggestaltung: Rudolf Linn, Köln nach einer Vorlage von R. Shailer

E-Book: L42 Media Solutions Ltd., Berlin

Alle Rechte vorbehalten.

Für
Penny und Ollie
Julie, David und Kate

1. Einleitung

Der winterliche Frost ist dieses Jahr früh gekommen in Europa. In der Abendluft liegt eine durchdringende Kälte. Tief im Inneren eines jungen Rotkehlchens nimmt ein zunächst vages Gefühl von Zielstrebigkeit und Entschlossenheit immer mehr an Stärke zu. In den letzten Wochen hat das Vogelweibchen weit mehr Insekten, Spinnen, Würmer und Beeren gefressen als normal. Jetzt ist es fast doppelt so schwer wie im August, als seine Jungen das Nest verlassen haben. Das zusätzliche Gewicht stammt vor allem von Fettreserven, und die wird es brauchen: Sie sind der Brennstoff für die anstrengende Reise, auf die es sich in Kürze begeben wird.

Dann wird das Rotkehlchen den mittelschwedischen Kiefernwald zum ersten Mal verlassen. Den Wald, der während seines kurzen bisherigen Lebens sein Zuhause war und wo es noch vor wenigen Monaten seine Jungen großgezogen hat. Zum Glück war der vorige Winter nicht allzu streng gewesen, denn damals ist es noch nicht ganz ausgewachsen und deshalb nicht kräftig genug für eine so lange Reise. Aber jetzt, da es seiner Elternpflichten bis zum nächsten Frühjahr ledig ist, braucht es sich nur um sich selbst zu kümmern. Es ist bereit, sich nach Süden aufzumachen und nach wärmeren Gefilden zu suchen, um dem kommenden Winter zu entfliehen.

Die Sonne ist schon vor einigen Stunden untergegangen, aber statt sich für die Nacht zur Ruhe zu begeben, hüpft das Rotkehlchen im Dämmerlicht an die Spitze eines der unteren Äste des gewaltigen Baumes, in dem es seit dem Frühjahr wohnt. Es schüttelt sich wie ein Marathonläufer, der vor dem Rennen die Muskeln lockert. Die orangefarbene Brust glänzt im Mondlicht. Die Mühe und die Sorgfalt, die es in den Bau seines Nestes gesteckt hat – es ist nur einen knappen Meter entfernt und teilweise hinter der moosbedeckten Rinde des Baumstammes verborgen –, verblassen in der Erinnerung.

Es ist nicht der einzige Vogel, der sich auf die Abreise vorbereitet. Auch andere Rotkehlchen, Männchen und Weibchen, sind zu dem Entschluss gelangt, dass dies die richtige Nacht ist, um die lange Wanderung nach Süden in Angriff zu nehmen. In den Bäumen um sich herum hört es deren durchdringende Rufe, die die üblichen Geräusche anderer nächtlicher Waldbewohner übertönen. Es ist, als fühlten die Vögel sich genötigt, ihre Abreise bekannt zu geben und den anderen Waldbewohnern gleichzeitig mitzuteilen, dass sie es sich genau überlegen sollten, ob sie die Reviere und die leeren Nester der Rotkehlchen in Besitz nehmen, während deren Besitzer fort sind. Denn ganz ohne Zweifel wollen diese im Frühjahr zurückkehren.

Noch einmal wendet das junge Weibchen den Kopf schnell nach der einen und anderen Seite und vergewissert sich, dass die Luft rein ist. Dann erhebt es sich in den Abendhimmel. Die Nächte sind mit dem Heranrücken des Winters länger geworden; bis es sich das erste Mal ausruhen kann, hat es rund zehn Stunden Flug vor sich.

Das Rotkehlchen schlägt einen Kurs von 195 Grad ein, 15 Grad westlich von der genauen Südrichtung. In den nächsten Tagen wird es mehr oder weniger immer in der gleichen Richtung fliegen und dabei, wenn alles gut geht, täglich mehr als 300 Kilometer hinter sich bringen. Es hat keine Ahnung, was ihm unterwegs bevorsteht, und kein Gefühl dafür, wie lange es dauern wird. Das Gelände rund um den Kiefernwald war ihm vertraut, aber schon nach wenigen Kilometern fliegt es jetzt über einer fremdartigen, mondbeschienenen Landschaft mit Seen, Tälern und Ortschaften.

Irgendwo, nicht weit vom Mittelmeer, wird es sein Ziel erreichen. Es hat sich nicht zu einem bestimmten Ort auf den Weg gemacht, aber wenn es an einer günstigen Stelle ankommt, wird es dort bleiben und sich die Charakteristika der Landschaft einprägen, so dass es in den nächsten Jahren hierher zurückkehren kann. Wenn es genügend Kraft hat, fliegt es vielleicht sogar bis an die nordafrikanische Küste. Aber dies ist seine erste Wanderung, und vorerst geht es nur darum, der schneidenden Kälte des herannahenden skandinavischen Winters zu entkommen.

Es scheint die anderen Rotkehlchen gar nicht zu beachten, die alle in etwa die gleiche Richtung fliegen und von denen manche die Reise schon viele Male unternommen haben. Es kann nachts hervorragend sehen, hält aber – anders als wir es auf einer solchen Reise tun würden – nicht Ausschau nach Orientierungsmarken. Es gleicht auch die Position der Sterne am klaren Nachthimmel nicht mit einer inneren Himmelskarte ab, wie andere nachtaktive Zugvögel es tun, vielmehr verfügt es über eine andere bemerkenswerte Fähigkeit. Mehreren Millionen Jahren der Evolution hat es das Rotkehlchen zu verdanken, dass es von nun an jedes Jahr im Herbst nach Süden ziehen und dabei mehr als 3.000 Kilometer zurücklegen kann.

Wanderungen sind im Tierreich gang und gäbe. Lachse laichen beispielsweise jeden Winter in den Flüssen und Seen Nordeuropas, die jungen Lachse folgen nach dem Schlüpfen dem Verlauf ihres Flusses bis ins Meer und in den Nordatlantik. Dort wachsen sie heran und kehren drei Jahre später – wenn sie geschlechtsreif sind – in die Flüsse und Seen ihrer Geburt zurück, um sich dort zu paaren. Amerikanische Monarchfalter wandern im Herbst Tausende von Kilometern über die gesamten Vereinigten Staaten nach Süden. Später kehren sie (oder ihre Nachkommen, denn sie paaren sich unterwegs) nach Norden in dieselben Bäume zurück, auf denen sie sich im Frühjahr verpuppt haben. Grüne Schildkröten, die an den Küsten der Insel Ascension im Südatlantik geschlüpft sind, schwimmen Tausende von Kilometern durch den Ozean, kehren aber alle drei Jahre zurück und paaren sich genau an demselben, von Eierschalen übersäten Strand, von dem sie stammen. Die Liste ließe sich beliebig verlängern: Viele Arten von Vögeln, Walen, Karibus, Langusten, Fröschen, Salamandern und sogar Bienen können Reisen unternehmen, die selbst für die größten Entdecker unter den Menschen eine Herausforderung darstellen würden.

Wie Tiere es schaffen, ihren Weg um die ganze Welt zu finden, war jahrhundertelang ein Rätsel. Heute wissen wir, dass sie sich verschiedener Methoden bedienen: Manche orientieren sich tagsüber an der Sonne und nachts am Sternenhimmel, manche prägen sich Merkmale der Landschaft ein, wieder andere können ihren Weg rund um den Planeten sogar riechen. Aber den rätselhaftesten Orientierungssinn von allen besitzt das Rotkehlchen: Es nimmt Richtung und Stärke des Erdmagnetfeldes wahr, eine Eigenschaft, die man Magnetsinn nennt. Und auch wenn wir mittlerweile eine ganze Reihe anderer Tiere kennen, die ebenfalls über diese Fähigkeit verfügen, so ist doch vor allem die Art und Weise, wie das Rotkehlchen (Erithacus rubecula) seinen Weg um den Globus findet, für unsere Geschichte von Interesse.

Diese besondere Fähigkeit ist in der DNA codiert, die das Rotkehlchen von seinen Eltern geerbt hat. Es ist tatsächlich eine Art sechster Sinn, mit dem der Vogel seinen Kurs bestimmt. Wie viele andere Vögel, Insekten und Meerestiere ist das Rotkehlchen in der Lage, das schwache Magnetfeld der Erde wahrzunehmen und daraus mit einem inneren Orientierungssinn Informationen über die Richtung zu beziehen; im Fall des Rotkehlchens ist dazu ein ungewöhnlicher chemischer Kompass erforderlich.

Der Magnetsinn ist ein Rätsel. Das Erdmagnetfeld ist nämlich mit 30 bis 70 Mikrotesla an der Oberfläche sehr schwach; es reicht aus, um eine fein und nahezu ohne Reibung aufgehängte Kompassnadel abzulenken, hat aber nur ein Hundertstel der Stärke eines typischen Kühlschranktürmagneten. Das wirft eine Frage auf: Damit ein Tier das Erdmagnetfeld wahrnehmen kann, muss dieses irgendwo im Organismus eine chemische Reaktion beeinflussen – nur auf diesem Weg nehmen alle Lebewesen, einschließlich des Menschen, äußere Signale wahr. Aber die Wechselwirkungen zwischen dem Erdmagnetfeld und den Molekülen in lebenden Zellen liefern weniger als ein Milliardstel der Energie, die notwendig ist, um eine chemische Bindung aufzulösen oder herzustellen. Wie also kann das Magnetfeld für das Rotkehlchen wahrzunehmen sein?

Rätsel, und seien sie auch noch so klein, sind faszinierend: Bergen sie doch die Möglichkeit, dass ihre Lösung zu einem grundsätzlichen Wandel in unserem Verständnis der Welt führt. Kopernikus hatte im 16. Jahrhundert über ein relativ unbedeutendes geometrisches Problem im Zusammenhang mit dem ptolemäisch-geozentrischen Modell des Sonnensystems nachgedacht, doch am Ende verschob er den Mittelpunkt des ganzen Universums – weit weg von der Menschheit. Darwins intensive Beschäftigung mit der geographischen Verteilung von Tierarten und die Frage, warum Finken und Spottdrosseln auf abgelegenen Inseln in extrem spezialisierten Formen vorkommen, führte ihn schließlich zu seiner Evolutionstheorie. Und als der deutsche Physiker Max Planck das Rätsel der Schwarzkörperstrahlung löste, die mit der Wärmeabstrahlung heißer Objekte zu tun hat, gelangte er zu der Vermutung, dass die Energie in abgegrenzten Paketen oder »Quanten« vorliegt, womit im Jahr 1900 die Quantentheorie geboren war. Könnte also eine Antwort auf die Frage, wie Vögel ihren Weg rund um die Welt finden, auch zu einer Revolution der Biologie führen? Die Antwort lautet »Ja«, so seltsam dies zunächst auch erscheinen mag.

Aber Rätsel wie dieses ziehen auch Pseudowissenschaftler und Mystiker magisch an. Der Chemiker Peter Atkins aus Oxford stellte 1976 fest: »Die Untersuchung der Wirkung von Magnetfeldern auf chemische Reaktionen war lange ein Tummelplatz für Scharlatane.«[1] Tatsächlich wurden alle möglichen exotischen Phänomene – von der Telepathie und alten Verbindungslinien (»Ley-Lines«: unsichtbare Wege, die angeblich mit spiritueller Energie ausgestattete archäologische Stätten oder Landmarken verbinden) bis hin zum Konzept der »morphischen Resonanz«, das auf den umstrittenen Parapsychologen Rupert Sheldrake zurückgeht – irgendwann einmal als Mechanismen genannt, von denen sich Zugvögel auf ihren Wanderungen leiten lassen. Deshalb war es verständlich, dass Atkins in den 1970er Jahren solche Vorbehalte hatte: In ihnen spiegelte sich die Skepsis der meisten Wissenschaftler wider, die sich zu jener Zeit mit dem Gedanken beschäftigten, Tiere könnten möglicherweise das Erdmagnetfeld wahrnehmen. Es schien einfach keinen molekularen Mechanismus zu geben, der ein Tier dazu in die Lage versetzen sollte – zumindest keinen aus dem Bereich der konventionellen Biochemie.

Aber im selben Jahr, in dem Peter Atkins seine Skepsis zum Ausdruck brachte, veröffentlichte das deutsche Ornithologenehepaar Wolfgang und Roswitha Wiltschko aus Frankfurt einen bahnbrechenden Artikel in Science, einer der weltweit führenden wissenschaftlichen Zeitschriften. Darin wiesen sie zweifelsfrei nach, dass Rotkehlchen tatsächlich das Erdmagnetfeld wahrnehmen.[2] Und was noch bemerkenswerter war: Sie konnten zeigen, dass der Magnetsinn der Vögel nicht wie ein normaler Kompass funktioniert. Während nämlich ein Kompass auf den Unterschied zwischen dem magnetischen Nord- und Südpol anspricht, kann ein Rotkehlchen nur zwischen Pol und Äquator unterscheiden.

Um eine Vorstellung davon zu bekommen, wie ein solcher Kompass funktionieren könnte, müssen wir uns mit den magnetischen Feldlinien beschäftigen, jenen unsichtbaren Spuren, die die Richtung eines Magnetfeldes definieren und an denen eine Kompassnadel sich ausrichtet, wenn man sie an irgendeiner Stelle in das Feld bringt. Am bekanntesten sind sie uns als Linienmuster, das Eisenfeilspäne auf einem Blatt Papier bilden, wenn man dieses über einen Stabmagneten legt. Man kann sich die Erde als riesigen Stabmagneten vorstellen, dessen Feldlinien aus dem Südpol entspringen, von dort nach außen verlaufen, einen Bogen machen und in den Nordpol eintreten (Abbildung 1.1). Solche Feldlinien verlaufen in der Nähe der beiden Pole fast im rechten Winkel zum Boden, aber in der Nähe des Äquators werden sie flacher und verlaufen nahezu parallel zur Oberfläche. Ein Kompass, der den Winkel zwischen den magnetischen Feldlinien und der Erdoberfläche misst – ein solches Gerät könnte man als Neigungskompass bezeichnen –, kann also zwischen der Richtung zum Pol und der Richtung zum Äquator unterscheiden. Eine Unterscheidung zwischen Nord- und Südpol ist dagegen nicht möglich, denn die Feldlinien verlaufen auf beiden Seiten des Globus im gleichen Winkel zur Erdoberfläche. Das Ehepaar Wiltschko wies 1976 in seiner Studie nach, dass der Magnetsinn des Rotkehlchens genau wie ein solcher Neigungskompass funktioniert. Das Problem war nur, dass niemand eine Ahnung hatte, wie ein biologischer Neigungskompass arbeiten könnte: Zu jener Zeit war einfach kein Mechanismus bekannt oder auch nur vorstellbar, mit dem sich erklären ließ, wie der Neigungswinkel des Erdmagnetfeldes im Organismus eines Tieres wahrgenommen werden könnte. Die Antwort war, wie sich herausstellte, in einer der erstaunlichsten wissenschaftlichen Theorien unserer Zeit zu finden: der Quantenmechanik.

Abb. 1.1: Das Magnetfeld der Erde.

Eine verborgene, gespenstische Realität

Würde man heute unter Wissenschaftlern eine Umfrage veranstalten und sich erkundigen, welche Theorie sie für die erfolgreichste, weitreichendste und wichtigste der gesamten Naturwissenschaft halten, hinge die Antwort vermutlich stark davon ab, ob man Vertreter der Physik oder der Biowissenschaften befragt. Die meisten Biologen würden wohl Darwins Theorie der Evolution durch natürliche Selektion anführen. Ein Physiker dagegen wird wahrscheinlich die Ansicht vertreten, dass diese Ehrenbezeichnung der Quantenmechanik gebührt – schließlich ist sie die Grundlage, auf der große Teile der Physik und der Chemie aufbauen. Die Quantenmechanik vermittelt uns ein bemerkenswert vollständiges Bild von den Bausteinen des gesamten Universums; ohne ihre Erklärungskraft würde sich ein großer Teil unserer heutigen Kenntnisse über die Funktionsweise der Welt in Luft auflösen.

Das Wort »Quantenmechanik« hat fast jeder schon einmal gehört, und auch die Vorstellung, dass es sich dabei um ein schwieriges Fachgebiet handelt, von dem nur sehr wenige, sehr schlaue Menschen etwas verstehen, ist weit verbreitet. In Wirklichkeit gehört die Quantenmechanik aber seit Beginn des 20. Jahrhunderts für uns alle zum Leben. Ihre wissenschaftliche Seite wurde Mitte der 1920er Jahre als mathematische Theorie entwickelt, mit der man die Welt des Allerkleinsten (auch Mikrokosmos genannt) verstehen wollte: das Verhalten der Atome, aus denen alles um uns herum besteht, und auch die Eigenschaften der noch kleineren Teilchen, aus denen sich die Atome zusammensetzen. Die Quantenmechanik beschreibt zum Beispiel, welchen Regeln die Elektronen gehorchen und wie sie sich innerhalb der Atome anordnen; damit ist sie die Grundlage für die gesamte Chemie, die Materialwissenschaften und auch die Elektronik. Und ihre mathematischen Gesetzmäßigkeiten bilden das Kernstück der meisten technischen Fortschritte des letzten halben Jahrhunderts. Würde die Quantenmechanik nicht erklären, wie sich Elektronen durch die Materie bewegen, wir hätten das Verhalten der Halbleiter – die Fundamente der modernen Elektronik – nie verstanden, und ohne Wissen über Halbleiter hätten wir weder den Siliziumtransistor noch später den Mikrochip und den modernen Computer erfinden können. Die Liste lässt sich beliebig verlängern: Ohne wissenschaftliche Fortschritte, die wir der Quantenmechanik verdanken, würde kein Laser existieren (und damit auch weder CDs noch DVDs oder Blu-ray-Player). Ohne Quantenmechanik gäbe es keine Smartphones, keine Satellitennavigation und keine MRT-Scanner. Schätzungen zufolge hängt über ein Drittel des Bruttoinlandsprodukts der Industrieländer von Anwendungen ab, die ohne ein Verständnis der Quantenwelt schlicht nicht vorhanden wären.

Und das ist nur der Anfang. Wir können uns – aller Wahrscheinlichkeit nach noch zu unseren Lebzeiten – auf eine Quantenzukunft freuen: Uns werden dank laserbetriebener Kernfusion nahezu unbegrenzte Mengen elektrischer Energie zur Verfügung stehen, molekulare Maschinen werden eine Fülle biochemischer, medizinischer und technischer Aufgaben erledigen, Quantencomputer werden künstliche Intelligenz zur Verfügung stellen, und vielleicht wird man sogar die Teleportation, die heute noch Science-Fiction ist, regelmäßig zur Informationsübermittlung nutzen. Die Quantenrevolution des 20. Jahrhunderts gewinnt im 21. an Fahrt und wird unser Leben auf eine Weise verändern, die wir uns noch gar nicht vorstellen können.

Aber was ist Quantenmechanik eigentlich? Mit dieser Frage werden wir uns in dem vorliegenden Buch befassen, und um einen kleinen Vorgeschmack zu bekommen, wollen wir an ein paar Beispielen die verborgene Quantenrealität aufzeigen, die sich durch unser Leben zieht.

In unserem ersten Beispiel geht es um eine merkwürdige Besonderheit der Quantenwelt (genau genommen ist es die charakteristische Eigenschaft, über die man sie definiert): die Dualität von Welle und Teilchen. Wie wir alle wissen, bestehen wir selbst und die Dinge um uns herum aus einer riesigen Zahl winziger Teilchen, wie Atomen, Elektronen, Protonen und Neutronen. Manch einer weiß vielleicht auch, dass Energie, beispielsweise Licht oder Schall, in Wellenform auftritt und nicht in einzelnen Teilchen. Wellen sind nicht »portioniert«, sondern »am Stück«, und sie bewegen sich durch den Raum als – nun, eben als Wellen mit Bergen und Tälern wie die Wogen auf dem Meer. Die Quantenmechanik wurde geboren, als man in den ersten Jahren des 20. Jahrhunderts entdeckte, dass sich subatomare Teilchen wie Wellen verhalten können; umgekehrt können sich Lichtwellen auch wie Teilchen verhalten.

An die Dualität von Wellen und Teilchen braucht man zwar nicht jeden Tag zu denken, sie ist aber das Grundprinzip vieler sehr wichtiger Maschinen, so beispielsweise der Elektronenmikroskope, mit denen Ärzte und Wissenschaftler winzige Objekte, die so klein sind, dass sie unter herkömmlichen Lichtmikroskopen unsichtbar bleiben, identifizieren und studieren können, beispielsweise die Viren, die AIDS oder die gewöhnliche Erkältung verursachen. Die Entdeckung, dass Elektronen wellenartige Eigenschaften haben, gab die Anregung zur Erfindung des Elektronenmikroskops. Da solche Elektronenwellen eine viel kürzere Wellenlänge (der Abstand zwischen aufeinanderfolgenden Wellenbergen oder -tälern) haben als sichtbares Licht, zogen die deutschen Wissenschaftler Max Knoll und Ernst Ruszka den Schluss, dass man mit einem Mikroskop auf Elektronenbasis viel feinere Details darstellen können sollte als mit einem Lichtmikroskop. Der Grund: Jedes winzige Objekt oder Detail, dessen Abmessungen kleiner sind als die der Welle, die darauf fällt, hat auf diese Welle keinen Einfluss oder Effekt. Denken wir beispielsweise an Meereswellen mit Wellenlängen von mehreren Metern, die auf die Kiesel am Strand treffen. Durch Untersuchung der Wellen würde man nichts über die Form oder Größe eines einzelnen Kieselsteins erfahren. Dazu braucht man viel kürzere Wellenlängen, wie man sie beispielsweise in einem Wellentank erzeugen kann, den Sie vielleicht noch aus Ihrem Schulunterricht kennen: Mit seiner Hilfe kann man einen Kiesel daran »erkennen«, wie die Wellen von ihm abprallen oder um ihn herum abgelenkt werden. Im Jahr 1931 bauten Knoll und Ruszka das erste Elektronenmikroskop und nahmen damit die allerersten Bilder von Viren auf; Ernst Ruska erhielt dafür – ein bisschen spät vielleicht – 1986, zwei Jahre vor seinem Tod, den Nobelpreis.

Unser zweites Beispiel ist noch grundsätzlicherer Natur. Warum scheint eigentlich die Sonne? Den meisten Menschen ist wahrscheinlich klar, dass die Sonne eigentlich ein Kernfusionsreaktor ist: Durch Verbrennung von Wasserstoffgas werden Wärme und Sonnenlicht freigesetzt, die das Leben auf der Erde erst möglich machen. Weniger bekannt ist aber, dass die Sonne überhaupt nicht scheinen würde, wenn es nicht eine bemerkenswerte Quanteneigenschaft gäbe, die es Teilchen ermöglicht, »durch Wände zu gehen«. Die Sonne ist – ebenso wie alle anderen Sterne im Universum – in der Lage, so gewaltige Energiemengen abzugeben, weil die Kerne der Wasserstoffatome, die jeweils nur aus einem einzigen positiv geladenen Teilchen (dem Proton) bestehen, verschmelzen können. Dies hat zur Folge, dass Energie in Form von elektromagnetischer Strahlung frei wird, die wir Sonnenlicht nennen. Damit zwei Wasserstoffkerne verschmelzen können, müssen sie sich einander sehr stark annähern. Je näher sie sich aber kommen, desto stärker wird die Abstoßungskraft zwischen ihnen, weil jeder von ihnen eine positive elektrische Ladung trägt – und gleiche Ladungen stoßen sich ab. Damit sie nahe genug zusammenkommen und verschmelzen können, müssen die Teilchen die subatomare Entsprechung zu einer Backsteinwand durchstoßen – eine scheinbar undurchdringliche Energiebarriere. Die klassische Physik[1] – die auf Isaac Newtons Bewegungsgesetzen sowie auf Mechanik und Gravitation aufbaut und die Alltagswelt der Kugeln, Federn, Dampfmaschinen (und auch Planeten) sehr gut beschreibt – sagt, dass so etwas nicht möglich ist: Teilchen sollten keine Wände durchdringen, und deshalb dürfte auch die Sonne eigentlich nicht scheinen.

Aber Atomkerne und andere Teilchen, die den Regeln der Quantenmechanik gehorchen, haben einen netten Trick auf Lager: Sie können solche Barrieren ganz leicht überwinden – durch einen Vorgang, den man als »Quanten-Tunneleffekt« bezeichnet. Diese Fähigkeit verdanken sie im Wesentlichen ihrer Welle-Teilchen-Dualität. Wellen können nicht nur um Objekte wie die Kieselsteine am Strand herumfließen, sondern auch Objekte durchdringen wie die Schallwellen das Mauerwerk, wenn wir den Fernseher unseres Nachbarn hören. Natürlich dringt die Luft, die solche Schallwellen überträgt, selbst nicht durch die Wand: Vielmehr bringen ihre Schwingungen – die Schallwellen – die gemeinsame Wand zum Schwingen, dadurch wird die Luft in unserem Zimmer in Bewegung versetzt, so dass sie die Schwingungen aufnimmt und als Schallwellen bis zu unseren Ohren trägt. Könnten wir uns aber wie ein Atomkern verhalten, wären wir manchmal in der Lage, wie ein Gespenst geradewegs durch eine feste Wand zu gehen.[2] Genau das Gleiche gelingt einem Wasserstoff-Atomkern im Inneren der Sonne: Er kann sich ausbreiten und durch die Energiebarriere »schlüpfen« wie ein Phantom; dann kommt er seinem Partner auf der anderen Seite der Wand so nahe, dass beide verschmelzen können. Wenn wir also das nächste Mal am Strand ein Sonnenbad nehmen und zusehen, wie die Wellen an den Strand schwappen, sollten wir einen Gedanken auf die geisterhaften Wellenbewegungen der Quantenteilchen verwenden, die es uns nicht nur ermöglichen, den Sonnenschein zu genießen, sondern überhaupt alles Leben auf unserem Planeten erst möglich machen.

Das dritte Beispiel ist ähnlich, verdeutlicht aber einen anderen, noch seltsameren Aspekt der Quantenwelt: Durch ein Phänomen namens Superposition können Partikel zwei – oder hundert oder eine Million – Dinge gleichzeitig tun. Diese Eigenschaft ist der Grund, warum unser Universum so ungeheuer komplex und interessant ist. Nicht lange nach dem Urknall, durch den unser Universum ins Dasein trat, war der Raum nur mit Atomen eines einzigen Typs angefüllt: mit Wasserstoff, der in seiner Struktur am einfachsten ist, weil er nur aus einem positiv geladenen Proton und einem negativ geladenen Elektron besteht. Dieses Universum war ein recht langweiliger Ort – es gab weder Sterne noch Planeten und erst recht keine Lebewesen, weil die Grundbausteine von allem, was uns umgibt, einschließlich unserer selbst, nicht nur aus Wasserstoff bestehen, sondern auch aus schwereren Elementen wie Kohlenstoff, Sauerstoff und Eisen. Glücklicherweise wurden diese schwereren Elemente im Inneren der mit Wasserstoff gefüllten Sterne zusammengekocht, und ihr Ausgangsmaterial, eine Form des Wasserstoffs namens Deuterium, verdankt seine Existenz einem kleinen Stück Quantenzauberei.

Den ersten Schritt in dem Rezept haben wir gerade beschrieben: Zwei Wasserstoffkerne – Protonen – kommen sich durch den Quanten-Tunneleffekt so nahe, dass ein Teil der Energie frei wird, sich in Sonnenlicht verwandelt und unseren Planeten erwärmt. Als Nächstes müssen die beiden Protonen aneinander binden; das ist nicht einfach, denn die Kräfte zwischen ihnen sorgen für keinen ausreichend starken Zusammenhalt. Alle Atomkerne bestehen aus zweierlei Teilchen: den Protonen und ihren elektrisch neutralen Partnern, den Neutronen. Enthält ein Atomkern von dem einen oder anderen zu viel, verlangen die Regeln der Quantenmechanik, dass das Gleichgewicht wiederhergestellt wird. Dann verwandeln sich die überzähligen Teilchen in die andere Form: Durch einen Prozess, den man Beta-Zerfall nennt, werden Protonen zu Neutronen oder Neutronen zu Protonen. Genau das geschieht, wenn zwei Protonen aufeinandertreffen: Die Verbindung aus zwei Protonen kann nicht existieren, sondern eines von beiden verwandelt sich durch den Beta-Zerfall in ein Neutron. Das verbleibende Proton und das neu gebildete Neutron können aneinander binden und bilden ein sogenanntes Deuteron – den Kern eines Atoms des schweren Wasserstoff-Isotops[3] Deuterium. Danach sorgen weitere Kernreaktionen für den Aufbau der komplizierteren Atomkerne anderer Elemente, die schwerer sind als Wasserstoff – vom Helium (mit zwei Protonen und einem oder zwei Neutronen) bis hin zum Kohlenstoff, Stickstoff, Sauerstoff und so weiter.

Entscheidend ist dabei, dass das Deuteron sein Dasein der Fähigkeit verdankt, durch Quanten-Superposition in zwei Zuständen gleichzeitig zu existieren. Das Proton und das Neutron können nämlich auf zwei Arten, die sich durch ihren Spin unterscheiden, aneinanderkleben bleiben. Wie wir später noch genauer erfahren werden, ist der »Quantenspin« etwas anderes als der allgemein bekannte Spin eines großen Objekts, beispielsweise eines Tennisballs. Vorerst bleiben wir aber bei unserer klassischen Vorstellung von einem Teilchen, das sich dreht, und malen uns aus, dass sowohl das Proton als auch das Neutron innerhalb des Deuterons in einer sorgfältig choreographierten Kombination aus einem langsamen Walzer und einem schnelleren Jive rotieren. Wie man Ende der 1930er Jahre entdeckte, tanzen die beiden Teilchen innerhalb des Deuterons nicht gemeinsam entweder in dem einen oder dem anderen dieser beiden Zustände, sondern in beiden Zuständen gleichzeitig – sie befinden sich zur gleichen Zeit in einem Wirbel aus Walzer und Jive; das versetzt sie in die Lage, aneinanderzubinden.[4]

Eine naheliegende Reaktion auf solche Behauptungen lautet: »Woher wissen wir das?« Natürlich sind Atomkerne so klein, dass man sie nicht sehen kann, wäre es demnach nicht vernünftiger anzunehmen, dass unser Wissen über die Kräfte im Atomkern lückenhaft ist? Die Antwort lautet Nein: In vielen Labors wurde immer und immer wieder bestätigt, dass ein Proton und ein Neutron, die die Entsprechung entweder zu einem Quantenwalzer oder einem Quantenjive aufführen, nicht aneinanderbinden könnten, weil der Atomkern-»Klebstoff« zwischen ihnen nicht stark genug wäre. Nur wenn diese beiden Zustände einander überlagert sind – wenn beide Realitäten gleichzeitig existieren –, reicht die Bindungskraft aus. Man kann sich die beiden überlagerten Realitäten ein wenig so vorstellen, als würde man zwei Farben – beispielsweise Blau und Gelb – so mischen, dass die neue Farbe Grün entsteht. Wir wissen zwar, dass das Grün aus den beiden Primärfarben besteht, es ist aber weder die eine noch die andere. Und unterschiedliche Anteile von Blau und Gelb lassen unterschiedliche Grüntöne entstehen. Ähnlich das Deuteron: Es hält zusammen, wenn das Proton und das Neutron vorwiegend in einem Walzer gefangen sind, dem nur eine winzige Menge Jive aufgesetzt wird.

Könnten also Teilchen nicht Jive und Walzer zur gleichen Zeit tanzen, unser Universum wäre noch heute eine Suppe aus Wasserstoffgas und nichts anderem – es gäbe keine Sterne, die leuchten, keines der anderen Elemente hätte sich gebildet, und wir würden diese Worte nicht lesen. Wir existieren, weil sich Protonen und Neutronen so quantenmäßig gegen alle Intuition verhalten können.

Unser letztes Beispiel führt uns wieder in die Welt der Technik. Das Wesen der Quantenwelt kann man nicht nur ausnutzen, um Viren und andere winzige Objekte sichtbar zu machen, sondern auch um in unseren Körper hineinzublicken. Die Magnetresonanztomographie (MRT) ist ein bildgebendes Verfahren aus der Medizin, das wunderbar detaillierte Bilder von weichem Gewebe liefert. MRT-Aufnahmen dienen routinemäßig dazu, Krankheiten zu diagnostizieren und insbesondere Tumore in inneren Organen aufzuspüren. Die meisten nicht für Fachleute bestimmten Beschreibungen der MRT verzichten auf die Erwähnung der Tatsache, dass das Verfahren von einer seltsamen Eigenart der Quantenwelt abhängt. Bei der MRT werden die Achsen der rotierenden Kerne von Wasserstoffatomen im Körper des Patienten mit starken Magneten in einer Richtung ausgerichtet. Diese Atome setzt man dann einem Puls aus Radiowellen aus, der die gleichmäßig angeordneten Atomkerne zwingt, in einem irren Quantenzustand zu existieren: Sie drehen sich in beide Richtungen zugleich! Der Versuch, sich das bildlich vorzustellen, ist zum Scheitern verurteilt – dazu ist es von unseren Alltagserfahrungen zu weit entfernt! Wichtig ist: Wenn sich die Atomkerne »entspannen« und in den ursprünglichen Zustand zurückkehren – in den Zustand, in dem sie sich befanden, bevor sie durch den Energiepuls in die Quanten-Superposition gestoßen wurden –, geben sie die Energie wieder ab; diese wird dann von der Elektronik des MRT-Scanners aufgenommen und erzeugt die wunderschön detaillierten Bilder unserer inneren Organe.

Sollten Sie also irgendwann einmal in einem MRT-Scanner liegen (und vielleicht der Musik lauschen, die durch die Kopfhörer eingespielt wird), dann verschwenden Sie auch einen kurzen Gedanken auf das der Intuition widersprechende Verhalten der subatomaren Teilchen, das diese Technologie möglich macht.

Quantenbiologie

Was haben alle diese Merkwürdigkeiten der Quantenwelt mit dem Flug des Rotkehlchens zu tun, das seinen Weg um den Globus findet? Nun, wie bereits erwähnt, wiesen die Wiltschkos Anfang der 1970er Jahre mit ihren Forschungsarbeiten nach, dass der Magnetsinn des Rotkehlchens genauso funktioniert wie ein Neigungskompass. Das war außerordentlich rätselhaft, denn zu jener Zeit hatte niemand eine Ahnung, wie ein biologischer Neigungskompass funktionieren könnte. Ungefähr zur gleichen Zeit interessierte sich aber der deutsche Wissenschaftler Klaus Schulten für die Frage, wie Elektronen in chemischen Reaktionen, an denen freie Radikale beteiligt sind, übertragen werden. Freie Radikale sind Moleküle, in deren äußerer Elektronenhülle sich einsame Elektronen befinden – normalerweise sind die meisten Elektronen in den Atomorbitalen paarweise angeordnet. Das ist wichtig, wenn man an die seltsame Quanteneigenschaft des Spins denkt: Paarweise angeordnete Elektronen rotieren normalerweise in entgegengesetzte Richtungen, so dass sich ihr Gesamtspin zu null neutralisiert. Den einsamen Elektronen der freien Radikale dagegen fehlt der Zwilling, der den Spin aufhebt, und so haben sie einen negativen Spin, der ihnen eine magnetische Eigenschaft verleiht: Ihr Spin kann sich in einem Magnetfeld ausrichten.

Schulten äußerte die Vermutung, dass die Elektronen in Paaren freier Radikale, die durch einen Prozess namens schnelle Triplettreaktion entstehen, »quantenverschränkt« sein könnten. Aus bestimmten Gründen, von denen später noch die Rede sein wird, reagiert ein solcher empfindlicher Quantenzustand der beiden getrennten Elektronen höchst sensibel auf die Richtung jedes äußeren Magnetfeldes. Womöglich, so Schultens Überlegung, hat der rätselhafte Kompass der Vögel irgendwie mit dieser Quantenverschränkung zu tun.

Wir haben die Quantenverschränkung bisher nicht erwähnt, denn sie ist vermutlich der allerseltsamste Aspekt der Quantenmechanik. Sie erlaubt es Teilchen, die früher zusammen waren, selbst dann in einer simultanen, fast magischen Kommunikation miteinander zu verbleiben, wenn riesige Entfernungen zwischen ihnen liegen. Beispielsweise können Teilchen, die früher nahe zusammen waren und sich jetzt an den entgegengesetzten Enden des Universums befinden, zumindest im Prinzip immer noch in Verbindung stehen. Stieße man ein solches Teilchen an, würde dies dazu führen, dass sein weit entfernter Partner im gleichen Augenblick einen Hüpfer macht.[5] Die Pioniere der Quantenmechanik konnten nachweisen, dass sich die Verschränkung ganz natürlich aus ihren Gleichungen ergibt, aber die Folgerungen waren so ungewöhnlich, dass selbst Einstein, der uns die Schwarzen Löcher und die gekrümmte Raumzeit geschenkt hat, sie nicht akzeptieren mochte, sondern sie als »gespenstische Fernwirkung« lächerlich machte. Tatsächlich fasziniert gerade diese gespenstische Fernwirkung häufig die »Quantenmystiker«, die die Quantenverschränkung beispielsweise für paranormale »Phänomene« wie die Telepathie verantwortlich machen wollen. Einstein war skeptisch, weil die Verschränkung seine Relativitätstheorie zu verletzen schien – die besagt nämlich, dass kein Einfluss und kein Signal schneller als mit Lichtgeschwindigkeit durch den Raum wandern kann. Gleichzeitige, gespenstische Verbindungen zwischen weit entfernten Teilchen sollte es Einstein zufolge nicht geben. In dieser Hinsicht hatte er unrecht: Heute verfügen wir über empirische Befunde, wonach Quantenteilchen tatsächlich simultane Verbindungen über große Entfernungen haben können. Aber nur falls jemand die Frage stellt: Man kann sich nicht auf die Quantenverschränkung berufen, um damit die Telepathie glaubwürdiger zu machen.

Der Gedanke, die seltsame Quantenverschränkung könne für gewöhnliche chemische Reaktionen eine Rolle spielen, galt Anfang der 1970er Jahre als völlig exotisch. Wie Einstein bezweifelten damals viele Wissenschaftler, dass verschränkte Teilchen überhaupt existieren, denn nachgewiesen hatte sie noch niemand. In den nachfolgenden Jahrzehnten jedoch konnte man die Existenz dieser gespenstischen Verbindungen mit vielen klugen Laborexperimenten bestätigen; das berühmteste stellte eine Arbeitsgruppe französischer Physiker unter Leitung von Alain Aspect schon 1982 an der Universität Paris-Süd an.

Aspects Team erzeugte Paare von Photonen (Lichtteilchen) mit verschränkten Polarisationszuständen. Die Polarisation von Licht ist den meisten wahrscheinlich am ehesten von den polarisierenden Sonnenbrillen ein Begriff. Jedes Lichtphoton hat eine bestimmte Richtung, den Polarisationswinkel, der ein wenig der zuvor erläuterten Eigenschaft des Spins ähnelt.[6] Die Photonen im Sonnenlicht haben alle möglichen Polarisationswinkel, eine polarisierende Sonnenbrille filtert sie jedoch und lässt nur diejenigen Photonen durch, die einen ganz bestimmten Polarisationswinkel haben. Aspect erzeugte Photonenpaare, in denen die beiden Partner nicht nur unterschiedliche Polarisationsrichtungen hatten – beispielsweise der eine nach oben, der andere nach unten –, sondern auch verschränkt waren, und wie die Tanzpartner in unserem vorherigen Beispiel zeigte in Wirklichkeit keiner der verschränkten Partner tatsächlich in die eine oder andere Richtung: Sie wiesen vielmehr gleichzeitig in beide Richtungen, bis sie gemessen wurden.

Die Messung ist einer der rätselhaftesten Aspekte der Quantenmechanik und sicherlich der am heftigsten umstrittene, denn sie wirft eine Frage auf, die sich sicher der eine oder andere schon gestellt hat: Warum tun nicht alle Gegenstände, die wir sehen, diese seltsamen, wunderbaren Dinge, zu denen Quantenteilchen in der Lage sind? Die Antwort: In der mikroskopischen Quantenwelt können sich Teilchen nur dann so seltsam verhalten und beispielsweise zwei Dinge gleichzeitig tun, durch Wände gehen oder gespenstische Verbindungen aufrechterhalten, wenn niemand zusieht. Sobald man sie beobachtet oder in irgendeiner Weise misst, verlieren sie ihre seltsamen Eigenschaften und verhalten sich wie die klassischen Objekte, von denen wir umgeben sind. Das aber wirft natürlich eine weitere Frage auf: Welche besondere Eigenschaft der Messungen ist der Grund, dass sich das Quantenverhalten in klassisches Verhalten verwandelt?[7] Die Antwort auf diese Frage ist für unsere Geschichte von entscheidender Bedeutung, denn die Messung steht auf der Grenze zwischen Quantenwelt und klassischer Welt, auf der Quantengrenze, wo unserer Meinung nach – wie der Originaltitel des Buches (Life on the Edge) andeutet – auch unser Leben angesiedelt ist.

Mit dem Thema der Quantenmessungen werden wir uns in diesem Buch immer wieder beschäftigen, und wir hoffen, dass dabei allmählich die Feinheiten dieses rätselhaften Prozesses verständlich werden. Vorerst wollen wir nur die einfachste Interpretation des Phänomens betrachten: Wenn eine Eigenschaft, beispielsweise der Polarisationszustand, mit einem wissenschaftlichen Instrument gemessen wird, ist er augenblicklich gezwungen, seine Quantenfähigkeiten – beispielsweise in mehrere Richtungen gleichzeitig zu zeigen – zu vergessen und eine herkömmliche, klassische Eigenschaft anzunehmen, beispielsweise indem er nur in eine Richtung weist. Wenn Aspect also den Polarisationszustand eines Photons aus einem beliebigen Paar maß, indem er beobachtete, ob es durch eine Polarisationslinse fallen konnte, verlor es sofort die gespenstische Verbindung zu seinem Partner und nahm nur eine einzige Polarisationsrichtung an. Das Gleiche geschah im selben Augenblick mit seinem Partner, ganz gleich, wie weit er entfernt war; das jedenfalls sagten die Gleichungen der Quantenmechanik voraus, und das war natürlich genau der Grund, warum Einstein ein bisschen mulmig war.

Aspect und sein Team stellten ihr berühmtes Experiment mit Paaren von Photonen an, die in seinem Labor mehrere Meter voneinander getrennt waren, weit genug, dass nicht einmal ein Einfluss, der sich mit Lichtgeschwindigkeit fortgepflanzt hätte – und die Relativitätstheorie sagt uns, dass nichts schneller sein kann als das Licht –, ihre Polarisationswinkel hätte koordinieren können. Und doch bestand zwischen den Messwerten an den Teilchenpaaren eine Korrelation: Wenn die Polarisation des einen Photons nach oben zeigte, wies die andere nach unten. Seit 1982 hat man das Experiment mit Teilchen wiederholt, die Hunderte von Kilometern voneinander entfernt waren, und doch bestand zwischen ihnen stets diese gespenstische, verschränkte Verbindung, mit der Einstein sich nicht abfinden konnte.

Als Schulten die Vermutung äußerte, die Verschränkung könne für den Kompass der Vögel eine Rolle spielen, lag Aspects Experiment noch einige Jahre in der Zukunft, und das Phänomen war umstritten. Außerdem hatte Schulten keine Ahnung, wie eine solche rätselhafte chemische Reaktion ein Rotkehlchen in die Lage versetzen könnte, das Magnetfeld der Erde zu sehen. Wir sagen »sehen«, weil die Wiltschkos noch eine weitere Eigentümlichkeit entdeckten. Obwohl das Rotkehlchen nachts fliegt, erfordert die Aktivierung seines Magnetkompasses eine geringe Menge Licht (das am blauen Ende des sichtbaren Spektrums liegt) – ein Hinweis, dass die Augen des Vogels für seine Funktion eine bedeutsame Rolle spielen. Aber wie konnten die Augen nicht nur sehen, sondern auch zu einem Magnetsinn beitragen? Radikalpaarmechanismus hin oder her, dies war ein völliges Rätsel.

Die Theorie, der Kompass der Vögel könne auf einem Quantenmechanismus beruhen, lag über 20 Jahre in den untersten Schubladen der Wissenschaft. Schulten zog wieder in die Vereinigten Staaten und baute an der University of Illinois in Urbana-Champaign eine sehr erfolgreiche Arbeitsgruppe für theoretische physikalische Chemie auf. Er vergaß seine exotische Theorie aber nie und arbeitete immer weiter an einem Artikel, in dem er potentielle Biomoleküle (Moleküle, die von lebenden Zellen produziert werden) benannte, von denen die Radikalpaare, die für die schnelle Triplettreaktion notwendig waren, stammen könnten. Aber keines passte wirklich: Entweder konnten die Moleküle keine Radikalpaare erzeugen, oder sie kamen in den Augen der Vögel nicht vor. Im Jahr 1998 schließlich las Schulten, man habe in den Augen von Tieren einen rätselhaften Lichtrezeptor namens Cryptochrom gefunden. Das ließ sofort seine wissenschaftlichen Alarmglocken schrillen, denn beim Cryptochrom handelte es sich bekanntermaßen um ein Protein, das potentiell Radikalpaare erzeugen konnte.

Kurz zuvor war mit Thorsten Ritz ein begabter Doktorand zu Schultens Arbeitsgruppe gestoßen. Als Studienanfänger hatte er an der Universität Frankfurt einen Vortrag von Schulten über den Kompass der Vögel gehört und war sofort fasziniert. Als sich die Möglichkeit ergab, ergriff er die Gelegenheit und promovierte in Schultens Institut, wo er zunächst an der Photosynthese arbeitete. Als die Geschichte mit dem Cryptochrom aufkam, schwenkte er um zur Erforschung der Magnetwahrnehmung, und im Jahr 2000 schrieb er zusammen mit Schulten einen Artikel mit dem Titel »A model for photoreceptor-based magnetoreception in birds« (»Modell für eine auf Photorezeptoren beruhende Magnetwahrnehmung bei Vögeln«). Darin beschrieben die beiden, wie das Cryptochrom die Augen von Vögeln mit einem Quantenkompass ausstatten könnte. (Ausführlicher werden wir auf das Thema in Kapitel 6 zurückkommen.) Vier Jahre später tat Ritz sich mit den Wiltschkos zusammen und führte mit ihnen eine Studie an Rotkehlchen durch; dabei lieferten sie die ersten experimentellen Belege für die Theorie, dass Vögel mit Hilfe der Quantenverschränkung rund um den Globus fliegen. Schulten, so schien es, hatte die ganze Zeit recht gehabt. Ihr Artikel, der 2004 in dem angesehenen britischen Wissenschaftsblatt Nature erschien, weckte überall großes Interesse, und der Quantenkompass der Vögel wurde sofort zum Aushängeschild für das neue Wissenschaftsgebiet der Quantenbiologie.

Wenn die Quantenmechanik etwas Normales ist – warum sollen wir Quantenbiologie spannend finden?

Vom Tunneleffekt und der Quanten-Superposition im Inneren der Sonne sowie in technischen Geräten wie Elektronenmikroskopen und MRT-Scannern war bereits die Rede. Warum sollte es uns also überraschen, wenn Quantenphänomene auch in der Biologie auftauchen? Schließlich ist die Biologie eine Art angewandte Chemie, und Chemie ist eine Art angewandte Physik. Ist demnach nicht alles, einschließlich unserer selbst und anderer Lebewesen, eigentlich nur Physik, wenn man ganz nach unten zu den Fundamenten hinabsteigt? Tatsächlich erkennen viele Wissenschaftler an, dass die Quantenmechanik auf einer grundlegenden Ebene in der Biologie eine Rolle spielen muss, aber sie beharren darauf, es sei eine triviale Rolle. Was sie damit meinen? Da die Regeln der Quantenmechanik über das Verhalten der Atome bestimmen und Biologie letztlich aus den Wechselbeziehungen zwischen Atomen besteht, müssen die Regeln der Quantenmechanik im kleinsten Maßstab auch in der Biologie gelten – aber eben nur in diesem kleinen Maßstab; entsprechend haben sie im größeren Maßstab auf die Prozesse, die für das Leben wichtig sind, wenige oder gar keine Auswirkungen.

Zum Teil haben diese Wissenschaftler natürlich recht. DNA, Enzyme und alle anderen Biomoleküle bestehen aus Elementarteilchen wie Protonen und Elektronen, über deren Wechselwirkungen die Quantenmechanik bestimmt. Das Gleiche gilt aber auch für den Aufbau dieses Buches oder für den Stuhl, auf dem wir sitzen. Wie wir gehen, sprechen, essen, schlafen oder sogar denken, muss letztlich von quantenmechanischen Kräften abhängen, die über Elektronen, Protonen und andere Teilchen bestimmen, genau wie auch die Funktionsweise unseres Autos oder unseres Toasters letztlich von der Quantenmechanik abhängig ist. Aber im Großen und Ganzen brauchen wir das nicht zu wissen. Automechaniker müssen keine Vorlesungen über Quantenmechanik besuchen, und auch in den meisten biologischen Studiengängen kommen Tunneleffekt, Quantenverschränkung oder Superposition nicht vor. Die meisten Menschen kommen zurecht, ohne zu wissen, dass die Welt auf einer grundsätzlichen Ebene nach ganz anderen Regeln funktioniert als denen, die uns vertraut sind. Die seltsamen Quantenprozesse, die sich auf der Ebene des sehr Kleinen abspielen, machen sich in der Regel bei großen Dingen wie Autos oder Toastern, die wir jeden Tag sehen und benutzen, nicht bemerkbar.

Warum nicht? Ein Fußball fliegt nicht durch Mauern, Menschen haben (allen Behauptungen über Telepathie zum Trotz) keine gespenstischen Verbindungen, und leider können wir auch nicht zur gleichen Zeit im Büro und zu Hause sein. Dennoch sind die Elementarteilchen in einem Fußball oder in einem Menschen zu allen diesen Dingen in der Lage. Warum gibt es eine Bruchlinie, eine Grenze zwischen der Welt, die wir sehen, und jener, von der die Physiker wissen, dass sie unter der Oberfläche tatsächlich existiert? Das ist eine der tiefgründigsten Fragen in der gesamten Physik, und sie hat mit dem Phänomen der Quantenmessungen zu tun, das wir bereits erörtert haben. Wenn ein Quantensystem in Wechselbeziehung zu einem klassischen Messinstrument tritt, beispielsweise mit der Polarisationslinse in dem Experiment von Alain Aspect, verliert es seine seltsamen Quanteneigenschaften und verhält sich wie ein klassischer Gegenstand. Aber die Messungen, die von Physikern vorgenommen werden, können nicht der Grund dafür sein, dass die Welt um uns herum so und nicht anders aussieht. Woher stammt also die entsprechende Funktion, die außerhalb des physikalischen Labors das Quantenverhalten zerstört?

Die Antwort hat damit zu tun, wie Teilchen in großen (makroskopischen) Objekten angeordnet sind und sich in ihnen bewegen. Atome und Moleküle sind in der Regel zufällig verteilt und schwingen in unbelebten Festkörpern unregelmäßig hin und her; auch in Flüssigkeiten und Gasen unterliegen sie – in Abhängigkeit von der Temperatur – Zufallsbewegungen. Diese Zufallsfaktoren (Verteilung, Schwingungen und Bewegungen) sorgen dafür, dass sich die Welleneigenschaften der Teilchen sehr schnell auflösen. Die kombinierte Wirkung aller Quantenbestandteile eines Körpers besteht also darin, dass an jedem einzelnen davon die »Quantenmessung« vorgenommen wird, und deshalb sieht die Welt um uns herum normal aus. Wenn man die seltsamen Quanteneigenschaften beobachten will, muss man sich entweder an ungewöhnliche Orte begeben (beispielsweise ins Innere der Sonne), tief in die Welt des Allerkleinsten hineinblicken (beispielsweise mit Elektronenmikroskopen und ähnlichen Instrumenten) oder die Quantenteilchen sorgfältig so aufreihen, dass sie im Gleichschritt marschieren (das geschieht mit dem Spin der Wasserstoffatomkerne in unserem Organismus, wenn er sich in einem MRT-Scanner befindet – aber wenn der Magnet abgeschaltet wird, orientiert sich der Spin der Atomkerne wieder nach dem Zufallsprinzip, und damit ist die Quantenkohärenz neutralisiert). Eine ganz ähnliche molekulare Zufallsverteilung ist dafür verantwortlich, dass wir meistens ohne Quantenmechanik zurechtkommen: Die seltsamen Quanteneigenschaften werden in dem zufällig ausgerichteten, ständig in Bewegung befindlichen Inneren der Moleküle aller sichtbaren, unbelebten Objekte um uns herum gewissermaßen weggespült.

Jedenfalls meistens … Aber nicht immer. Wie Schulten entdeckte, kann man die Geschwindigkeit der schnellen chemischen Triplettreaktion nur dann ausmachen, wenn die spezielle Quanteneigenschaft der Verschränkung mitwirkt. Aber die schnelle Triplettreaktion ist eben genau das: schnell. Und an ihr sind nur wenige Moleküle beteiligt. Für den Orientierungssinn der Vögel kann sie nur dann verantwortlich sein, wenn sie auf das ganze Rotkehlchen einen dauerhaften Effekt ausübt. Deshalb war die Behauptung, der Magnetkompass der Vögel unterliege der Quantenverschränkung, auf einer ganz anderen Ebene angesiedelt als die Aussage, die Verschränkung sei von Bedeutung für eine exotische chemische Reaktion, an der nur wenige Teilchen mitwirken; deshalb wurde sie mit erheblicher Skepsis aufgenommen. Lebende Zellen, so hieß es, bestehen doch vorwiegend aus Wasser und Biomolekülen, die sich in einem Zustand der ständigen molekularen Unruhe befinden und damit die seltsamen Quanteneffekte voraussichtlich sofort messen und zerstreuen. Mit »messen« meinen wir hier natürlich nicht, dass Wasser- oder Biomoleküle eine Messung in dem Sinn durchführen, wie wir das Gewicht oder die Temperatur eines Gegenstandes messen und diesen Wert dann auf Papier, auf der Festplatte unseres Computers oder auch nur in unserem Kopf festhalten. Gemeint ist vielmehr das, was geschieht, wenn ein Wassermolekül mit einem Paar verschränkter Teilchen zusammenstößt: Seine nachfolgende Bewegung wird vom Zustand des Teilchens beeinflusst, und wenn wir die nachfolgende Bewegung des Wassermoleküls untersuchen würden, könnten wir daraus einige Rückschlüsse über die Eigenschaften des Teilchens ziehen, mit dem es zusammengestoßen ist. So betrachtet, hat das Wassermolekül also eine »Messung« vorgenommen, weil seine Bewegung den Zustand des verschränkten Paares wiedergibt, ganz gleich, ob jemand da ist und ihn untersucht. Eine solche zufällige Messung reicht in der Regel aus, um verschränkte Zustände zu zerstören. Die Behauptung, die wenig stabilen, verschränkten Quantenzustände könnten in dem warmen, komplizierten Inneren lebender Zellen erhalten bleiben, war deshalb in den Augen vieler eine ziemlich weit hergeholte Idee, die geradezu an Verrücktheit grenzte.

In den letzten Jahren jedoch haben wir eine Menge über solche Dinge dazugelernt – und das nicht nur im Zusammenhang mit Vögeln. Quantenphänomene wie die Superposition und den Tunneleffekt hat man in zahlreichen biologischen Phänomenen entdeckt, von den Mechanismen, mit denen Pflanzen das Sonnenlicht einfangen, bis zur Produktion von Biomolekülen in unseren Zellen. Selbst unser Geruchssinn oder die Gene, die wir von unseren Eltern erben, dürften von der seltsamen Quantenwelt abhängig sein. Forschungsberichte über quantenbiologische Themen erscheinen mittlerweile regelmäßig in den angesehensten wissenschaftlichen Fachzeitschriften der Welt, und eine kleine, aber wachsende Zahl von Wissenschaftlern ist überzeugt, dass Aspekte der Quantenmechanik für das Phänomen des Lebens tatsächlich eine keineswegs triviale, sondern womöglich sogar eine entscheidende Rolle spielen und dass sich das Lebendige auf einzigartige Weise dazu eignet, die seltsamen Quanteneigenschaften an der Grenze zwischen Quanten- und klassischer Welt aufrechtzuerhalten.

Dass es sich dabei tatsächlich nur um wenige Wissenschaftler handelt, wurde uns klar, als wir im September 2012 an der University of Surrey einen internationalen Workshop über Quantenbiologie veranstalteten. An ihm nahmen die meisten Wissenschaftler teil, die auf dem Fachgebiet arbeiten, und doch passten alle in einen kleinen Hörsaal (Abbildung 1.2). Aber das Gebiet wächst rapide; vorangetrieben wird es von der spannenden Aussicht, das Wirken der Quantenmechanik in alltäglichen biologischen Phänomenen nachzuweisen. Und eines der spannendsten Forschungsgebiete, das auch große Bedeutung für die Entwicklung einer neuen Quantentechnologie haben könnte, war in jüngster Zeit die Erforschung der Frage, wie die seltsamen Quanteneigenschaften in einem warmen, feuchten, chaotischen Lebewesen erhalten bleiben können.

Abb. 1.2: Die Teilnehmer des Quantenbiologie-Workshops in Surrey 2012. Von links nach rechts: die Autoren Jim Al-Khalili und Johnjoe McFadden, Vlatko Vedral, Greg Engel, Nigel Scrutton, Thorsten Ritz, Paul Davies, Jennifer Brookes und Greg Scholes.

Aber um die Bedeutung solcher Erkenntnisse in vollem Umfang einschätzen zu können, müssen wir zunächst eine nur scheinbar einfache Frage beantworten: Was ist Leben?

2. Was ist Leben?

Am 20. August 1977 begann eines der bis heute erfolgreichsten wissenschaftlichen Projekte: Die Raumsonde Voyager 2 erhob sich in den Himmel von Florida, zwei Wochen später gefolgt von ihrem Schwesterschiff Voyager 1. Nach zwei Jahren erreichte Voyager 1 ihr erstes Ziel, den Jupiter. Die Sonde photographierte die wirbelnden Wolken des Gasriesen und den berühmten roten Fleck, anschließend flog sie über die vereiste Oberfläche des Jupitermondes Ganymed und beobachtete auf einem anderen, Io, einen Vulkanausbruch. Die Sonde Voyager 2, die einen anderen Kurs eingeschlagen hatte, erreichte im August 1981 den Saturn und schickte nun atemberaubend schöne Photos von den Ringen des Planeten zur Erde. Bilder, die zeigten, dass es sich dabei um fein gewirkte Bänder aus Millionen kleinen Felsbrocken und winzigen Monden handelt. Danach verging fast ein Jahrzehnt, bevor Voyager 1 am 14. Februar 1990 eines der bemerkenswertesten Photos aller Zeiten aufnehmen konnte: Es zeigt einen winzigen blauen Fleck vor einem körnig-grauen Hintergrund.

Während der letzten 50 Jahre haben es die Voyager-Missionen und die anderen Forschungssonden den Menschen ermöglicht, auf dem Mond herumzuspazieren, ferngesteuert die Täler des Mars zu erkunden, auf die sengend heißen Wüsten der Venus zu blicken und sogar zuzusehen, wie ein Komet in die Gasatmosphäre des Jupiter eintaucht. Vor allem aber haben sie Gestein entdeckt – eine Menge Gestein. Man kann sogar mit Fug und Recht behaupten, dass die Erkundung der anderen Himmelskörper in unserem Planetensystem vorwiegend eine Erkundung von Gestein war, von der rund einen Tonne Mineralien, die die Apollo-Astronauten vom Mond holten, über die mikroskopisch kleinen Kometenbruchstücke, die von der NASA-Mission »Stardust« gesammelt wurden, bis hin zur Begegnung der Sonde »Rosetta« mit einem Kometen im Jahr 2014 oder der Analyse der Marsoberfläche durch das Fahrzeug »Curiosity«: Gestein, immer wieder Gestein.

Steine aus dem Weltraum sind etwas Faszinierendes. Ihre Struktur und ihre Zusammensetzung liefern Hinweise auf den Ursprung des Sonnensystems, auf die Entstehung der Planeten und sogar auf die kosmischen Ereignisse, die sich noch vor der Geburt unserer Sonne abgespielt haben. Aber für die meisten geologischen Laien sieht ein Chondrit (ein Meteoritentyp, der nicht aus Metall, sondern aus Gestein besteht) nicht wesentlich anders aus als ein Troktolith (ein eisen- und magnesiumreicher Meteorit) vom Mond. An einem Ort in unserem Sonnensystem jedoch haben sich die Grundbestandteile von Felsen und Steinen zu so vielfältigen Formen, Funktionen und chemischen Eigenschaften zusammengefügt, dass ein Gramm des dabei entstandenen Materials vielgestaltiger ist als alle Materie, die man sonst im Universum findet. Dieser Ort ist natürlich jener blassblaue Fleck, den Voyager 1 photographierte: der Planet, den wir Erde nennen. Bemerkenswerterweise sind die verschiedenen Rohmaterialien, die unserem Planeten eine so einzigartige Oberfläche verleihen, in einer Art und Weise zusammengekommen, dass Leben entstehen konnte.

Leben ist etwas ganz Besonderes. Von dem erstaunlichen Magnetsinn des Rotkehlchens war bereits die Rede, aber diese besondere Eigenschaft ist nur eine seiner vielen verschiedenen Fähigkeiten. Das Rotkehlchen kann sehen, riechen, hören und Fliegen fangen; es kann über den Boden oder in einem Baum von Ast zu Ast hüpfen; es kann sich in die Luft erheben und Hunderte von Kilometern fliegen. Und was am bemerkenswertesten ist: Mit ein wenig Hilfe des Partners kann es aus den gleichen Stoffen, aus denen auch das Gestein besteht, eine ganze Handvoll ähnlicher Tiere machen. Außerdem ist unser Rotkehlchen nur eines von Billionen Lebewesen, die eine Fülle dieser und vieler anderer, gleichermaßen verblüffender Leistungen vollbringen.

Auch jeder von uns ist natürlich ein bemerkenswertes Lebewesen. Wenn wir zum Nachthimmel aufblicken, treten Lichtphotonen in unsere Augen ein und werden vom Gewebe der Netzhaut in winzige elektrische Ströme umgewandelt, die durch den Sehnerv wandern und das Nervengewebe des Gehirns erreichen. Dort erzeugen sie ein flimmerndes Muster von Nervenimpulsen, das wir als blinkende Sterne am Himmel über uns wahrnehmen. Gleichzeitig nimmt das Gewebe der Haarzellen in unserem Innenohr winzige Druckunterschiede von weniger als einer Milliardstel Atmosphäre wahr und erzeugt akustische Nervensignale, die uns darüber in Kenntnis setzen, dass der Wind in den Bäumen rauscht. Eine Handvoll Moleküle schwebt in unsere Nase und wird von spezialisierten Geruchsrezeptoren aufgenommen, die ihre chemische Identität an das Gehirn übermitteln und uns sagen, dass es Sommer ist und das Geißblatt (Jelängerjelieber) blüht. Und während wir die Sterne beobachten, dem Wind zuhören und die Luft schnuppern, wird jede winzige Bewegung unseres Körpers durch die koordinierte Tätigkeit Hunderter von Muskeln erzeugt.

Aber selbst solche außergewöhnlichen physischen Leistungen, die von unseren eigenen Körpergeweben vollbracht werden, verblassen im Vergleich zu denen, die viele unserer Mitlebewesen zustande bringen. Die Blattschneiderameise kann eine Last schleppen, die 30-mal so viel wiegt wie sie selbst – das wäre, als würden wir ein Auto auf dem Rücken tragen. Und die Schnappkieferameise kann ihre Kiefer in nur 0,13 Millisekunden von null auf 230 Stundenkilometer beschleunigen – ein Formel-1-Rennwagen braucht ungefähr 40.000-mal so lange (nämlich rund fünf Sekunden), bis er die gleiche Geschwindigkeit erreicht hat. Der im Amazonas heimische Zitteraal erzeugt einen potentiell tödlichen elektrischen Strom von 600 Volt. Vögel können fliegen, Fische können schwimmen, Würmer können sich durch den Boden graben, und Affen schwingen sich durch die Bäume. Und viele Tiere, darunter auch unser Rotkehlchen, finden mit Hilfe des Erdmagnetfeldes über Tausende von Kilometern ihren Weg. Was die Fähigkeit zur Biosynthese angeht, reicht nichts an die grüne Vielfalt des Lebens auf der Erde heran, die Moleküle aus Luft und Wasser mit ein paar Mineralstoffen zusammenfügen und daraus Gras, Eichen, Seetang, Gänseblümchen, Mammutbäume und Flechten entstehen lässt.

Jedes Lebewesen hat seine eigenen Fähigkeiten und Besonderheiten wie den Magnetsinn des Rotkehlchens oder das schnelle Zuschnappen der Schnappkieferameise, aber wir Menschen verfügen über ein Organ, das in seiner Leistung nicht seinesgleichen hat. Die Rechenkapazität des grauen Gewebes, das in unseren Schädelknochen eingeschlossen ist, geht über die jedes Computers auf unserem Planeten hinaus und hat die Pyramiden ebenso erschaffen wie die allgemeine Relativitätstheorie, Schwanensee, den Rigveda, Hamlet, die Keramik der Ming-Zeit und Donald Duck. Und was vielleicht am bemerkenswertesten ist: Das Gehirn des Menschen besitzt die Fähigkeit, zu wissen, dass es existiert.

Und doch besteht die gesamte Vielfalt des Lebendigen mit ihren unzähligen Ausformungen und Funktionsvarianten im Wesentlichen aus den gleichen Atomen, die man auch in den Chondritenklumpen vom Mars findet.

Die größte Frage der Wissenschaft steht auch im Mittelpunkt dieses Buches: Wie verwandeln sich die trägen Atome und Moleküle, die man im Gestein findet, Tag für Tag in laufende, springende, fliegende, sich orientierende, schwimmende, wachsende, liebende, reisende, wollüstige, ängstliche, denkende, lachende, weinende, lebendige Gebilde? Diese außergewöhnliche Verwandlung ist uns so vertraut, dass sie uns nicht bemerkenswert erscheint. Aber man sollte daran denken, dass selbst im Zeitalter von Gentechnik und synthetischer Biologie noch nie etwas Lebendiges von Menschen ausschließlich aus nicht lebendem Material hergestellt wurde. Mit keiner unserer Technologien ist es bisher gelungen, eine Verwandlung vorzunehmen, die schon der einfachste Mikroorganismus auf unserem Planeten mühelos vollzieht. Daraus können wir schließen, dass wir nur über unvollständige Kenntnisse verfügen, welche Voraussetzungen für das Leben notwendig sind. Haben wir einen Lebensfunken übersehen, der das Lebendige belebt und im Unbelebten fehlt?

Damit wollen wir keineswegs behaupten, es gebe eine Art Lebenskraft, einen Geist oder eine magische Zutat, die das Lebendige lebendig macht. Unsere Geschichte ist viel interessanter. Wir werden uns mit Forschungsergebnissen aus jüngster Zeit beschäftigen, in denen gezeigt wird, dass zumindest einer der fehlenden Puzzlesteine des Lebens in der Welt der Quantenmechanik zu finden ist, wo Objekte an zwei Orten zugleich sein können, miteinander in gespenstischer Verbindung stehen und durch scheinbar undurchdringliche Barrieren wandern. Das Leben, so scheint es, hat ein Bein in der klassischen Welt der Alltagsobjekte und das andere in den eigenartigen, seltsamen Tiefen der Quantenwelt. Das Leben, so unsere These, steht auf der Quantengrenze.

Aber können Tiere, Pflanzen und Mikroorganismen tatsächlich Naturgesetzen unterliegen, von denen wir bisher geglaubt haben, mit ihnen lasse sich nur das Verhalten der Elementarteilchen beschreiben? Lebewesen, die aus Billiarden Teilchen bestehen, sind immerhin makroskopische Objekte wie Fußbälle oder Autos oder Dampflokomotiven. Daher sollten sie sich mit klassischen Regeln angemessen beschreiben lassen, etwa mit Newtons Gesetzen der Mechanik oder der Wissenschaft der Thermodynamik. Um herauszufinden, warum wir die verborgene Welt der Quantenmechanik brauchen, um die verblüffenden Eigenschaften lebender Materie zu beschreiben, müssen wir uns zunächst auf eine kurze Rundreise durch die Wissenschaft begeben und uns ansehen, was man unternommen hat, um das Besondere am Lebendigen zu verstehen.

Die »Lebenskraft«

Das zentrale Rätsel des Lebendigen lautet: Warum verhält sich Materie, die ein Lebewesen bildet, so ganz anders als die eines Steins? Zu den Ersten, die sich mit dieser Frage auseinandersetzten, gehörten die alten Griechen. Der Philosoph Aristoteles, vielleicht der erste große Naturwissenschaftler der Welt, erkannte in unbelebter Materie bestimmte zuverlässig vorhersagbare Eigenschaften, beispielsweise die Neigung fester Gegenstände, nach unten zu fallen, während Feuer und Dämpfe in der Regel aufsteigen, und die Tatsache, dass sich die Himmelskörper auf Kreisbahnen um die Erde zu bewegen scheinen. Mit den Lebewesen war es anders: Viele Tiere fallen zwar ebenfalls, sie laufen aber auch, Pflanzen wachsen aufwärts, und Vögel fliegen sogar um die Erde. Warum unterschieden sie sich so stark von allem anderen? Sokrates, ein griechischer Denker aus noch früherer Zeit, gab eine Antwort, die von seinem Schüler Platon aufgeschrieben wurde (in einem fiktiven Dialog zwischen den Philosophen Sokrates und Kratylos und ihrem Freund Hermogenes): »Was sonst hält und trägt wohl die Natur des ganzen Leibes, dass er leben und umherwandeln kann, als die Seele?« Aristoteles war wie Sokrates der Meinung, dass Lebewesen eine Seele haben, aber er behauptete, diese gebe es in unterschiedlichen Abstufungen. Die niedrigste Form wohnte in Pflanzen und versetzte sie in die Lage, zu wachsen und Nahrung aufzunehmen. Eine Stufe höher standen die Seelen der Tiere, die ihre Besitzer mit Gefühlen und Bewegungen ausstatten. Aber nur die Seele des Menschen, so Aristoteles, verleiht Vernunft und Intellekt. Etwas ganz Ähnliches glaubten auch die alten Chinesen: Danach waren Lebewesen von einer körperlosen Lebenskraft namens Qi (ausgesprochen »chi«) beseelt, die durch sie hindurchströmte. Die Vorstellung von einer Seele floss später in alle großen Weltreligionen ein. Was die Seele aber eigentlich ist und wie ihre Verbindung mit dem Körper aussieht, blieb rätselhaft.

Ein weiteres Rätsel war die Sterblichkeit. Die Seele galt allgemein als unsterblich, aber warum ist das Leben dann so vergänglich? Die meisten Kulturkreise geben darauf mehr oder weniger die gleiche Antwort: Mit dem Tod verlässt die belebende Seele den Körper. Noch 1907 behauptete der amerikanische Arzt Duncan MacDougall, er könne die Seele messen, indem er seine sterbenden Patienten unmittelbar vor und nach dem Tod wog. Aufgrund seiner Experimente war er überzeugt, dass die Seele ungefähr 21 Gramm wiegt. Aber warum die Seele den Körper nach den 70 Jahren, die ihr zugestanden waren, verlassen musste, blieb ein Rätsel.

Der Begriff der Seele kommt in der modernen Wissenschaft zwar nicht mehr vor, zumindest führte er aber dazu, dass man die wissenschaftliche Erforschung von unbelebter und belebter Materie trennte. Nun konnten Wissenschaftler die Ursachen der Bewegung unbelebter Objekte untersuchen, ohne sich mit den philosophischen und theologischen Fragen herumschlagen zu müssen, die das Studium der Lebewesen immer so kompliziert machten. Die Erforschung der Bewegung hat eine lange, faszinierende und alles andere als einfache Geschichte, doch in diesem Kapitel wollen wir sie so kurz wie möglich abhandeln. Wie bereits erwähnt, war Aristoteles der Ansicht, dass Objekte die Neigung haben, sich in Richtung der Erde, von der Erde weg oder um die Erde herum zu bewegen, und all das hielt er für natürliche Bewegungen. Er erkannte auch, dass man feste Objekte schieben, ziehen und werfen kann, alles Bewegungen, die er als »gewaltsam« bezeichnete; denn sie wurden nach seiner Überzeugung stets von einer Kraft angestoßen, die von einem anderen Objekt ausging, beispielsweise von dem werfenden Menschen. Aber was erzeugte die Wurfbewegung – oder den Flug eines Vogels? Es schien dafür keine äußere Ursache zu geben. Aristoteles behauptete, Lebewesen seien im Gegensatz zu unbelebten Objekten in der Lage, ihre eigene Bewegung in Gang zu setzen, und die Ursache dieser Art von Bewegung sei die Seele.

Aristoteles’ Ansichten über die Ursachen der Bewegung beherrschten das Denken bis ins Mittelalter, dann aber ereignete sich etwas Bemerkenswertes. Wissenschaftler (die sich zu jener Zeit selbst als »Naturphilosophen« bezeichnet hätten) begannen, in der Sprache von Logik und Mathematik neue Theorien über die Bewegung unbelebter Gegenstände zu formulieren. Man kann darüber streiten, wer für diesen außerordentlich produktiven Wandel im Denken der Menschen verantwortlich war, arabische und persische Gelehrte des Mittelalters wie Alhazen und Avicenna spielten sicher eine Rolle, und der Trend wurde dann in den neu entstehenden gelehrten Institutionen Europas wie den Universitäten von Paris und Oxford aufgegriffen. Ihre ersten großen Früchte trug die neue Art, die Welt zu beschreiben, vermutlich an der Universität im italienischen Padua, wo Galilei einfache Bewegungsgesetze in mathematische Formeln fasste. In dessen Todesjahr (1642) kam Isaac Newton in der englischen Grafschaft Lincolnshire zur Welt. Er erklärte später mit seiner außerordentlich erfolgreichen mathematischen Beschreibung, wie die Bewegung unbelebter Gegenstände durch Kräfte verändert werden kann – ein System, das bis heute als Newton’sche Mechanik bezeichnet wird.

Newtons Kräfte waren anfangs ziemlich rätselhafte Phänomene, aber im Laufe der folgenden Jahrhunderte wurden sie immer stärker mit dem Begriff der Energie in Verbindung gebracht. Bewegte Objekte, so sagte man jetzt, besitzen Energie, die sie auf ruhende Objekte, an die sie stoßen, übertragen können, so dass diese sich ebenfalls bewegen. Kräfte können aber auch zwischen entfernten Objekten übertragen werden: Beispiele sind die Schwerkraft der Erde, die Newtons Apfel zu Boden zieht, oder die magnetischen Kräfte, die eine Kompassnadel ablenken.

Die unglaublichen wissenschaftlichen Fortschritte, die mit Galilei und Newton ihren Anfang nahmen, gewannen im 18. Jahrhundert an Tempo, und gegen Ende des 19. Jahrhunderts war das Grundgerüst der klassischen Physik, wie man sie später nannte, im Wesentlichen gefestigt. Zu jener Zeit wusste man, dass auch andere Formen der Energie, beispielsweise Wärme und Licht, mit den Bestandteilen der Materie – den Atomen und Molekülen – interagieren können und dafür sorgen, dass diese wärmer werden, Licht aussenden oder ihre Farbe verändern. Objekte, so glaubte man nun, bestehen aus Teilchen, deren Bewegungen durch die Kräfte der Gravitation oder des Elektromagnetismus gelenkt werden.[1] Nun konnte man die materielle Welt – oder zumindest alle unbelebten Objekte – in zwei abgegrenzte Bereiche unterteilen: einerseits die sichtbare Materie, die aus Teilchen besteht, und andererseits die unsichtbaren Kräfte, die zwischen den Teilchen auf zunächst nur unvollständig geklärte Weise wirken, nämlich entweder als Energiewellen, die sich durch den Raum fortpflanzen, oder in Form von Kraftfeldern. Wie aber stand es mit der belebten Materie, aus der die Lebewesen bestehen? Woraus bestand sie, und wie bewegte sie sich?

Der Triumph der Maschinen

Die alte Vorstellung, wonach alle Lebewesen durch eine Art übernatürliche Substanz oder Wesenheit beseelt sind, lieferte zumindest eine gewisse Erklärung für die bemerkenswerten Unterschiede zwischen Belebtem und Unbelebtem. Das Leben, so glaubte man, sei anders, weil es nicht durch eine banale mechanische Kraft bewegt wird, sondern von einer spirituellen Seele. Diese Erklärung war aber immer unbefriedigend – es war, als wollte man die Bewegung von Sonne, Mond und Sternen erklären, in dem man behauptete, sie würden von Engeln hin und her geschoben. In Wirklichkeit gab es keine echte Erklärung, denn das Wesen der Seele (und der Engel) war nach wie vor ein völliges Rätsel.

Im 17. Jahrhundert formulierte der französische Philosoph René Descartes eine radikal andere Ansicht. Er war beeindruckt von mechanischen Uhren, Spielzeugen und automatischen Puppen, die zu jener Zeit an den Höfen Europas der Belustigung dienten. Ihre Mechanismen veranlassten ihn zu der revolutionären Behauptung, die Körper von Pflanzen und Tieren einschließlich des Menschen seien einfach nur raffinierte Maschinen, die aus herkömmlichem Material bestehen und von mechanischen Vorrichtungen wie Pumpen, Zahnrädern, Kolben und Exzentern angetrieben werden – und diese, so Descartes, unterlägen wiederum den gleichen neuentdeckten Kräften, die auch die Bewegung unbelebter Materie bestimmten. Allerdings nahm Descartes den Geist des Menschen von seiner mechanistischen Sichtweise aus und ließ ihm die unsterbliche Seele. Doch zumindest unternahm er mit seiner Philosophie den Versuch, einen wissenschaftlichen Rahmen zu schaffen und das Lebendige mit den physikalischen Gesetzen zu erklären, die, wie man gerade entdeckt hatte, für unbelebte Dinge gelten.

Fortgesetzt wurde der mechanistische Ansatz in der Biologie durch einen Beinahe-Zeitgenossen von Sir Isaac Newton: Der Arzt William Harvey entdeckte, dass das Herz nichts anderes ist als eine mechanische Pumpe. Ein Jahrhundert später wies der französische Chemiker Antoine Lavoisier nach, dass ein Meerschweinchen mit seiner Atmung Sauerstoff verbraucht und Kohlendioxid erzeugt, genau wie das Feuer, das die bewegende Kraft für die neueste technische Errungenschaft, die Dampfmaschine, lieferte. Entsprechend gelangte er zu dem Schluss, dass »Atmung demnach ein sehr langsames Verbrennungsphänomen ist, ganz ähnlich der Verbrennung von Kohle«. Descartes hätte sich vermutlich in seiner Auffassung bestätigt gefühlt: Offenbar waren Tiere nicht sehr viel anders als die kohlebetriebenen Lokomotiven, die schon wenig später die industrielle Revolution durch ganz Europa trugen.

Aber können die Kräfte, die eine Dampflok voranbringen, auch für die Bewegung von Lebewesen sorgen? Um diese Frage zu beantworten, müssen wir verstehen, wie eine Dampflokomotive einen Berg hinaufkommt.

Ein molekularer Billardtisch

Das Wissenschaftsgebiet, das sich mit den Wechselwirkungen zwischen Wärme und Materie beschäftigt, heißt Thermodynamik. Ihre wichtigste Erkenntnis formulierte im 19. Jahrhundert der österreichische Physiker Ludwig Boltzmann: Er vollzog den kühnen Schritt, die Teilchen der Materie wie eine sehr große Ansammlung von Billardkugeln zu betrachten, die nach dem Zufallsprinzip zusammenstoßen und dabei Newtons Gesetzen der Mechanik unterliegen.

Stellen wir uns einmal einen Billardtisch[2] vor, der durch eine bewegliche Abgrenzung in zwei Hälften geteilt wird. Alle Kugeln, auch die weiße, liegen auf der linken Seite der Abgrenzung und sind fein säuberlich in einem Dreieck angeordnet. Jetzt stellen wir uns vor, dass wir die weiße Kugel sehr heftig auf das Dreieck schießen, so dass die Kugeln in alle Richtungen in Bewegung geraten, aneinanderstoßen und von den starren Banden des Tisches sowie von der beweglichen Abgrenzung abprallen. Was geschieht nun mit der Abgrenzung? Sie ist der Kraft zahlreicher Stöße von links ausgesetzt, wo sich alle Kugeln befinden, aber von der leeren rechten Seite des Tisches stoßen keine Kugeln an sie an. Obwohl sich die Kugeln ausschließlich nach dem Zufallsprinzip bewegen, ist die Abgrenzung durch die zufälligen Bewegungen aller Kugeln im Durchschnitt einer Kraft ausgesetzt, die sie weiter nach rechts drückt, so dass sich das Spielfeld auf der linken Seite vergrößert, während das leere Feld auf der rechten Seite kleiner wird. Nun können wir uns ausmalen, dass wir den Billardtisch mit einer Vorrichtung aus Hebeln und Seilzügen ausstatten, die sich die nach rechts gerichtete Bewegung der Abgrenzung zunutze macht und sie beispielsweise so umlenkt, dass sie eine Spielzeugeisenbahn einen Spielzeugberg hinaufzieht.

Wie Boltzmann erkannte, ist genau das im Wesentlichen das Prinzip, nach dem wärmebetriebene Motoren echte Dampflokomotiven antreiben – wie gesagt, wir befinden uns im Dampfzeitalter –, so dass diese einen echten Berg hinauffahren können. Die Wassermoleküle im Zylinder der Dampfmaschine verhalten sich im Prinzip wie die Billardkugeln, die durch die auftreffende weiße Kugel in alle Richtungen auseinandergetrieben werden: Ihre Zufallsbewegung wird durch die Wärme des Kessels beschleunigt, so dass die Moleküle zusammenstoßen und den Kolben der Maschine mit stärkerer Energie nach außen treiben, wo er dann die Pleuelstangen, Getriebe, Ketten und Räder des Dampfzuges antreibt und damit eine gerichtete Bewegung erzeugt. Heute, mehr als ein Jahrhundert nach Boltzmann, funktioniert unser benzinbetriebenes Auto nach genau demselben Prinzip, nur dass hier die Produkte der Benzinverbrennung an die Stelle des Dampfes getreten sind.

Das Bemerkenswerte an der Thermodynamik ist, dass das wirklich alles ist! Die geordnete Bewegung eines jeden wärmebetriebenen Motors kommt durch die Durchschnittsbewegung von Milliarden zufallsbewegter Atome und Moleküle zustande. Und nicht nur das: Die Gesetzmäßigkeiten sind auch allgemeingültig im weitesten Sinne und lassen sich nicht nur auf wärmebetriebene Motoren anwenden, sondern nahezu auf sämtliche üblichen chemischen Vorgänge, die immer dann ablaufen, wenn wir Kohle an der Luft verbrennen oder einen eisernen Nagel rosten lassen, eine Mahlzeit kochen, Stahl herstellen, Salz in Wasser lösen, Wasser in einem Kessel zum Kochen bringen oder eine Rakete zum Mond schicken. An allen diesen chemischen Vorgängen ist der Austausch von Wärme beteiligt, und sie werden auf molekularer Ebene durch thermodynamische Gesetzmäßigkeiten vorangetrieben, deren Grundlage die Zufallsbewegung ist. Tatsächlich unterliegen fast alle nichtbiologischen (physikalischen und chemischen) Prozesse, die in unserer Welt für Veränderungen sorgen, thermodynamischen Prinzipien. Meeresströmungen, heftige Stürme, die Verwitterung von Gestein, Waldbrände oder die Korrosion von Metallen – sie alle werden von den unerbittlichen Kräften des Chaos gelenkt, die der Thermodynamik zugrunde liegen. Jeder komplexe Prozess mag uns strukturiert und geordnet erscheinen, im Kern erwächst seine Triebkraft aber immer aus den Zufallsbewegungen von Molekülen.

Leben als Chaos?

Gilt das Gleiche auch für Lebewesen? Kehren wir noch einmal zu unserem Billardtisch zurück. Auch dieses Mal sind die Kugeln zu Beginn des Spiels in einem Dreieck angeordnet, zusätzlich nehmen wir aber viele weitere Kugeln hinzu (dazu können wir uns vorstellen, dass der Tisch sehr groß ist) und ordnen sie so an, dass sie rund um das Dreieck mit den ursprünglichen Kugeln heftig angestoßen werden. Auch dieses Mal machen wir uns die zufällige, von den Zusammenstößen in Gang gesetzte Bewegung der Abgrenzung zum Verrichten von Arbeit zunutze, allerdings zieht sie jetzt keinen Spielzeugzug mehr einen Hügel hinauf: Wir konstruieren eine raffiniertere Apparatur. Unsere vom chaotischen Aufprall der vielen Kugeln angetriebene Maschine tut etwas Ungewöhnliches: Sie sorgt dafür, dass das geordnete Dreieck der ursprünglichen Kugeln inmitten des Chaos bestehen bleibt. Jedes Mal, wenn eine Kugel aus der dreieckigen Anordnung von einer anderen, die sich zufällig bewegt, aus ihrer Position gestoßen wird, nimmt irgendein Sensor das Ereignis wahr und steuert einen mechanischen Arm so, dass er die fehlende Kugel im Dreieck durch eine identische Kugel, die er aus den vielen zufällig zusammenstoßenden Kugeln herausgreift, ersetzt und beispielsweise eine Lücke an einer Ecke auffüllt.

Damit ist das Prinzip hoffentlich deutlich geworden: Ein Teil der Energie, die durch die zufälligen Molekülzusammenstöße zur Verfügung steht, wird jetzt in dem System dazu verwendet, einen Teil seiner selbst in einem hochgeordneten Zustand zu halten. In der Thermodynamik bezeichnet man das Fehlen von Ordnung als Entropie, das heißt, hochgeordnete Zustände haben eine niedrige Entropie. Man kann also sagen: Unser Billardtisch macht Energie aus (chaotischen) Zusammenstößen mit hoher Entropie nutzbar, um einen Teil seiner selbst, nämlich das Dreieck mit den Kugeln in der Mitte, in einem (geordneten) Zustand niedriger Entropie zu halten.

Über die Frage, wie man eine so raffinierte Apparatur bauen kann, brauchen wir uns keine Gedanken zu machen: Entscheidend ist, dass unser von Entropie angetriebener Billardtisch etwas sehr Interessantes tut. Obwohl ihm nur die chaotischen Bewegungen der Kugeln zur Verfügung stehen, kann das neue System aus Kugeln, Tisch, Abgrenzung, Kugelwahrnehmungsvorrichtung und beweglichem Arm in einem Untersystem seiner selbst die Ordnung aufrechterhalten.

Als Nächstes stellen wir uns ein weiteres Niveau der Komplexität vor: Dieses Mal dient ein Teil der verfügbaren Energie aus der beweglichen Abgrenzung – die wir auch als freie Energie[3] des Systems bezeichnen können – dazu, die Wahrnehmungsapparatur und den beweglichen Arm aufzubauen und instand zu halten, wobei die vielen Billardkugeln als Ausgangsmaterial dienen, aus dem die ganze Apparatur überhaupt erst konstruiert wird. Jetzt haben wir es mit einem selbsterhaltenden System zu tun, und solange es mit einer ausreichenden Zahl zufällig bewegter Kugeln und genügend Bewegungsspielraum für die Abgrenzung versorgt wird, kann es im Prinzip unendlich lange erhalten bleiben.

Und schließlich kann dieses erweiterte System sich nicht nur selbst instand halten, sondern es ist auch zu einer weiteren verblüffenden Leistung in der Lage: Es nutzt die verfügbare freie Energie, um Billardkugeln aufzuspüren, einzufangen und so anzuordnen, dass daraus eine vollständige Kopie seiner selbst entsteht: der Tisch, die Abgrenzung, die Kugelwahrnehmungsapparatur und der bewegliche Arm sowie das Dreieck aus Kugeln. Und diese Kopien wären auf die gleiche Weise in der Lage, ihre Billardkugeln und die aus deren Zusammenstößen gewonnene freie Energie wiederum zu verwenden, um weitere sich selbst erhaltende Apparaturen aufzubauen. Und diese Kopien …

Natürlich ist klar, worauf das Ganze hinausläuft. Mit unserem imaginären Bastelprojekt haben wir eine von Billardkugeln angetriebene Entsprechung zum Leben konstruiert. Wie ein Vogel, ein Fisch oder ein Mensch, so kann auch unsere Phantasieapparatur sich selbst erhalten und fortpflanzen, indem sie freie Energie aus zufälligen Molekülzusammenstößen nutzt. Und auch wenn es sich dabei um eine komplexe, schwierige Aufgabe handelt, geht man im Allgemeinen davon aus, dass es sich bei der Triebkraft um genau die gleiche handelt, die auch dazu dient, Dampflokomotiven einen Berg hinauffahren zu lassen. Beim Leben treten Moleküle aus der Nahrung an die Stelle der Billardkugeln, aber auch wenn der Prozess weitaus komplizierter ist als in unserem einfachen Beispiel, bleibt das Prinzip immer gleich: Aus zufälligen Zusammenstößen von Molekülen (und ihren chemischen Reaktionen) wird freie Energie gewonnen, die dazu dient, einen Körper instand zu halten und eine Kopie dieses Körpers herzustellen.

Ist die Wissenschaft vom Leben demnach ein Teilgebiet der Thermodynamik? Erklimmen wir auf einer Wanderung die Berge mit Hilfe der gleichen Prozesse, die auch Dampflokomotiven antreiben? Und unterscheidet sich der Flug des Rotkehlchens gar nicht sonderlich stark vom Flug einer Kanonenkugel? Ist der Lebensfunke bei ganz grundsätzlicher Betrachtung nur die Zufallsbewegung von Molekülen? Um diese Frage zu beantworten, müssen wir uns die Feinstruktur des Lebendigen etwas genauer ansehen.

Ein tieferer Blick ins Leben

Den ersten größeren Fortschritt zur Aufklärung der Feinstruktur des Lebendigen erzielte der »Naturphilosoph« Robert Hooke im 17. Jahrhundert: Durch sein sehr einfaches Mikroskop betrachtete er dünne Scheiben aus Kork und sah darin »Zellen«, wie er sie nannte. Der niederländische Mikroskoppionier Antoni van Leeuwenhoek identifizierte in Tropfen von Teichwasser »animalcules« oder »Tierlein« – heute würden wir von »einzelligen Lebensformen« sprechen. Außerdem beobachtete er Pflanzenzellen, rote Blutzellen und sogar Spermazellen. Später begriff man, dass sämtliche lebenden Gewebe aus solchen Zellen bestehen, es sind die Bausteine der Organismen. Der deutsche Arzt und Biologe Rudolf Virchow schrieb 1858 in seinem Buch Die Cellularpathologie:

Wie ein Baum eine in einer bestimmten Weise zusammengeordnete Masse darstellt, in welcher als letzte Elemente an jedem einzelnen Teile, am Blatt wie an der Wurzel, am Stamm wie an der Blüte, zellige Elemente erscheinen, so ist es auch mit den tierischen Gestalten. Jedes Tier erscheint als eine Summe vitaler Einheiten, von denen jede den vollen Charakter des Lebens an sich trägt.

Als man lebende Zellen mit immer leistungsfähigeren Mikroskopen in immer mehr Einzelheiten untersuchen konnte, zeigte sich, dass sie eine höchst komplexe innere Struktur besitzen: In der Mitte ein Zellkern voller Chromosomen, umgeben von Cytoplasma, in dem spezialisierte Untereinheiten eingelagert sind, die Organellen, die wie die Organe unseres Körpers innerhalb der Zelle bestimmte Funktionen erfüllen. Ein solches Organell heißt beispielsweise Mitochondrium und ist innerhalb der Zellen für die Atmung zuständig, während ein anderes, der Chloroplast, in Pflanzenzellen Photosynthese betreibt. Insgesamt vermittelt die Zelle den Eindruck einer geschäftigen Fabrik im Kleinformat. Aber was treibt sie an? Was belebt die Zelle? Anfangs glaubte man, die Zellen seien von »Lebenskräften« angefüllt, also eigentlich von einer Entsprechung zu Aristoteles’ Begriff der Seele, und der Glaube an den Vitalismus – wonach Lebewesen von einer Kraft beseelt sind, die unbelebten Gegenständen fehlt – hielt sich noch fast das ganze 19. Jahrhundert hindurch. Man glaubte, Zellen seien mit einer rätselhaften Lebenssubstanz namens Protoplasma gefüllt, die in fast schon mystischen Begriffen beschrieben wurde.

Im 19. Jahrhundert wurde der Vitalismus jedoch durch die Arbeiten mehrerer Wissenschaftler infrage gestellt. Ihnen gelang es, aus lebenden Zellen bestimmte chemische Substanzen zu isolieren, die mit solchen, die man im Labor hergestellt hatte, identisch waren. Dem deutschen Chemiker Friedrich Wöhler gelang beispielsweise 1828 die Synthese des Harnstoffs, einer biochemischen Verbindung, von der man zuvor geglaubt hatte, sie sei eine Besonderheit lebender Zellen. Louis Pasteur konnte sogar chemische Umwandlungen wie die Gärung nachvollziehen, was man zuvor ausschließlich für eine Fähigkeit des Lebendigen gehalten hatte; dazu benutzte er Extrakte aus lebenden Zellen (später sprach man von Enzymen). Zunehmend setzte sich die Erkenntnis durch, dass die Lebewesen im Wesentlichen aus den gleichen Substanzen bestehen wie unbelebte Objekte und demnach auch den gleichen chemischen Gesetzen unterliegen. Der Vitalismus machte mechanistischen Vorstellungen Platz.

Gegen Ende des 19. Jahrhunderts hatten die Biochemiker die Vitalisten so gut wie geschlagen.[4] Zellen galten jetzt als Beutel voller biochemischer Substanzen, in denen komplizierte chemische Vorgänge ablaufen, wobei aber die vom Zufall bestimmte, billardkugelartige Bewegung der Moleküle, wie Boltzmann sie beschrieben hatte, die Grundlage bildete. Leben, so glaubte man allgemein, sei in der Tat nicht mehr als raffinierte Thermodynamik.

Mit Ausnahme eines Aspekts – und der, so kann man mit Fug und Recht behaupten, ist der wichtigste von allen.

Gene

Die Fähigkeit der Lebewesen, die Anweisungen zur Herstellung einer Kopie ihrer selbst – ob Rotkehlchen, Rhododendron oder Mensch – originalgetreu weiterzugeben, war jahrhundertelang zutiefst rätselhaft. In der 51. seiner 1651 erschienenen Exercitationes de generatione animalium (Übungen über die Erzeugung der Tiere) schrieb der englische Chirurg William Harvey:

Es ist zwar eine bekannte Sache, welcher alle zustimmen, dass der Fötus seinen Ursprung und seine Geburt bei dem Mann und dem Weibe nimmt, und dass das Ei folglich von dem Hahn und der Henne produziert wird und das Huhn aus dem Ei schlüpft, aber weder die Schulen der Ärzte noch Aristoteles’ scharfsinniges Gehirn haben die Art und Weise aufgedeckt, wie der Hahn und sein Samen das Huhn, welches aus dem Ei kommt, formen und prägen können.

Eine Teilantwort lieferte zwei Jahrhunderte später der österreichische Mönch und Pflanzenforscher Gregor Mendel, der um 1850 im Garten des Augustinerklosters in Brünn Erbsen züchtete. Durch seine Beobachtungen gelangte er zu der Schlussfolgerung, dass Merkmale wie die Blütenfarbe oder die Form der Erbsen von erblichen »Faktoren« gesteuert werden, die unverändert von einer Generation zur nächsten weitergegeben werden können. Mendels »Faktoren« bildeten also einen Speicher erblicher Informationen, mit deren Hilfe die Erbsen ihre Eigenschaften über Hunderte von Generationen hinweg beibehalten konnten – oder durch die »der Hahn und sein Samen das Huhn, welches aus dem Ei kommt, formen und prägen können«.

Bekanntermaßen wurden Mendels Arbeiten von den meisten seiner Zeitgenossen, auch von Darwin, übersehen und erst Anfang des 20. Jahrhunderts wiederentdeckt. Jetzt bezeichnete man seine Faktoren als Gene, und bald fanden sie Eingang in den wachsenden mechanistischen Konsens der Biologie des 20. Jahrhunderts. Aber obwohl Mendel bereits nachgewiesen hatte, dass sich die Erbfaktoren innerhalb der lebenden Zellen befinden müssen, hatte niemand sie jemals gesehen, und niemand wusste, woraus sie bestanden. Immerhin stellte der amerikanische Genetiker Walter Sutton schon 1902 fest, dass Strukturen im Zellinneren, die er als Chromosomen bezeichnete, in der Regel nach Art der Mendel’schen Faktoren vererbt werden; deshalb äußerte er die Vermutung, dass die Gene sich in den Chromosomen befinden.

Aber Chromosomen sind (relativ betrachtet) große, komplizierte Strukturen, die sich aus Proteinen, Zucker und einer chemischen Verbindung namens Desoxyribonukleinsäure, kurz DNA, zusammensetzen. Anfangs war nicht klar, ob einer dieser Bestandteile für die Vererbung verantwortlich war, und wenn ja, welcher. Im Jahr 1943 gelang es dann dem kanadischen Wissenschaftler Oswald Avery, ein Gen von einer Bakterienzelle in eine andere zu übertragen, indem er die DNA aus einer Spenderzelle gewann und sie in eine Empfängerzelle einbrachte. Mit dem Experiment war nachgewiesen, dass nicht die Proteine oder andere biochemische Bausteine der Chromosomen die lebenswichtige genetische Information tragen, sondern die DNA.[5] Dennoch schien an der DNA nichts Magisches zu sein; sie galt zu jener Zeit als ganz normale chemische Substanz.

Damit blieb die Frage: Wie funktioniert das alles? Wie kann eine chemische Verbindung die Informationen liefern, die gebraucht werden, damit »der Hahn und sein Samen das Huhn, welches aus dem Ei kommt, formen und prägen können«? Und wie werden Gene von Generation zu Generation kopiert und verdoppelt? Es sah so aus, als könnten herkömmliche, von Boltzmanns kugelähnlichen Molekülen angetriebene chemische Reaktionen schlicht und einfach nicht die Mittel bereitstellen, um genetische Information zu speichern, zu kopieren und originalgetreu zu übertragen.

Die berühmte Antwort gaben James Watson und Francis Crick im Jahr 1953: Im Rahmen ihrer Arbeiten am Cavendish Laboratory in Cambridge leiteten sie aus experimentellen Daten, die ihre Kollegin Rosalind Franklin an DNA gewonnen hatte, eine bemerkenswerte Struktur ab: die Doppelhelix. Wie sich herausstellte, war jeder DNA-Strang eine Molekülkette aus Phosphor- und Sauerstoffatomen, Nucleinbasen sowie einem Zucker namens Desoxyribose. Diese Bestandteile waren zu einer Art chemischer Basiseinheit zusammengesetzt, die man als Nucleotide bezeichnete und die quasi die Perlen der Kette bildeten. Von diesen Nucleotidperlen gibt es vier Formen, je nachdem, welche Nucleinbase – Adenin (A), Guanin (G), Cytosin (C) und Thymin (T) – verbaut wurde. Die Abfolge dieser Basen entlang des DNA-Stranges ergibt also eine eindimensionale Sequenz aus genetischen Buchstaben wie »GTCCATTGCCCGTATTACCG«. Francis Crick hatte während des Krieges bei der Admiralität (der Behörde, die das Kommando über die Royal Navy hatte) gearbeitet; man kann sich also vorstellen, dass ihm Codes vertraut waren, beispielsweise der, den die deutschen Enigma-Maschinen erzeugten und der in Bletchley Park entschlüsselt wurde. Als er den DNA-Strang sah, erkannte er jedenfalls sofort, dass es sich um einen Code handelte, eine Informationssequenz, in der die entscheidenden Anweisungen für die Vererbung enthalten sind. Und wie wir in Kapitel 7 noch genauer erfahren werden, war mit der Strukturaufklärung der DNA-Doppelhelix auch die Frage beantwortet, wie genetische Information kopiert wird. Damit waren zwei der größten Rätsel der Wissenschaft auf einen Schlag gelöst.

Mit der Entdeckung der DNA-Struktur hatte man einen mechanistischen Schlüssel zu den Geheimnissen der Gene. Gene sind chemische Verbindungen, und Chemie ist schlicht Thermodynamik. Holte die Entdeckung der Doppelhelix das Leben also endgültig und vollständig in den Bereich der klassischen Wissenschaft?

Das seltsame Grinsen des Lebendigen

In Alice im Wunderland von Lewis Carroll tritt die Grinsekatze auf: Sie hat die Gewohnheit, zu verschwinden und nur ihr Grinsen zurückzulassen, was Alice zu der Bemerkung veranlasst, sie habe »schon oft eine Katze ohne Grinsen gesehen, aber noch nie ein Grinsen ohne Katze«. Eine ähnliche Verwirrung erleben auch viele Biologen: Sie wissen, wie die Thermodynamik in lebenden Zellen wirkt und wie Gene alles codieren, was zur Entstehung der Zelle notwendig ist, und doch grinst die ungelöste Frage, was Leben eigentlich ist, sie weiterhin an.

Ein Problem liegt in der ungeheuren Komplexität der biochemischen Reaktionen, die in jeder lebenden Zelle ablaufen. Wenn Chemiker künstlich eine Aminosäure oder einen Zucker herstellen, synthetisieren sie fast immer jeweils nur ein einziges Produkt; dazu steuern sie sorgfältig die experimentellen Bedingungen für die gewünschte Reaktion, beispielsweise die Temperatur und die Konzentration der verschiedenen Zutaten, um so die Synthese des Endprodukts zu optimieren. Das ist keine einfache Aufgabe: Es setzt voraus, dass man viele verschiedene Bedingungen innerhalb geeigneter Gefäße, Kondensatoren, Trennungssäulen, Filtrationsgeräte und anderer raffinierter chemischer Apparaturen sorgfältig unter Kontrolle hält. Andererseits synthetisiert aber jede lebende Zelle in unserem Organismus ständig Tausende verschiedene biochemische Substanzen in einem Reaktionsgefäß, das nur wenige Millionstel Mikroliter Flüssigkeit enthält.[6] Wie können so viele verschiedene Reaktionen nebeneinander ablaufen? Und wie wird die gesamte Tätigkeit der Moleküle innerhalb der mikroskopisch kleinen Zelle koordiniert? Solche Fragen stehen im Mittelpunkt eines neuen Fachgebiets, der Systembiologie; man muss allerdings zugeben, dass die Antworten immer noch rätselhaft sind!

Ein anderes Rätsel des Lebendigen ist die Sterblichkeit. Chemische Reaktionen jedoch sind stets umkehrbar. Eine chemische Reaktion schreibt man häufig in einer Richtung auf: Ausgangsstoffe → Produkte. In Wirklichkeit läuft aber immer gleichzeitig auch die umgekehrte Reaktion Produkt → Ausgangsstoff ab. Nur herrscht in der Regel eine Richtung unter den jeweils gerade gegebenen Bedingungen vor. Man kann aber immer andere Bedingungen finden, unter denen die umgekehrte chemische Reaktion begünstigt wird. Wenn beispielsweise fossile Brennstoffe an der Luft verbrennen, sind Kohlenstoff und Sauerstoff die Ausgangsstoffe, und das einzige Produkt ist das Treibhausgas Kohlendioxid. Dies gilt normalerweise als unumkehrbare oder irreversible Reaktion; einige technische Verfahren zum Einfangen von Kohlendioxid zielen aber darauf ab, den ganzen Prozess umzukehren, indem sie die Reaktion unter Zuhilfenahme einer Energiequelle rückwärts ablaufen lassen. Rich Masel von der Illinois University beispielsweise hat ein Unternehmen namens Dioxide Materials gegründet, das Kohlendioxid aus der Atmosphäre mit Hilfe von elektrischem Strom in Brennstoff für Fahrzeuge umwandeln will.[1]

Mit dem Lebendigen verhält es sich anders. Noch nie hat jemand Bedingungen entdeckt, unter denen die Richtung tote Zelle → lebende Zelle begünstigt wird. Genau dieses Mysterium war für unsere Vorfahren der Anlass, auf die Idee mit der Seele zu kommen. Heute glauben wir nicht mehr, dass eine Zelle irgendeine Art von Seele besitzt, aber was ist es dann, das da ein für alle Mal verlorengeht, wenn eine Zelle oder ein Mensch stirbt?

Vor kurzem machte ein neuer Zweig der Biologie, die sogenannte synthetische Biologie, unüberhörbar auf sich aufmerksam. Besitzen die Vertreter dieser Wissenschaftsrichtung womöglich den Schlüssel zu den Rätseln des Lebens? Der vielleicht berühmteste Wissenschaftler, der sich mit synthetischer Biologie beschäftigt, ist Craig Venter, ein Pionier der Genomsequenzierung: Er verursachte 2010 gewaltigen Wirbel in der wissenschaftlichen Welt, als er behauptete, er habe künstliches Leben geschaffen. Seine Arbeit machte auf der ganzen Welt Schlagzeilen und weckte die Befürchtung, nun könne rund um den Globus ein Wettrennen zwischen künstlich erzeugten Lebewesen einsetzen. In Wirklichkeit gelang es Venter und seiner Arbeitsgruppe aber nicht, wirklich neues Leben zu erschaffen, sondern sie wandelten nur eine vorhandene Lebensform ab. Dazu synthetisierten sie zunächst eine DNA, die das gesamte Genom von Mycoplasma mycoides codierte. Das so geschaffene DNA-Genom injizierten sie dann einer lebenden Zelle von Mycoplasma capricolum, einem pathogenen Bakterium, das bei Ziegen eine Krankheit verursacht, und brachten sie mit äußerst raffinierten Methoden dazu, ihr ursprüngliches (und einziges) Chromosom durch das neusynthetisierte Exemplar zu ersetzen.

Diese Arbeiten waren zweifellos eine technische Gewaltanstrengung. Das Bakterienchromosom enthält 1,8 Millionen genetische Buchstaben, die alle genau in der richtigen Reihenfolge verknüpft werden mussten. Letztlich nahmen die Wissenschaftler damit aber die gleiche Umwandlung vor, die jedem von uns mühelos gelingt, wenn wir die trägen Inhaltsstoffe unserer Nahrung in unser eigenes, lebendes Fleisch verwandeln.

Indem Venter und sein Team erfolgreich ein bakterielles Ersatzchromosom synthetisierten und einbauten, eröffneten sie ein ganz neues Gebiet der synthetischen Biologie, auf das wir im letzten Kapitel noch einmal zurückkommen werden. Es wird wahrscheinlich Wege weisen, wie man effizienter Medikamente herstellen, Nutzpflanzen züchten oder Umweltgifte zerstören kann. Aber in diesen und vielen anderen, ähnlichen Experimenten schufen die Wissenschaftler kein neues Leben. Trotz Venters Leistung grinst uns das eigentliche Rätsel des Lebendigen weiterhin an. Dem nobelpreisgekrönten Physiker Richard Feynman wird der Ausspruch zugeschrieben: »Was wir nicht herstellen können, verstehen wir nicht.« Nach dieser Definition verstehen wir das Leben nicht, weil es uns bisher nicht gelungen ist, es herzustellen. Wir können biochemische Substanzen mischen, wir können sie erhitzen, und wir können sie bestrahlen, wir können sie sogar, wie Mary Shelleys Frankenstein, mit elektrischem Strom (wieder-)beleben. Leben selbst können wir aber nur dadurch herstellen, dass wir solche Substanzen in bereits lebende Zellen einschleusen oder indem wir sie essen und damit zu einem Teil unseres eigenen Körpers machen.

Wie kommt es also, dass wir immer noch nicht den Kunstgriff beherrschen, den Billionen der kleinsten Mikroorganismen in jeder Sekunde mühelos bewerkstelligen? Fehlt uns eine Zutat? Über diese Frage grübelte der berühmte Physiker Erwin Schrödinger schon vor mehr als 70 Jahren nach; seine höchst überraschende Antwort ist ein zentrales Thema dieses Buches. Um zu verstehen, warum Schrödingers Lösung für die tiefsten Rätsel des Lebendigen so revolutionär war und bis heute ist, müssen wir uns an den Anfang des 20. Jahrhunderts begeben. Damals war die Doppelhelix noch nicht entdeckt, und die Welt der Physik wurde gerade auf den Kopf gestellt.

Die Quantenrevolution

Die explosionsartige Zunahme der wissenschaftlichen Erkenntnisse während der Aufklärung im 18. und 19. Jahrhundert brachte die Newton’sche Mechanik, den Elektromagnetismus und die Thermodynamik hervor, und man konnte zeigen, dass diese drei Fachgebiete der Physik gemeinsam die Bewegung und das Verhalten aller makroskopischen Alltagsobjekte und -phänomene unserer Welt beschreiben können, von Kanonenkugeln bis zu Uhren, von Stürmen bis zu Dampflokomotiven, vom Pendel bis zu den Planeten. Aber Ende des 19. und Anfang des 20. Jahrhunderts wandten die Physiker ihre Aufmerksamkeit den mikroskopisch kleinen Bestandteilen der Materie zu, den Atomen und Molekülen. Und dort, so entdeckten sie, gelten die vertrauten Gesetze nicht mehr. Die Physik brauchte eine Revolution.

Der erste wichtige Durchbruch gelang dem deutschen Physiker Max Planck: Er prägte den Begriff des »Quants«. Seine Befunde präsentierte er am 14. Dezember 1900 in einem Vortrag bei der Deutschen Physikalischen Gesellschaft – dieser Tag gilt allgemein als Geburtsdatum der Quantentheorie. Damals herrschte die Vorstellung, dass Wärmestrahlung wie andere Formen der Energie als Welle durch den Raum wandert. Dabei stellte sich allerdings ein Problem: Mit der Wellentheorie konnte man nicht erklären, wie bestimmte heiße Objekte ihre Energie abstrahlen. Deshalb formulierte Planck den radikalen Gedanken, dass die Materie in den Wänden dieser heißen Körper mit bestimmten, definierten Frequenzen schwingt, was zur Folge hat, dass die Energie nur in winzigen, einzelnen Portionen oder »Quanten« abgegeben wird, die sich nicht weiter unterteilen lassen. Seine einfache Theorie war bemerkenswert erfolgreich, aber sie stellte eine radikale Abkehr von der klassischen Strahlungstheorie dar, in der die Energie als Kontinuum betrachtet wurde. Stattdessen besagte seine Theorie, dass Energie von der Materie nicht ausgeht wie Wasser, das kontinuierlich aus einem Hahn strömt, sondern als in Form einzelner, unteilbarer Päckchen, wie aus einem langsam tropfenden Wasserhahn.

Planck fühlte sich mit der Vorstellung, dass Energie die Form von Klumpen hat, nie ganz wohl, aber fünf Jahre nachdem er seine Quantentheorie formuliert hatte, erweiterte Albert Einstein den Gedanken und äußerte die Vermutung, alle elektromagnetische Strahlung einschließlich des Lichts sei nicht kontinuierlich, sondern »quantisiert« und liege in abgegrenzten Paketen oder Teilchen vor, die wir heute Photonen nennen. Er erklärte, eine solche Vorstellung vom Licht könne ein altes Rätsel lösen, das als »photoelektrischer Effekt« bekannt ist – das Phänomen, dass Licht Elektronen aus Materie herauszuschlagen vermag. Diese Arbeiten und nicht die weitaus berühmteren Relativitätstheorien waren der Grund, dass Einstein 1921 den Nobelpreis erhielt.

Andererseits sprach aber vieles auch dafür, dass Licht sich wie eine kontinuierliche Welle ausbreitet. Wie kann Licht also Teilchen und Welle zugleich sein? Damals erschien das nicht plausibel, zumindest nicht vor dem Hintergrund der klassischen Physik.

Den nächsten großen Schritt tat der dänische Physiker Niels Bohr, der 1912 nach Manchester kam und dort bei Ernest Rutherford arbeiten wollte. Rutherford hatte gerade sein berühmtes Planetenmodell des Atoms formuliert, wonach in der Mitte ein winziger Atomkern steht, der von noch kleineren Elektronen umkreist wird. Aber niemand verstand damals, wie Atome stabil bleiben können. Nach der Standardtheorie des Elektromagnetismus mussten die negativ geladenen Elektronen ständig Lichtenergie abgeben, während sie um den positiv geladenen Atomkern kreisten. Dabei würden sie Energie verlieren und sich sehr schnell (nämlich in einer Billionstelsekunde) in einer Spirale dem Atomkern annähern, bis das Atom in sich zusammenfiele. In Wirklichkeit tun Elektronen das aber nicht. Was also war ihr Trick?

Um die Stabilität der Atome zu erklären, äußerte Bohr die Vermutung, dass Elektronen nicht in jeder beliebigen Umlaufbahn um den Atomkern kreisen können, sondern nur auf ganz bestimmten (»quantisierten«) Bahnen. Ein Elektron kann nur in die nächsttiefere Umlaufbahn hinabfallen, wenn es dabei einen »Klumpen«, einen Quant (ein Photon) elektromagnetischer Energie abgibt, der genauso groß ist wie der energetische Unterschied zwischen den beiden beteiligten Umlaufbahnen. Umgekehrt kann es nur dann in eine höhere Umlaufbahn springen, wenn es ein Photon mit dem richtigen Energiegehalt aufnimmt.

Um sich diesen Unterschied zwischen klassischer Physik und Quantentheorie zu vergegenwärtigen und zu erklären, warum das Elektron im Atom stets ganz bestimmte, festgelegte Umlaufbahnen besetzt, kann man vergleichen, wie Töne auf einer Gitarre und einer Violine gespielt werden. Ein Geiger, der einen Ton spielt, drückt den Finger an irgendeiner Stelle am Hals seines Instruments auf eine Saite und verkürzt sie damit so, dass der entsprechende Ton erklingt, wenn der Bogen darüber gezogen wird und die Saite zum Schwingen bringt. Kürzere Saiten schwingen mit höherer Frequenz (mehr Schwingungen pro Sekunde) und erzeugen damit höhere Töne, die Vibration längerer Saiten ist langsamer (weniger Schwingungen pro Sekunde), und der entsprechende Ton ist tiefer.

Bevor wir fortfahren, müssen wir einige Worte über einen grundlegenden Aspekt der Quantenmechanik verlieren: über den engen Zusammenhang zwischen Frequenz und Energie.[7] Wie wir im letzten Kapitel erfahren haben, besitzen subatomare Teilchen auch Welleneigenschaften, das heißt, wie jede Welle, die sich ausbreitet, haben auch sie eine Wellenlänge und eine Schwingungsfrequenz. Schnelle Vibrationen oder Schwingungen sind stets energiereicher als langsame – denken wir nur an unsere Wäscheschleuder: Sie muss mit hoher Geschwindigkeit rotieren (schwingen), damit ihre Energie ausreicht, um das Wasser aus den Kleidungsstücken zu treiben.

Aber zurück zu unserer Violine. Die Tonhöhe (ihre Schwingungsfrequenz) kann kontinuierlich variieren, je nachdem, wie lang die Saite zwischen dem festen Ende und dem Finger des Spielers ist. Dies entspricht einer klassischen Welle, die jede Wellenlänge (Abstand zwischen aufeinanderfolgenden Wellenbergen) haben kann. Deshalb definieren wir die Violine als klassisches Instrument – aber nicht im Sinn von »klassischer Musik«, sondern in dem Sinn der nichtquantisierten klassischen Physik. Genau das ist natürlich der Grund, warum gutes Geigespielen so schwierig ist: Der Musiker muss genau wissen, wohin er den Finger setzen muss, damit der richtige Ton erklingt.

Anders ist der Hals einer Gitarre gebaut: An ihm befinden sich »Bünde«, Metallleisten, die in bestimmten Abständen aus dem Hals herausragen, die darüber angebrachten Saiten aber nicht berühren. Wenn ein Gitarrespieler also einen Finger auf eine Saite setzt, wird sie auf einen Bund gedrückt, und dieser, nicht aber der Finger, stellt vorübergehend das Ende der Saite dar. Wird die Saite gezupft, ergibt sich die Tonhöhe aus der Schwingung der Saite zwischen Bund und Steg. Wegen der endlichen Zahl von Bünden kann man auf der Gitarre nur ganz bestimmte, definierte Töne spielen. Eine Veränderung der Fingerposition zwischen zwei Bünden führt beim Zupfen der Saite nicht zu einer Veränderung der Tonhöhe. Die Gitarre entspricht also einem Quanteninstrument. Und da Frequenz und Energie nach der Quantentheorie zusammenhängen, enthält auch die schwingende Gitarrensaite keine kontinuierlichen, sondern bestimmte, definierte Energiebeträge. Auf ganz ähnliche Weise lassen sich auch Elementarteilchen mit ganz bestimmten Wellenfrequenzen in Verbindung bringen, die jeweils mit einem charakteristischen Energieniveau einhergehen. Springt das Elektron von einem Energiezustand zu einem anderen, muss es Strahlung abgeben oder aufnehmen, je nachdem, wie groß der Energieunterschied zwischen der Absprung- und der Landungsebene ist.

Mitte der 1920er Jahre arbeiteten Bohr, der jetzt wieder in Kopenhagen war, und mehrere andere europäische Physiker fieberhaft an einer vollständigeren, zusammenhängenden mathematischen Theorie, um damit zu beschreiben, was in der subatomaren Welt vorgeht. Einer der klügsten Köpfe in dieser Gruppe war das junge deutsche Genie Werner Heisenberg. Im Sommer 1925, während Heisenberg sich auf der Insel Helgoland von einer schweren Heuschnupfenepisode erholte, gelang ihm bei der Formulierung der neuen Mathematik, die zur Beschreibung der Welt der Atome notwendig war, ein wichtiger Fortschritt. Es war eine seltsame Art von Mathematik, und noch seltsamer war, was sie über die Atome aussagte. So vertrat Heisenberg nicht nur die Ansicht, dass wir nicht genau sagen können, wo sich ein Elektron im Atom befindet, wenn wir es nicht messen, sondern er behauptete sogar, das Elektron selbst habe keine festgelegte Position, sondern sei auf eine unscharfe, nicht genau feststellbare Weise »verteilt«.

Heisenberg musste zwangsläufig zu dem Schluss gelangen, dass die atomare Welt ein gespenstischer, körperloser Bereich ist, der nur dann zu einem scharf abgegrenzten Dasein kristallisiert, wenn wir ein Messinstrument aufbauen, um mit ihr in Wechselbeziehung zu treten. Das ist der Quanten-Messvorgang, von dem im letzten Kapitel bereits kurz die Rede war. Wie Heisenberg nachwies, werden bei einem solchen Vorgehen nur diejenigen Aspekte deutlich, die gezielt gemessen werden sollen – ganz ähnlich wie im Auto, wo die einzelnen Instrumente auf der Armaturentafel jeweils nur Informationen über eine einzige Funktion vermitteln, so über die Geschwindigkeit, die zurückgelegte Entfernung oder die Motortemperatur. Man kann also ein Experiment so gestalten, dass man damit die genaue Position eines Elektrons zu einem bestimmten Zeitpunkt feststellen kann; mit einem anderen Experiment können wir die Geschwindigkeit desselben Elektrons ermitteln. Heisenberg konnte aber mathematisch beweisen, dass es unmöglich ist, in einem einzigen Experiment gleichzeitig mit beliebiger Genauigkeit festzustellen, wo sich ein Elektron befindet und wie schnell es sich bewegt. Diese Vorstellung formulierte er 1927 in der berühmten Heisenberg’schen Unschärferelation, die seitdem viele tausend Male in Labors auf der ganzen Welt bestätigt wurde. Sie gehört bis heute zu den wichtigsten Ideen der gesamten Wissenschaft und ist ein Grundstein der Quantenmechanik.

Im Januar 1926, fast zur gleichen Zeit, als Heisenberg seine Gedanken entwickelte, schrieb der österreichische Physiker Erwin Schrödinger einen Artikel, in dem er ein ganz anderes Bild vom Atom zeichnete. Er schlug darin eine mathematische Gleichung vor, die heute als Schrödinger-Gleichung bekannt ist; sie beschreibt nicht nur, wie ein Teilchen sich bewegt, sondern auch wie sich eine Welle entwickelt. Danach ist ein Elektron kein unscharfes Teilchen im Atom, das den Atomkern umkreist und dessen Position man nicht genau feststellen kann, sondern eine Welle, die sich im Atom ausbreitet. Während Heisenberg glaubte, man könnte sich von einem Elektron überhaupt kein Bild machen, wenn man es nicht misst, bevorzugte Schrödinger den Gedanken, dass es sich dabei um eine echte physikalische Welle handelt, solange wir sie nicht beobachten, und dass diese Welle zu einem abgegrenzten Teilchen »zusammenbricht«[8], sobald wir hinsehen. Seine Version der Atomtheorie wurde als Wellenmechanik bekannt, und seine berühmte Gleichung beschreibt, wie sich solche Wellen mit der Zeit entwickeln und verhalten. Heute sehen wir in Heisenbergs und Schrödingers Beschreibungen zwei unterschiedliche Methoden, die Mathematik der Quantenmechanik zu interpretieren, und beide gelten auf ihre jeweils eigene Weise als richtig.

Schrödingers Wellenfunktion

Wenn wir die Bewegung von Alltagsobjekten beschreiben wollen, die jeweils aus Billionen Teilchen bestehen – seien es Kanonenkugeln, Dampflokomotiven oder Planeten –, bedienen wir uns einer Reihe mathematischer Gleichungen, die auf die Arbeiten von Isaac Newton zurückgehen. Ist das System, das wir beschreiben, jedoch in der Quantenwelt angesiedelt, müssen wir stattdessen die Schrödinger-Gleichung verwenden. An dieser Stelle liegt der grundlegende Unterschied zwischen den beiden Ansätzen: In unserer Newton’schen Welt handelt es sich bei der Lösung einer Gleichung um eine Zahl oder mehrere Zahlen, die die genaue Position eines Gegenstandes zu einem bestimmten Zeitpunkt definieren. In der Quantenwelt ist die Lösung der Schrödinger-Gleichung eine mathematische Größe, die man Wellenfunktion nennt; diese gibt uns nicht an, wo sich beispielsweise ein Elektron zu einem bestimmten Zeitpunkt genau befindet, sondern sie liefert eine ganze Gruppe von Zahlen, die die Wahrscheinlichkeit beschreiben, dass sich das Elektron an verschiedenen Orten im Raum befindet, wenn wir dort danach suchen.

Unsere erste Reaktion darauf sollte natürlich lauten: Aber das reicht doch nicht! Nur zu wissen, wo sich das Elektron befinden könnte, klingt nicht besonders hilfreich. Wir wollen doch genau wissen, wo das Teilchen ist. Aber anders als ein klassisches Objekt, das immer eine bestimmte Position im Raum besetzt, kann sich ein Elektron an mehreren Orten gleichzeitig befinden, bis es gemessen wird. Die Quanten-Wellenfunktion verteilt sich über den gesamten Raum – das heißt, wenn wir beispielsweise ein Elektron beschreiben, können wir im besten Fall eine Zahlengruppe ermitteln, die die Wahrscheinlichkeit angibt, dass wir es nicht an einem einzigen Ort finden, sondern an allen Orten im Raum gleichzeitig. Wichtig ist dabei die Erkenntnis, dass es sich bei diesen Quantenwahrscheinlichkeiten nicht um eine Lücke in unserem Wissen handelt, die man irgendwann durch mehr Informationen schließen könnte; vielmehr sind sie im Bereich des Allerkleinsten ein grundlegendes Merkmal der Natur.

Stellen wir uns einmal einen Juwelendieb vor, der gerade auf Bewährung aus dem Gefängnis freigelassen wurde. Statt nun ein besseres Leben anzufangen, kehrt er zu seinen alten Gewohnheiten zurück und bricht überall in der Stadt in Häuser ein. Die Polizei kann mit Hilfe eines Stadtplans vom Augenblick seiner Entlassung an verfolgen, wo er sich wahrscheinlich aufhält. Sie kann zwar nicht sagen, wo genau er zu einem bestimmten Zeitpunkt sein wird, aber sie kann Aussagen darüber treffen, mit welcher Wahrscheinlichkeit er in verschiedenen Stadtvierteln Einbrüche begehen wird.

Anfangs sind die Häuser in der Nähe des Gefängnisses am stärksten gefährdet, aber im Laufe der Zeit wird das Gebiet, in dem die Bedrohung besteht, größer. Und da die Polizei weiß, welche Anwesen er in früherer Zeit im Visier hatte, kann sie auch mit einer gewissen Sicherheit sagen, dass die wohlhabenden Wohnviertel, in denen es mehr kostbaren Schmuck gibt, stärker gefährdet sind als ärmere Bezirke. Die Ein-Mann-Verbrechenswelle, die sich auf diese Weise durch die Stadt ausbreitet, kann man sich als Wahrscheinlichkeitswelle vorstellen. Sie ist nicht greifbar und nicht real, sondern besteht nur aus einer Reihe abstrakter Zahlen, die man verschiedenen Stadtteilen zuordnen kann. Ganz ähnlich verhält es sich mit der Wellenfunktion: Sie breitet sich von der Stelle aus, an der ein Elektron zum letzten Mal gesehen wurde. Wenn wir den Wert der Wellenfunktion für verschiedene Orte und Zeiten berechnen, können wir mit bestimmten Wahrscheinlichkeiten angeben, wo es als Nächstes auftauchen könnte.

Wie steht es nun, wenn die Polizei einen Tipp bekommen hat und den Dieb auf frischer Tat ertappen kann, während er gerade mit einem Sack voller Diebesgut aus einem Fenster klettert? Jetzt ist die flächige Wahrscheinlichkeitsverteilung, die seinen Aufenthaltsort beschreibt, zusammengebrochen, denn er befindet sich definitiv an einem Ort und definitiv nirgendwo sonst. Ähnlich verhält es sich mit dem Elektron: Wenn es an einer bestimmten Stelle nachgewiesen wird, verändert sich seine Wellenfunktion sofort. Im Augenblick des Nachweises ist die Wahrscheinlichkeit, dass es sich irgendwo anders befindet, gleich null.

An einer Stelle jedoch hinkt der Vergleich: Wenn die Polizei den Aufenthaltsort des Einbrechers vor der Festnahme nur mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit angeben kann, weiß sie, dass dies nur an mangelnder Information liegt. Schließlich hat sich der Einbrecher nicht wirklich über die ganze Stadt ausgebreitet – die Polizei muss zwar davon ausgehen, dass er potentiell überall sein kann, in Wirklichkeit befindet er sich aber zu jedem Zeitpunkt nur an einem bestimmten Ort. Ganz anders das Elektron: Wenn wir seine Bewegungen nicht verfolgen, können wir nicht davon ausgehen, dass es sich dennoch zu einem bestimmten Zeitpunkt an einem definierten Ort aufhält. Zu seiner Beschreibung steht uns vielmehr allein seine Wellenfunktion zur Verfügung, und die ist überall gleichzeitig. Nur durch den Vorgang des Hinsehens (das heißt durch den Akt der Messung) können wir das Elektron »zwingen«, zu einem lokalisierten Teilchen zu werden.

Bis 1927 waren die mathematischen Grundlagen der Quantenmechanik dank der Arbeiten von Heisenberg, Schrödinger und anderen mehr oder weniger vollständig bekannt. Heute bilden sie das Fundament, auf dem große Teile der Physik und der Chemie aufbauen, und sie vermitteln uns ein bemerkenswert vollständiges Bild von den Bausteinen des gesamten Universums. Wenn die Quantenmechanik nicht mit ihrer Erklärungskraft beschreiben könnte, wie alles zusammenpasst, wären sogar große Teile unserer modernen Technik schlicht und einfach unmöglich.

So kam es, dass mehrere Quantenpioniere in ihrer Begeisterung über die erfolgreiche Zähmung der atomaren Welt Ende der 1920er Jahre die physikalischen Labors verließen und sich daranmachten, ein ganz anderes Wissenschaftsgebiet zu erobern: die Biologie.

Die ersten Quantenbiologen

In den 1920er Jahren war das Leben noch ein großes Rätsel. Zwar hatten Biochemiker im 19. Jahrhundert schon große Fortschritte erzielt und eine mechanistische Vorstellung von der Chemie des Lebendigen aufgebaut, viele Wissenschaftler hingen aber nach wie vor an dem vitalistischen Prinzip, wonach sich die Biologie nicht auf Chemie und Physik reduzieren lässt, sondern eigenen Gesetzen unterliegt. Das »Protoplasma« im Inneren der lebenden Zellen galt nach wie vor als rätselhafte Form der Materie, die von unbekannten Kräften beseelt ist, und das Geheimnis der Vererbung entzog sich immer noch der aufblühenden Wissenschaft der Genetik.

In diesem Jahrzehnt jedoch erschien ein neuer Wissenschaftlertypus auf der Bildfläche: Die »Organiker«, wie man sie nannte, lehnten die Vorstellungen der Vitalisten wie auch der Mechanisten ab. Sie erkannten an, dass das Lebendige etwas Rätselhaftes hat, behaupteten aber, das Rätsel müsse sich prinzipiell mit bisher nicht entdeckten Gesetzen der Physik und Chemie lösen lassen. Einer der bekanntesten Vertreter dieser Denkrichtung war wiederum ein Österreicher, der einen exotischen Namen trug: Ludwig von Bertalanffy schrieb einige der ersten Artikel über Theorien der biologischen Entwicklung, und in seinem 1928 erschienenen Buch Kritische Theorie der Formbildung betonte er, das Wesen des Lebendigen lasse sich nur mit irgendeinem neuen biologischen Prinzip beschreiben. Seine Gedanken und insbesondere sein Buch beeinflussten viele Wissenschaftler, unter ihnen Pascual Jordan, einen weiteren Pionier der Quantenphysik.

Pascual Jordan, der in Hannover geboren und zur Schule gegangen war, studierte in Göttingen bei Max Born[9], einem der Gründerväter der Quantenmechanik. Im Jahr 1925 veröffentlichten Jordan und Born gemeinsam ihren bahnbrechenden Aufsatz »Zur Quantenmechanik«. Ein Jahr später erschien die »Fortsetzung« mit dem Titel »Zur Quantenmechanik II« mit Jordan, Born und Heisenberg als Autoren. Der Artikel, der auch als »Dreimännerwerk« bekannt wurde, gilt heute als Klassiker der Quantenmechanik: Er ging von Heisenbergs bemerkenswertem Durchbruch aus und entwickelte ihn zu einer eleganten mathematischen Methode für die Beschreibung der atomaren Welt und ihres Verhaltens weiter.

Im folgenden Jahr erhielt Jordan – Traum eines jeden jungen europäischen Physikers seiner Generation – die Chance, eine Zeitlang in Kopenhagen bei Niels Bohr zu arbeiten. Irgendwann um 1929 diskutierten die beiden Männer zum ersten Mal darüber, ob es auf dem Gebiet der Biologie eine Anwendungsmöglichkeit für die Quantenmechanik geben könne. Pascual kehrte nach Deutschland zurück, nahm eine Stelle an der Universität Rostock an und führte von dort aus während der nächsten Jahre einen regelmäßigen Briefwechsel mit Bohr über die Beziehung zwischen Physik und Biologie. Ihren Höhepunkt fanden die Gedanken in einem Aufsatz, den man mit Fug und Recht als ersten Fachartikel über Quantenbiologie bezeichnen kann; er wurde 1932 von Jordan für die deutsche Fachzeitschrift Die Naturwissenschaften verfasst und trug den Titel »Die Quantenmechanik und die Grundprobleme der Biologie und Psychologie«.[2]

Jordans Schriften enthalten mehrere interessante Erkenntnisse über das Phänomen des Lebens; doch seine biologischen Überlegungen wurden zunehmend politisch gefärbt und passten sich der Ideologie der Nazis an – er behauptete sogar, das Konzept eines einzigen diktatorischen »Führers« sei ein zentrales Prinzip des Lebendigen.

Wir wissen, dass es in einem Bakterium unter der ungeheuer großen Zahl von Molekülen, die dieses … Wesen … ausmachen, eine sehr kleine Zahl besonderer Moleküle gibt, die mit einer diktatorischen Autorität über den Gesamtorganismus ausgestattet sind; sie bilden ein Steuerungszentrum der lebenden Zelle. Die Absorption eines Lichtquants irgendwo außerhalb dieses Steuerungszentrums kann die Zelle ebenso wenig töten wie eine große Nation durch die Tötung eines einzigen Soldaten vernichtet werden kann. Die Absorption eines Lichtquants im Steuerungszentrum der Zelle dagegen kann den ganzen Organismus in den Tod und die Auflösung führen – ganz ähnlich wie ein erfolgreich ausgeführtes Attentat gegen einen führenden Staatsmann eine ganze Nation in einen weitreichenden Prozess der Auflösung führen kann.[3]

Dieser Versuch, die Nazi-Ideologie in die Biologie zu übernehmen, ist faszinierend und beängstigend zugleich. Er enthält aber auch den Keim zu einer seltsamen Idee, die Jordan als Verstärkertheorie bezeichnete. Er machte darauf aufmerksam, dass unbelebte Objekte vom Durchschnitt aller Zufallsbewegungen von Millionen Teilchen gelenkt werden, so dass die Bewegung eines einzelnen Moleküls auf das ganze Objekt keinerlei Einfluss hat. Leben, so seine Argumentation, sei anders, weil es von einigen wenigen Molekülen im Steuerungszentrum beherrscht werde, die diktatorischen Einfluss hätten. Und zwar dergestalt, so Jordan, dass Ereignisse auf der Quantenebene, die ihre Bewegung lenkten – wie die Heisenberg’sche Unschärferelation –, verstärkt würden, so dass sie sich auf den ganzen Organismus auswirkten.

Das ist eine interessante Erkenntnis, auf die wir später zurückkommen werden. Sie wurde seinerzeit allerdings nicht weiterentwickelt und hatte keinen großen Einfluss, denn nach der deutschen Niederlage 1945 war der Nazi Jordan wegen seiner politischen Einstellung bei seinen Zeitgenossen weithin diskreditiert, und seine Ideen zur Quantenbiologie fanden keine Beachtung. Andere, die zwischen den Fachgebieten von Biologie und Quantenphysik vermittelt hatten, waren nach dem Krieg in alle Winde verstreut, und in der Physik, die durch den Einsatz der Atombombe bis in ihre Grundfesten erschüttert war, wandte man sich wieder traditionelleren Fragestellungen zu.

Aber das Feuer der Quantenbiologie wurde am Leben gehalten, und zwar von keinem Geringeren als Erwin Schrödinger, dem Erfinder der Quanten-Wellenmechanik. Am Vorabend des Zweiten Weltkrieges flüchtete er aus Österreich – seine Frau war nach den nationalsozialistischen Gesetzen eine »Nichtarierin« – und ließ sich in Irland nieder. Dort veröffentlichte er 1944 ein Buch, dessen Titel die berühmte Frage war: What is Life? (Was ist Leben?). Darin skizzierte er eine neue Erkenntnis über die Biologie, die für das Gebiet der Quantenbiologie und auch für das vorliegende Buch von entscheidender Bedeutung ist. Mit seiner Erkenntnis wollen wir uns vor dem Ende dieses historisch ausgerichteten Kapitels ein wenig genauer befassen.

Ordnung bis ganz nach unten

Das Thema, das Schrödinger faszinierte, war der rätselhafte Prozess der Vererbung. Wie bereits erwähnt, wussten die Wissenschaftler in der ersten Hälfte des 20. Jahrhunderts bereits, dass Gene von einer Generation zur nächsten weitergegeben werden, aber es war nicht bekannt, woraus Gene bestehen oder wie sie funktionieren. Welche Gesetze, so fragte sich Schrödinger, verschaffen der Vererbung ihr hohes Maß an Genauigkeit? Oder mit anderen Worten: Wie konnten identische Kopien von Genen praktisch unverändert von einer Generation in die nächste gelangen?

Eines wusste Schrödinger ganz genau: Die exakten Gesetze der klassischen Physik und Chemie, die sich immer wieder beweisen lassen, so auch die der Thermodynamik mit ihrer Zufallsbewegung von Atomen und Molekülen, sind in Wirklichkeit statistische Gesetze, das heißt, sie gelten nur im Durchschnitt und sind nur deshalb zuverlässig, weil sie das Verhalten einer sehr großen Zahl interagierender Teilchen beschreiben. Um noch einmal zu unserem Billardtisch zurückzukehren: Die Bewegung einer einzelnen Kugel lässt sich überhaupt nicht voraussagen, aber wenn man eine große Zahl von Kugeln auf den Tisch wirft und sie nach dem Zufallsprinzip ungefähr eine Stunde lang hin und her stößt, kann man voraussagen, dass sich am Ende die meisten von ihnen in den Löchern befinden. Genauso funktioniert die Thermodynamik: Was sich vorhersagen lässt, ist das durchschnittliche Verhalten vieler Moleküle, aber nicht das Verhalten einzelner Teilchen. Schrödinger wies darauf hin, dass statistische Gesetze wie die der Thermodynamik ein System, das nur aus einer kleinen Zahl von Teilchen besteht, nicht präzise beschreiben können.

Ein gutes Beispiel sind die Gasgesetze, die Robert Boyle und Jacques Charles vor 300 Jahren formulierten. Sie beschreiben, wie sich das Gasvolumen in einem Ballon beim Erwärmen vergrößert und beim Abkühlen verringert. Dieses Verhalten kann man in eine einzige mathematische Formel fassen, die als »Zustandsgleichung idealer Gase« (manchmal auch als »Gasgesetz«)[10] bezeichnet wird. Ein Ballon gehorcht diesem Gesetz: Wenn man ihn erhitzt, dehnt er sich aus; kühlt man ihn ab, schrumpft er. Die Gesetzmäßigkeit gilt für ihn, obwohl er mit Billionen Molekülen gefüllt ist, die sich einzeln wie ungeordnete Billardkugeln verhalten und sich ausschließlich nach dem Zufallsprinzip bewegen, wobei sie untereinander zusammenstoßen, taumeln und von der Innenwand des Ballons abprallen. Wie erzeugt ungeordnete Bewegung gesetzmäßige Ordnung?

Wenn der Ballon erwärmt wird, schießen die Luftmoleküle schneller durcheinander, und damit ist gewährleistet, dass sie untereinander und mit den Wänden des Ballons mit einer etwas stärkeren Kraft kollidieren. Diese zusätzliche Kraft übt mehr Druck auf die elastische Ballonhülle aus (genau wie auf die bewegliche Abgrenzung auf Boltzmanns Billardtisch), so dass sie sich aufbläht. Wie viel sie größer wird, hängt davon ab, wie viel Wärme zugeführt wird; dieser Zusammenhang ist genau vorhersehbar und wird durch die Gasgesetze präzise beschrieben. Was dabei wichtig ist: Das einzelne Objekt, der Ballon, gehorcht ganz genau dem Gasgesetz, weil die geordnete Bewegung seiner einzelnen, zusammenhängenden elastischen Hülle aus der ungeordneten Bewegung einer sehr großen Zahl von Teilchen erwächst – oder, wie Schrödinger es formulierte: Aus Unordnung entsteht Ordnung.

Schrödinger vertrat die Ansicht, dass nicht nur die Gasgesetze ihre Genauigkeit aus den statistischen Eigenschaften großer Zahlen beziehen, sondern dass alle Gesetze der klassischen Physik und Chemie auf dem Prinzip der »Durchschnittswerte großer Zahlen« oder der »Ordnung aus Unordnung« beruhen – auch jene, die die Dynamik von Flüssigkeiten oder chemischen Reaktionen beschreiben.

Aber während ein Ballon von normaler Größe, der mit Billionen Luftmolekülen gefüllt ist, stets den Gasgesetzen gehorcht, tut ein mikroskopisch kleiner Ballon, in dem sich nur eine Handvoll Luftmoleküle befindet, das nicht. Der Grund: Selbst bei konstanter Temperatur werden sich die wenigen Moleküle gelegentlich und ausschließlich nach dem Zufallsprinzip voneinander weg bewegen, so dass sich der Ballon ausdehnt. Umgekehrt wird er gelegentlich schrumpfen, einfach weil sich alle seine Moleküle rein zufällig nach innen bewegen. Das Verhalten eines sehr kleinen Ballons ist deshalb so gut wie nicht vorhersagbar.

Dass Ordnung und Vorhersagbarkeit von großen Zahlen abhängen, kennen wir auch aus anderen Lebensbereichen. US-Amerikaner spielen beispielsweise mehr Baseball als Kanadier, Kanadier dagegen spielen mehr Eishockey als US-Amerikaner. Auf der Grundlage dieser statistischen »Gesetzmäßigkeit« könnte man über die beiden Länder weitere Voraussagen machen, zum Beispiel die, dass die Vereinigten Staaten mehr Basebälle importieren als Kanada, während Kanada mehr Hockeyschläger einführt. Solche statistischen Gesetze haben einen Vorhersagewert, wenn man sie auf ganze Länder mit ihren Millionen Bewohnern anwendet, sie können aber nicht genau voraussagen, wie viele Hockeyschläger oder Basebälle in einer einzelnen kleinen Ortschaft beispielsweise in Minnesota oder Saskatchewan verkauft werden.

Schrödinger ging über die einfache Beobachtung, dass man sich auf die statistischen Gesetze der klassischen Physik im mikroskopischen Bereich nicht verlassen kann, noch hinaus: Er erfasste den Rückgang der Genauigkeit quantitativ und berechnete, dass die Größe der Abweichungen von diesen Gesetzen umgekehrt proportional zur Quadratwurzel der Zahl beteiligter Teilchen ist. Ein Ballon mit einer Billion (einer Million Millionen) Teilchen weicht vom Idealverhalten nach den Gasgesetzen nur um ein Millionstel ab. Ist der Ballon dagegen nur mit hundert Teilchen gefüllt, liegt die Abweichung vom geordneten Verhalten bei eins zu zehn. Ein solcher Ballon wird sich zwar in der Regel immer noch beim Erwärmen ausdehnen und beim Abkühlen zusammenziehen, er tut es aber nicht so, dass man es mit irgendeinem deterministischen Gesetz erfassen kann. Dieser Einschränkung unterliegen alle statistischen Gesetze der klassischen Physik: Sie gelten für Objekte, die aus einer sehr großen Zahl von Teilchen bestehen, können aber das Verhalten von Objekten aus sehr wenigen Teilchen nicht beschreiben. Alles, worauf man die klassischen Gesetze der Zuverlässigkeit und Regelmäßigkeit anwendet, muss also aus sehr vielen Teilchen bestehen.

Wie steht es aber mit dem Lebendigen? Lässt sich sein geordnetes Verhalten, wie man es etwa in den Vererbungsgesetzen beobachtet, mit statistischen Gesetzmäßigkeiten erklären? Als Schrödinger über diese Frage nachdachte, gelangte er zu dem Schluss, dass das Prinzip der »Ordnung aus Unordnung«, das die Grundlage der Thermodynamik bildet, für Lebewesen nicht gelten kann: Nach seiner Überzeugung sind zumindest einige der kleinsten biologischen Maschinen so winzig, dass sie nicht den klassischen Gesetzen unterliegen.

Unter anderem stellte Schrödinger zu der Zeit, als er What is Life? schrieb – damals wusste man bereits, dass Gene über die Vererbung bestimmen, während aber die Natur der Gene noch rätselhaft war –, eine einfache Frage: Sind die Gene so groß, dass sie ihre Reproduktionsgenauigkeit aus den statistischen Gesetzen der »Ordnung aus Unordnung« beziehen können? Er gelangte zu einer Schätzung, wonach ein einzelnes Gen nicht größer als ein Würfel mit einer Seitenlänge von ungefähr 300 Ångström sein kann (ein Ångström ist 0,0000001 Millimeter). Ein solcher Würfel würde ungefähr eine Million Atome enthalten. Das hört sich nach einer großen Zahl an, aber die Quadratwurzel aus 1 Million ist 1.000, das heißt, das Ausmaß der Ungenauigkeit oder das »Rauschen« in der Vererbung sollte in der Größenordnung von 1 zu 1.000 oder 0,1 Prozent liegen. Würde die Vererbung also auf klassischen statistischen Gesetzen beruhen, sollte sie mit einer Häufigkeit von 1 zu 1.000 Fehler (Abweichungen von den Gesetzen) hervorbringen. Man wusste aber, dass Gene originalgetreu weitergegeben werden, wobei die Mutationsrate (das heißt die Fehlerquote) bei unter 1 zu einer Milliarde liegt. Wegen dieser außerordentlich hohen Genauigkeit war Schrödinger überzeugt, dass die Vererbung nicht auf den klassischen Gesetzen der »Ordnung aus Unordnung« basieren kann. Stattdessen postulierte er, dass Gene eher einzelnen Atomen oder Molekülen ähneln und nicht den klassischen Gesetzen unterliegen, sondern den seltsamen Gesetzmäßigkeiten der Wissenschaft, deren Mitbegründer er war: der Quantenmechanik. Schrödinger äußerte die Vermutung, Grundlage der Vererbung sei das neuartige Prinzip der »Ordnung aus Ordnung«.

Er präsentierte seine Theorie erstmals 1943 in einer Vortragsreihe am Trinity College in Dublin und veröffentlichte sie ein Jahr später in seinem Buch What is Life? Darin schrieb er: »Der lebende Organismus scheint ein makroskopisches System zu sein, das sich in einem Teil seines Verhaltens der … Verhaltensweise annähert, auf die alle Systeme im gleichen Maße hinauslaufen, so wie sich die Temperatur dem absoluten Nullpunkt nähert und die molekulare Unordnung dahinfällt.« Aus Gründen, auf die wir gleich zurückkommen, unterliegen am absoluten Nullpunkt alle Objekte den Quantengesetzen und nicht den Gesetzen der Thermodynamik. Lebewesen, so Schrödingers Behauptung, sind Phänomene auf Quantenebene, die durch die Luft fliegen, auf zwei oder vier Beinen laufen, im Ozean schwimmen, im Boden wachsen oder auch dieses Buch lesen können.

Die Entfremdung

In den Jahren nachdem Schrödingers Buch erschienen war, kam es zur Entdeckung der DNA-Doppelhelix und zum kometenhaften Aufstieg der Molekularbiologie, eines Fachgebiets, das sich im Wesentlichen ohne Bezugnahme auf Quantenphänomene entwickelte. Klonieren, Gentechnik, genetische Fingerabdrücke und Genomsequenzierung wurden von Biologen entwickelt, die sich mehr oder weniger (und auch mit einer gewissen Berechtigung) damit zufriedengaben, die mathematisch schwierige Quantenwelt außer Acht zu lassen. Nur gelegentlich fanden Ausflüge in das Grenzgebiet zwischen Biologie und Quantenmechanik statt. Die meisten Wissenschaftler jedoch vergaßen Schrödingers kühne Behauptung; viele von ihnen standen dem Gedanken, man brauche die Quantenmechanik, um das Leben zu erklären, sogar offen feindselig gegenüber. So schrieb beispielsweise der britische Chemiker und Kognitionsforscher Christopher Longuet-Higgins 1962:

Ich erinnere mich noch, wie vor einigen Jahren darüber diskutiert wurde, ob vielleicht weitreichende quantenmechanische Kräfte zwischen Enzymen und ihren Substraten auftreten. Ich hatte aber vollkommen recht mit meiner Ansicht, dass man einer solchen Hypothese mit Vorbehalten begegnen sollte, und das nicht nur wegen der spärlichen experimentellen Belege, sondern auch weil es sehr schwierig ist, eine solche Idee mit der allgemeinen Theorie der zwischenmolekularen Kräfte in Einklang zu bringen.[4]

Im Jahr 1993 erschien das Buch What is Life? The Next Fifty Years[5] (Was ist Leben? – Die nächsten 50 Jahre) mit Aufsätzen der Teilnehmer einer Tagung, die in Dublin 50 Jahre nach Schrödingers Vorträgen abgehalten wurde. Auch darin fand die Quantenmechanik kaum Erwähnung.

Die Skepsis, die Schrödingers Behauptung zu jener Zeit entgegenschlug, hatte ihre Wurzeln zu einem großen Teil in der allgemeinen Überzeugung, die heiklen Quantenzustände könnten in der warmen, feuchten, geschäftigen molekularen Umgebung im Inneren lebender Organismen nicht erhalten bleiben. Wie wir im letzten Kapitel erfahren haben, war dies der Hauptgrund, warum viele Wissenschaftler der Vorstellung, der Kompass der Vögel könne von quantenmechanischen Vorgängen gesteuert werden, so skeptisch gegenüberstanden (und vielfach bis heute stehen). Im Zusammenhang mit dem Thema haben wir in Kapitel 1 behauptet, die Quanteneigenschaften der Materie würden durch die zufällige Anordnung der Moleküle in großen Objekten quasi »weggespült«. Mit unserem Wissen über die Thermodynamik können wir jetzt den Grund für die Auflösung erkennen: das billardkugelähnliche Molekülgerangel, in dem Schrödinger die Ursache der statistischen Gesetze über »Ordnung aus Unordnung« erkannte. Verstreute Teilchen können so angeordnet werden, dass ihre verborgenen Quanteneigenschaften zutage treten, aber das geschieht nur unter besonderen Umständen und in der Regel nur für sehr kurze Zeit. Wir haben beispielsweise erfahren, wie die verstreuten, rotierenden Wasserstoffkerne unseres Körpers so ausgerichtet werden können, dass aus der Quanteneigenschaft ihres Spins ein kohärentes MRT-Signal entsteht, aber das geschieht nur, wenn man mit einem großen, leistungsfähigen Magneten ein starkes Magnetfeld anlegt, und es geschieht auch nur so lange, wie die magnetische Kraft aufrechterhalten wird: Sobald man das Magnetfeld ausschaltet, verteilen sich die Teilchen durch das molekulare Gerangel wieder nach dem Zufallsprinzip, und das Quantensignal zerstreut sich, so dass es nicht mehr nachweisbar ist. Dieser Prozess, durch den Zufallsbewegungen von Molekülen die penible Ordnung in quantenmechanischen Systemen aufheben, wird Dekohärenz genannt; sie löscht die seltsamen Quanteneffekte in großen, unbelebten Objekten sehr schnell aus.

Wenn die Temperatur eines Körpers steigt, nehmen auch die Energie und die Geschwindigkeit des molekularen Gerangels zu; deshalb stellt sich die Dekohärenz bei höheren Temperaturen schneller ein. »Höhere Temperatur« bedeutet aber nicht »heiß«. Schon bei Raumtemperatur wird die Dekohärenz praktisch augenblicklich wirksam. Und aus diesem Grund galt der Gedanke, dass warme, lebende Organismen empfindliche Quantenzustände aufrechterhalten können, zumindest anfangs als höchst unplausibel. Nur wenn man Objekte bis in die Nähe des absoluten Nullpunktes – die Temperatur von – 273 Grad Celsius – abkühlt, kommt die Zufallsbewegung der Moleküle vollkommen zum Stillstand, die Dekohärenz wird in Schach gehalten und die Quantenmechanik kann durchdringen. Damit wird auch klarer, was Schrödingers oben zitierte Aussage bedeutet. Der Physiker behauptete, das Leben könne auf irgendeine Art und Weise nach Gesetzen funktionieren, die normalerweise nur bei Temperaturen gelten, die 273 Grad Celsius unter der Temperatur jedes Lebewesens liegen.

Aber Jordan und Schrödinger vertraten eine Ansicht, die auch im weiteren Verlauf dieses Buches deutlich werden wird: Leben unterscheidet sich von unbelebten Objekten, weil eine relativ kleine Zahl hochgeordneter Teilchen – beispielsweise in einem Gen oder im Kompass der Vögel – einen ganzen Organismus entscheidend beeinflussen können. Dies bezeichnete Jordan als »Verstärkerwirkung« und Schrödinger als »Ordnung aus Ordnung«. Über die Augenfarbe, die Nasenform, Charaktereigenschaften, Intelligenzniveau und selbst die Anfälligkeit für Krankheiten bestimmen genau 46 hochgeordnete Riesenmoleküle: die DNA in den Chromosomen, die wir von unseren Eltern geerbt haben. Kein unbelebtes makroskopisches Objekt im bekannten Universum reagiert derart empfindlich auf die Feinstruktur der Materie auf ihrer alleruntersten Ebene – eine Strukturebene, auf der nicht die klassischen Gesetze, sondern die Regeln der Quantenmechanik gelten. Das war nach Schrödingers Ansicht der Grund, warum Leben etwas so Besonderes ist. Im Jahr 2014, 70 Jahre nachdem Schrödingers Buch erstmals erschien, können wir endlich einschätzen, welche verblüffenden Folgerungen aus der ungewöhnlichen Antwort erwachsen, die er auf eine einfache Frage gab: Was ist Leben?

3. Die Motoren des Lebendigen

Alles, was lebendige Dinge tun, kann verstanden werden aus dem Zittern und Zappeln der Atome …

Richard Feynman[1]

Hamlet: Wie lang liegt wohl einer in der Erde, eh’ er verfault?

Erster Totengräber: Meiner Treu, wenn er nicht schon vor dem Tode verfault ist (wie wir denn heute viele lustsieche Leichen haben, die kaum bis zum Hineinlegen halten), so dauert er Euch ein acht bis neun Jahr aus; ein Lohgerber neun Jahre.

Hamlet: Warum der länger als ein andrer?

Erster Totengräber: Ei, Herr, sein Gewerbe gerbt ihm das Fell so, dass es eine lange Zeit das Wasser abhält, und das Wasser richtet so ´ne Blitzleiche verteufelt zugrunde.

William Shakespeare, Hamlet

Vor 68 Millionen Jahren, in einem Zeitalter, das wir heute als späte Kreidezeit bezeichnen, war ein junger Tyrannosaurus rex in einem spärlich bewaldeten Flusstal unterwegs, das einen subtropischen Wald durchschnitt. Mit seinem Alter von ungefähr 18 Jahren hatte das Tier noch nicht die Geschlechtsreife erreicht, aber es war fast fünf Meter groß. Mit jedem schweren Schritt beschleunigte es viele Tonnen Dinosaurierfleisch mit einem Impuls, der ausgereicht hätte, um Bäume umzuwerfen oder jedes kleinere Lebewesen, das Pech hatte und ihm in die Quere kam, platt zu treten. Dass sein Körper unversehrt blieb, während er gleichzeitig diesen fleischzerreißenden Kräften ausgesetzt war, verdankte er dem Umstand, dass jeder Knochen, jede Sehne und jeder Muskel durch die elastischen Fasern eines Proteins namens Kollagen an einem ganz bestimmten Platz gehalten wurde. Kollagen wirkt wie eine Art Klebstoff: Es hält das Fleisch zusammen und ist ein unverzichtbarer Bestandteil im Körper eines jeden Tieres, unser eigener eingeschlossen. Wie alle Biomoleküle wird es von den bemerkenswertesten Maschinen des Universums aufgebaut und wieder zerlegt. In diesem Kapitel konzentrieren wir uns auf die Frage, wie solche biologischen Nanomaschinen[1] funktionieren; anschließend werden wir uns mit der kürzlich entdeckten Tatsache beschäftigen, dass die Räder und Hebel dieser Lebensmaschinen, die uns und alle anderen Organismen am Leben halten, in die Quantenwelt eintauchen.

Aber erst einmal zurück in unser vorzeitliches Tal. Gerade an diesem Tag ist die gewaltige, von Millionen Nanomaschinen aufgebaute Masse des Dinosauriers sein Untergang: Die Gliedmaßen, mit denen er so gut jagen und seine Beute zerlegen konnte, erweisen sich als ziemlich nutzlos bei dem Versuch, ihn aus dem klebrigen Schlamm des weichen Flussbettes zu befreien, in das er hineingestolpert ist. Nach stundenlangem vergeblichen Kampf füllt sich das riesige Maul des Tyrannosaurus mit trübem Wasser, und das sterbende Tier sinkt in den Schlamm. Unter gewöhnlichen Umständen würde sein Fleisch nun der gleichen schnellen Zersetzung anheimfallen wie die Leichen von Hamlets Totengräber, aber dieser Dinosaurier sinkt so schnell in die Tiefe, dass sein ganzer Körper schon wenig später von dicken, konservierenden Schichten aus Schlamm und Sand eingehüllt ist. Im Laufe der Jahre und Jahrhunderte durchdringen feinkörnige Mineralstoffe alle Hohlräume und Poren in Knochen und Fleisch, so dass Stein an die Stelle der Gewebe tritt: Aus dem toten Dinosaurier wird ein Dinosaurierfossil. Oben an der Oberfläche wandert der Fluss weiter durch die Landschaft und legt eine Schicht aus Sand, Schlamm und Schlick nach der anderen ab, bis das Fossil unter Dutzenden Metern Sandstein und Schiefer begraben ist.

Ungefähr 40 Millionen Jahre später erwärmte sich das Klima, die Flüsse trockneten aus, und die Gesteinsschichten, die über den toten Knochen lagen, erodierten im heißen Wüstenwind. Noch einmal 28 Millionen Jahre mussten vergehen, bevor Angehörige einer anderen Art von Zweibeinern, später Homo sapiens genannt, durch das Flusstal wanderten; aber in der Regel mieden diese aufrecht gehenden Primaten das trockene, lebensfeindliche Land. Als europäische Siedler in noch späterer Zeit in die Gegend kamen, gaben sie ihr den Namen »Badlands of Montana«, und das ausgetrocknete Flusstal nannten sie »Hell Creek«. Im Jahr 2002 schlug ein Paläontologenteam unter Leitung des berühmten Fossilienjägers Jack Horner dort sein Lager auf. Bob Hormon, ein Mitglied der Gruppe, aß gerade zu Mittag, als ihm ein großer Knochen auffiel, der unmittelbar über ihm aus dem Fels ragte.

Im Laufe der nächsten drei Jahre wurde fast die Hälfte des gesamten Tierskeletts vorsichtig aus dem umgebenden Gestein geborgen – eine Aufgabe, an der sich das Army Corps of Engineers, ein Hubschrauber und eine große Zahl von Doktoranden beteiligten. Man transportierte den Fund ins Museum of the Rockies in Bozeman in Montana, wo es die Inventarnummer MOR 1255 erhielt. Den Oberschenkelknochen des Dinosauriers musste man in der Mitte durchschneiden, bevor man ihn in den Hubschrauber hieven konnte, und dabei brach ein Stück des fossilen Knochens ab. Einige der Bruchstücke gab Jack Horner an seine Paläontologenkollegin Dr. Mary Schweitzer von der North Carolina State University weiter, denn er wusste, dass sie sich für die chemische Zusammensetzung von Fossilien interessierte.

Als Schweitzer das Paket öffnete, erlebte sie eine Überraschung. Das erste Bruchstück, das sie sich ansah, schien auf der inneren (der Knochenmarkhöhle zugewandten) Seite ein sehr ungewöhnliches Gewebe zu tragen. Sie legte den Knochen in ein Säurebad, das die äußeren Gesteinsmineralien auflöste und die tiefer gelegenen Strukturen freilegte. Dabei ließ sie das Fossil aber versehentlich zu lange in der Säure, und als sie wieder ins Labor kam, waren alle Mineralien verschwunden. Schweitzer rechnete eigentlich damit, dass das Fossil sich vollständig aufgelöst hatte, aber zu ihrem Erstaunen entdeckten sie und ihre Kollegen, dass eine biegsame, faserige Substanz übrig geblieben war. Diese sah unter dem Mikroskop genauso aus wie das weiche Gewebe, das man in heutigen Knochen findet. Und genau wie in modernen Knochen war das Gewebe offensichtlich voller Blutgefäße, Blutzellen und langer Ketten aus Kollagenfasern, dem biologischen Klebstoff, der das schwerfällige Tier zu Lebzeiten zusammengehalten hatte.

Fossilien, in denen die Struktur des weichen Gewebes erhalten geblieben ist, sind selten, aber keineswegs unbekannt. Die Fossilien aus dem Burgess-Schiefer, die man zwischen 1910 und 1925 hoch oben in den Rocky Mountains der kanadischen Provinz British Columbia gefunden hat, zeigen erstaunlich detaillierte Abdrücke der Weichteile von Tieren, die im Kambrium, vor fast 600 Millionen Jahren, durch die Meere schwammen. Das Gleiche gilt auch für den berühmten gefiederten Archaeopteryx aus dem Steinbruch von Solnhofen in Deutschland, der vor rund 150 Millionen Jahren lebte. Doch normalerweise bleibt an Fossilien, an denen weiches Gewebe zu erkennen ist, nur der Abdruck des biologischen Materials erhalten, nicht aber die Substanz selbst. Dagegen handelte es sich bei dem biegsamen Material, das in Mary Schweitzers Säurebad zurückgeblieben war, offensichtlich um das weiche Gewebe des Dinosauriers selbst. Als sie ihre Befunde 2007 in dem Fachblatt Science[2] veröffentlichte, stieß der Artikel anfänglich auf viel Verwunderung und ein beträchtliches Maß an Skepsis. Aber auch wenn es wirklich erstaunlich ist, dass biologische Moleküle die Jahrmillionen überlebt haben, steht eigentlich das nächste Kapitel der Geschichte im Mittelpunkt unseres Interesses. Um zu beweisen, dass die Faserstrukturen tatsächlich aus Kollagen bestehen, wies Schweitzer zunächst nach, dass Proteine, die sich an modernes Kollagen heften, auch an den Fasern aus ihrem alten Knochen hängenblieben. Als letzten Test mischte sie das Dinosauriergewebe mit einem Enzym namens Kollagenase, einer der vielen Biomolekül-Maschinen, die Kollagenfasern im Organismus eines Tiers herstellen und abbauen. Innerhalb weniger Minuten waren die Kollagenketten, die 68 Millionen Jahre durchgehalten hatten, von dem Enzym zerlegt.

Enzyme sind die Motoren des Lebendigen. Diejenigen unter ihnen, die uns vermutlich am vertrautesten sind, werden im Alltag für mehr oder weniger banale Zwecke verwendet: Proteasen sind in »biologischen« Waschmitteln enthalten und tragen dazu bei, Flecken zu entfernen, Pektin lässt Marmelade gelieren, und Lab setzt man der Milch zu, damit sie gerinnt und zu Käse wird. Manch einer weiß vielleicht auch, dass verschiedene Enzyme in unserem Magen-Darm-Trakt für die Verdauung der Nahrung wichtig sind. Aber das alles sind recht triviale Beispiele für die Wirkungsweise der natürlichen Nanomaschinen. Alles Lebendige war oder ist auf Enzyme angewiesen, von den allerersten Mikroorganismen, die sich aus der Ursuppe entwickelten, über die Dinosaurier, die durch die Wälder der Jurazeit stapften, bis hin zu allen heutigen Lebewesen. In jeder Zelle unseres Körpers befinden sich Hunderte oder sogar Tausende dieser Molekülmaschinen, sie helfen mit, den kontinuierlichen Prozess des Auf- und Abbaus der Biomoleküle am Laufen zu halten – den Prozess, den wir Leben nennen.

»Helfen« ist hier das Schlüsselwort, das die Tätigkeit von Enzymen beschreibt: Sie beschleunigen (katalysieren) alle möglichen biochemischen Reaktionen, die ansonsten viel zu langsam ablaufen würden. Protease-Enzyme im Waschmittel beschleunigen also den Abbau der Proteine in Flecken, Pektin-Enzyme beschleunigen den Abbau von Polysacchariden in Früchten, und Lab-Enzyme beschleunigen die Gerinnung von Milch. Ganz ähnlich auch die Enzyme in unseren Zellen: Sie beschleunigen den Metabolismus oder Stoffwechsel, jenen Prozess, der Billionen Biomoleküle in unseren Zellen ständig in Billionen andere Biomoleküle umwandelt und uns damit am Leben erhält.

Eine solche biologische Maschine war auch die Kollagenase, die Mary Schweitzer ihren Dinosaurierknochen zusetzte: Dieses Enzym hat im Körper von Tieren normalerweise die Aufgabe, Kollagenfasern abzubauen. Wie stark Enzyme eine Reaktion beschleunigen, kann man ungefähr abschätzen, indem man vergleicht, wie lange der Abbau der Kollagenfasern ohne sie dauert (offensichtlich mehr als 68 Millionen Jahre) und wie schnell er in Gegenwart des richtigen Enzyms vonstattengeht (ungefähr in 30 Minuten): ein billionenfacher Unterschied.

In diesem Kapitel werden wir der Frage nachgehen, wie die Kollagenase und andere Enzyme es schaffen, chemische Reaktionen um solche astronomischen Beträge zu beschleunigen. Eine der größten Überraschungen war in den letzten Jahren die Entdeckung, dass die Quantenmechanik zumindest für die Tätigkeit mancher Enzyme eine Schlüsselrolle spielt; und da Enzyme für das Leben eine so zentrale Bedeutung haben, sind sie auch die erste Anlaufstelle auf unserer Reise durch die Quantenbiologie.

Enzyme: zwischen den Lebenden und den Toten

Die Nutzung von Enzymen ist Jahrtausende älter als ihre Entdeckung und Charakterisierung. Schon vor mehreren Tausend Jahren verwandelten unsere Vorfahren Getreide oder Traubensaft durch Zugabe von Hefe – die eigentlich ein mikroskopisch kleiner Beutel voller Enzyme ist[2] – in Bier oder Wein. Sie wussten auch, dass Extrakte aus der Magenschleimhaut von Kälbern (Lab) die Umwandlung von Milch in Käse beschleunigen. Jahrhundertelang glaubte man, diese Fähigkeit zur Umwandlung sei Kräften zu verdanken, die nur Lebewesen eigen sind und durch die sich demzufolge die Lebenden von den Toten unterscheiden.

Angeregt von der mechanistischen Philosophie eines René Descartes machte sich der französische Wissenschaftler René Antoine Ferchault de Réaumur 1752 mit einem phantasievollen Experiment an die Untersuchung einer Erscheinungsform dieser angeblichen Vitalkräfte, der Verdauung. Zu jener Zeit glaubte man allgemein, Tiere würden ihre Nahrung durch einen mechanischen Vorgang verdauen, durch den sie in den Verdauungsorganen zerstoßen und zerkleinert wird. Besonders gut schien diese Theorie auf Vögel zuzutreffen: Deren Muskelmagen enthält kleine Steine, von denen man glaubte, sie würden die Nahrung zermahlen – ein mechanischer Vorgang im Einklang mit der Auffassung von René Descartes, Tiere seien reine Maschinen. Für de Réaumur war es aber ein Rätsel, wie dann Raubvögel, deren Magen keine Steine enthält, ihre Nahrung verdauen können. Also fütterte er seinen Lieblingsfalken mit kleinen Fleischstücken, die in winzige, mit kleinen Löchern versehene Metallkapseln eingeschlossen waren. Als er die Kapseln später zurückgewann, stellte er fest, dass das Fleisch vollständig verdaut war, obwohl es, vom Metall geschützt, keiner mechanischen Kraft ausgesetzt gewesen war. Descartes’ Zahnräder, Hebel und Mahlsteine reichten offensichtlich nicht aus, um zumindest eine der wichtigsten Kräfte des Lebendigen zu erklären.

Hundert Jahre nach Réaumur beschäftigte sich ein weiterer Franzose, Louis Pasteur, der Chemiker und Begründer der Mikrobiologie, mit einer anderen biologischen Umwandlung, die man bis dahin den »Lebenskräften« zugeschrieben hatte: der Verwandlung von Traubensaft in Wein. Wie Pasteur nachweisen konnte, muss es einen engen Zusammenhang zwischen dem transformierenden Prinzip der Gärung (Fermentation) und lebenden Hefezellen geben. Letztere waren in den »Fermenten« enthalten, die man beim Bierbrauen oder als Triebmittel zur Brotherstellung verwendete. Der Begriff »Enzym« (griechisch »in der Hefe«) wurde 1877 von dem deutschen Physiologen Wilhelm Friedrich Kühne geprägt: Er bezeichnete damit die Verursacher »vitaler Aktivitäten«, wie sie von lebenden Hefezellen ausgeführt wurden, genau genommen: die Urheber aller anderen Umwandlungen, welche man aus lebendem Gewebe gewonnen hatte.

Aber was sind Enzyme, und wie beschleunigen sie biologische Umwandlungen? Kehren wir noch einmal zu dem Enzym zurück, mit dem unsere Geschichte in diesem Kapitel begonnen hat: der Kollagenase.

Warum wir Enzyme brauchen und
wie Kaulquappen den Schwanz verlieren

Kollagen ist im Organismus von Tieren (einschließlich des Menschen) in größerer Menge vorhanden als jedes andere Protein. Es dient als eine Art molekularer Faden, der in unsere Gewebe und zwischen ihnen eingewoben ist und das Fleisch zusammenhält. Wie alle Proteine besteht es aus chemischen Grundbausteinen: Ketten aus Aminosäuren. Es gibt 20 verschiedene Aminosäuren; manche davon (zum Beispiel Glycin, Glutamin, Lysin, Cystein, Tyrosin) sind dem einen oder anderen vielleicht als Nahrungsergänzung bekannt, die man in Drogeriemärkten kaufen kann. Jedes Aminosäuremolekül besteht aus etwa 10 bis 50 Atomen – Kohlenstoff, Stickstoff, Sauerstoff, Wasserstoff und gelegentlich auch Schwefel –, die durch chemische Bindungen jeweils in eine einzigartige, charakteristische Raumstruktur gebracht werden.

Einige Hundert dieser Aminosäuren mit ihren charakteristischen Molekülformen werden dann ihrerseits zu einem Protein aneinandergereiht wie seltsam geformte Perlen auf einem Faden. Jede Perle ist mit der nächsten über eine Peptidbindung verknüpft, die ein Kohlenstoffatom in einer Aminosäure mit einem Stickstoffatom in der nächsten verbindet. Peptidbindungen sind sehr stark: Diejenigen, die einst die Kollagenfasern unseres T. rex zusammenhielten, haben immerhin 68 Millionen Jahre überdauert.

Kollagen ist ein besonders widerstandsfähiges Protein. Das ist für seine Funktion als inneres Gerüst, das Form und Struktur unserer Gewebe aufrechterhält, von entscheidender Bedeutung. Seine Proteinketten sind in Dreiersträngen miteinander verdrillt, und diese Stränge sind ihrerseits zu dicken »Seilen« oder Fasern verbunden. Die Fasern ziehen sich wie Fäden durch unsere Gewebe und halten die Zellen zusammen; sie sind auch in den Sehnen vorhanden, die unsere Muskeln an den Knochen befestigen, und in den Bändern, die die Knochen verbinden. Dieses dichte Netz aus Fasern wird extrazelluläre Matrix genannt, es ist das, was uns im Wesentlichen zusammenhält.

Wer kein Vegetarier ist, der kennt die extrazelluläre Matrix als faseriges »Gezadder«, das uns manchmal in einem ungenießbaren Würstchen oder einem weniger hochwertigen Stück Fleisch begegnet. Köche wissen über das unlösliche Sehnenmaterial genau Bescheid: Es wird selbst dann nicht weich, wenn man es stundenlang in einer Suppe kocht. Aber so wenig uns die extrazelluläre Matrix auch auf dem Essensteller gefällt, im Körper der Feinschmecker ist sie unentbehrlich. Ohne Kollagen würden unsere Knochen auseinanderfallen, die Muskeln würden sich von den Knochen lösen, und unsere inneren Organe wären nur eine Art Gelee.

Allerdings sind auch die Kollagenfasern in unseren Knochen und Muskeln oder in unserem Abendessen nicht unzerstörbar. Kocht man sie in starker Säure oder Lauge, lösen sich die Peptidbindungen zwischen den Aminosäuren irgendwann auf, und die zähen Fasern verwandeln sich in lösliche Gelatine, jene geleeartige Substanz, aus der man Marshmallows und Gummibärchen herstellt. Filmfans erinnern sich vielleicht noch an Ghostbusters und den Stay Puft Marshmallow Man, eine riesige, schwerfällige Masse aus wabbeligem weißem Fleisch, die New York terrorisiert. Aber den Marshmallow Man konnte man leicht besiegen: Man musste ihn nur verflüssigen und zu geschmolzener Marshmallowcreme machen. Der Unterschied zwischen dem Marshmallow Man und einem Tyrannosaurus rex liegt in den Peptidbindungen zwischen den Aminosäureperlen der Kollagenfasern. Zähe Kollagenfasern machen echte Tiere zäh.

Wenn man aber den Körper eines Tieres mit einem Gerüst aus zähen, langlebigen Materialien wie Kollagen ausstattet, stehen wir irgendwann vor einem Problem. Was geschieht, wenn wir uns schneiden, einen Bluterguss zuziehen oder auch einen Arm oder ein Bein brechen? Das Gewebe wird zerstört, und die Stützstruktur der extrazellulären Matrix, dieses innere Fasernetz, ist wahrscheinlich ebenfalls beschädigt oder zerrissen. Wenn ein Haus durch einen Sturm oder ein Erdbeben beschädigt wird, muss man bei der Reparatur zuerst die beschädigten Stützstrukturen freilegen. Ähnliches geschieht auch im Organismus von Tieren: Hier schneidet das Enzym Kollagenase die geschädigten Teile der extrazellulären Matrix aus, so dass das Gewebe – von anderen Enzymen – repariert werden kann.

Noch wichtiger ist, dass die extrazelluläre Matrix ständig umgebaut werden muss, wenn ein Tier wächst: Das innere Gerüst, das einem Kleinkind die notwendige Stütze gibt, erfüllt die gleiche Funktion beim viel größeren Erwachsenen nicht mehr. Besonders akut ist dieses Problem bei Amphibien, deren ausgewachsene Form sich völlig von der des Jungtieres unterscheidet – und deshalb ist die Lösung auch besonders aufschlussreich. Das bekannteste Beispiel ist die Metamorphose der Frösche: Ein kugelförmiges Ei verwandelt sich in eine zappelnde Kaulquappe, die später zu einem hüpfenden Frosch heranreift. Fossilien dieser kurzen, schwanzlosen Amphibien mit ihren unverkennbaren, kräftigen Hinterbeinen kennt man aus 200 Millionen Jahre altem Juragestein aus dem Mesozoikum, das auch »Reptilienzeitalter« genannt wird. Man findet sie aber auch in Gestein, das auf die Kreidezeit datiert wurde. Wahrscheinlich schwammen also Frösche in Montana durch denselben Fluss, in dem der Dinosaurier, der zu MOR 1255 wurde, sein Ende fand. Aber im Gegensatz zu den Dinosauriern gelang es den Fröschen, das große Aussterben am Ende der Kreidezeit zu überleben. Deshalb sind sie noch heute in unseren Teichen, Flüssen und Sümpfen weit verbreitet und bieten Generationen von Schulkindern und Wissenschaftlern die Möglichkeit, Auf- und Umbau ihres Körpers zu studieren.

Die Verwandlung einer Kaulquappe in einen Frosch erfordert einen Ab- und Umbau erheblichen Ausmaßes: Unter anderem wird der Schwanz allmählich wieder in den Körper des Tieres aufgenommen und dann für die neuen Gliedmaßen des Frosches »recyclet«. Das alles setzt voraus, dass die auf Kollagen basierende extrazelluläre Matrix, die das Stützgerüst für den Schwanz gebildet hat, schnell zerlegt und in den neu entstehenden Gliedmaßen wieder zusammengesetzt wird. Denken wir aber an die 68 Millionen Jahre unter den Felsen von Montana: Kollagenfasern brechen nicht so leicht. Die Metamorphose des Frosches würde sehr lange dauern, wenn das Kollagen ausschließlich durch anorganische chemische Prozesse zerlegt würde. Ein Tier kann seine zähen Sehnen natürlich nicht in heißer Säure kochen; also braucht es ein viel sanfteres Mittel, um seine Kollagenfasern zu zerlegen.

An dieser Stelle kommt das Enzym Kollagenase ins Spiel.

Wie funktioniert es – und wie funktionieren alle anderen Enzyme? Die Auffassung der Vitalisten, die Aktivität der Enzyme werde durch irgendeine rätselhafte Lebenskraft bewirkt, hielt sich bis gegen Ende des 19. Jahrhunderts. Dann aber konnte der Chemiker Eduard Buchner, ein Kollege von Kühne, nachweisen, dass unbelebte Extrakte aus Hefezellen genau die gleichen chemischen Reaktionen in Gang setzen können wie die lebenden Zellen. Im weiteren Verlauf äußerte Buchner die revolutionäre Vermutung, bei der Lebenskraft handele es sich in Wirklichkeit schlicht und einfach um eine Form der chemischen Katalyse.

Katalysatoren sind Substanzen, die ganz gewöhnliche chemische Reaktionen beschleunigen. Den Chemikern des 19. Jahrhunderts waren sie bereits bekannt. Viele chemische Prozesse, die zu Triebkräften der industriellen Revolution wurden, waren sogar entscheidend auf Katalysatoren angewiesen. Schwefelsäure zum Beispiel war eine wichtige chemische Verbindung, die sowohl die industrielle als auch die landwirtschaftliche Revolution vorantrieb, bei der Eisen- und Stahlherstellung Verwendung fand, aber auch in der Textilindustrie sowie für die Herstellung von Phosphatdünger gebraucht wurde. Sie entsteht durch eine chemische Reaktion, die mit Schwefeldioxid (SO_2) und Sauerstoff (den Edukten oder Reaktanten) beginnt; diese reagieren mit Wasser und bilden so das Produkt, die Schwefelsäure (H_2SO_4). Die Reaktion läuft aber sehr langsam ab, und deshalb war es anfangs schwierig, sie kommerziell zu nutzen. Im Jahr 1831 jedoch entdeckte der Essighersteller Peregrine Phillips aus Bristol in England eine Methode, um sie zu beschleunigen: Er leitete Schwefeldioxid und Sauerstoff über heißes Platin, das als Katalysator wirkte. Im Gegensatz zu den Edukten (den Ausgangsstoffen, die an der Reaktion beteiligt sind) beschleunigen Katalysatoren die Reaktion, ohne selbst daran teilzunehmen oder durch sie verändert zu werden. Deshalb behauptete Buchner, Enzyme seien im Prinzip nichts anderes als die anorganischen Katalysatoren, die Phillips entdeckt hatte.

In den nachfolgenden Jahrzehnten konnte die biochemische Forschung Buchners Erkenntnis im Wesentlichen bestätigen. Das erste Enzym, das man reinigte, war das Lab, das im Magen von Kälbern produziert wird. Die alten Ägypter bewahrten Milch in Beuteln auf, die sie aus der Innenhaut von Kälbermägen hergestellt hatten, und ihnen schreibt man in der Regel auch die Entdeckung zu, dass dieses Material die Umwandlung von Milch in den besser haltbaren Käse beschleunigt. Die Praxis wurde bis zum Ende des 19. Jahrhunderts beibehalten. Damals wurden die Kälbermägen selbst getrocknet und als »Lab« in Apotheken verkauft. Der dänische Chemiker Christian Hansen führte 1874 gerade ein Einstellungsgespräch in einer Apotheke, als er zufällig mitbekam, wie eine Bestellung über ein Dutzend Labs eintraf. Als er sich erkundigte, was das sei, kam er auf die Idee, mit seinen chemischen Kenntnissen eine weniger unappetitliche Form von Lab herzustellen. Er kehrte in sein Labor zurück und entwickelte eine Methode, mit der man aus der faulig riechenden Flüssigkeit, die beim Wässern von Kälbermägen entstand, ein trockenes Pulver machen konnte. Anschließend verdiente er mit der kommerziellen Nutzung seines Produkts, das auf der ganzen Welt als »Dr. Hansens Labextrakt« verkauft wurde, ein Vermögen.

Eigentlich ist Lab ein Gemisch aus mehreren Enzymen; für die Zwecke der Käseherstellung ist darunter vor allem das Chymosin wichtig, das seinerseits zu den Proteasen gehört, einer großen Familie von Enzymen, die die Spaltung von Proteinen beschleunigen. Bei der Käseherstellung sorgt es dafür, dass die Milch gerinnt, so dass man Weißkäse und Molke trennen kann. Seine natürliche Funktion im Organismus eines jungen Kalbs besteht aber darin, die aufgenommene Milch gerinnen zu lassen, damit sie länger im Verdauungstrakt bleibt und über längere Zeit aufgenommen werden kann. Kollagenase ist ebenfalls eine Protease, aber die Methoden zu ihrer Reinigung wurden erst 50 Jahre später entwickelt: In den 1950er Jahren war der Mediziner Jerome Gross an der Harvard Medical School fasziniert von der Frage, wie Kaulquappen ihren Schwanz resorbieren und zu Fröschen werden.

Gross interessierte sich für die Kollagenfasern und ihre Rolle bei der sogenannten molekularen Selbstmontage (»Selbstassemblierung«), die in seinen Augen »ein wichtiges Geheimnis des Lebendigen birgt«.[3] Er entschloss sich, den recht massigen Schwanz der Ochsenfrosch-Kaulquappen zu untersuchen, der etliche Zentimeter lang werden kann. Zu Recht vermutete Gross, im Rahmen der Wiederaufnahme des Schwanzes in den Körper müsse es zu einem umfangreichen Auf- und Abbau der Kollagenfasern kommen. Zum Nachweis der Kollagenaseaktivität entwickelte er einen einfachen Test: Er füllte eine Petrischale mit einer Schicht aus einem milchig aussehenden Kollagengel, das aus dicht gedrängten, zähen, dauerhaften Kollagenfasern bestand. Legte er Gewebestücke aus dem Schwanz der Kaulquappen auf die Oberfläche des Gels, fiel ihm rund um das Gewebe eine Zone auf, in der die zähen Fasern abgebaut wurden und sich in lösliche Gelatine verwandelten. Anschließend reinigte er die Kollagen abbauende Substanz, es war das Enzym Kollagenase.

Kollagenase kommt im Gewebe von Fröschen und anderen Tieren vor, auch in dem des Dinosauriers, der seine Knochen im Hell Creek hinterließ. Das Enzym erfüllte vor 68 Millionen Jahren die gleiche Funktion wie heute – es baute Kollagenfasern ab. Als das Tier aber starb und im Schlamm versank, wurde die Kollagenase inaktiviert, und die Kollagenfasern blieben intakt, bis Mary Schweitzer den Knochenbruchstücken frisches Enzym zusetzte.

Die Kollagenase ist nur eines von Millionen Enzymen, auf die alle Tiere, Mikroorganismen und Pflanzen für nahezu alle lebenswichtigen Abläufe angewiesen sind. Andere Enzyme bauen die Kollagenfasern der extrazellulären Matrix auf, wieder andere produzieren Biomoleküle wie Proteine, DNA, Fett und Kohlenhydrate, und die Enzyme einer ganz anderen Gruppe bauen diese Biomoleküle ab und führen sie der Wiederverwertung zu. Enzyme sind für die Verdauung ebenso verantwortlich wie für Atmung, Photosynthese und Stoffwechsel. Sie sorgen dafür, dass wir alle entstehen, und sie halten uns am Leben. Sie sind die Motoren des Lebendigen.

Aber sind Enzyme wirklich nichts weiter als biologische Katalysatoren, die chemische Vorgänge des gleichen Typs beschleunigen, wie sie auch zur Herstellung von Schwefelsäure und unzähliger anderer Industriechemikalien verwendet werden? Noch vor einigen Jahrzehnten wären die meisten Biologen wie Buchner der Ansicht gewesen, dass die Chemie des Lebendigen sich nicht von jenen Prozessen unterscheidet, die in einer Chemiefabrik oder auch bei Experimenten mit einem Chemiebaukasten ablaufen. In den letzten Jahrzehnten jedoch hat sich diese Vorstellung radikal gewandelt: Mehrere entscheidende Experimente haben erstaunliche neue Erkenntnisse über die Wirkungsweise von Enzymen geliefert. Mittlerweile sieht es so aus, als seien die Katalysatoren des Lebendigen in der Lage, auf eine tiefere Ebene der Realität zurückzugreifen als die einfache klassische Chemie und sich aus der Quantentrickkiste zu bedienen.

Aber um zu verstehen, warum wir die Quantenmechanik brauchen, um die Lebendigkeit des Lebendigen zu erklären, müssen wir zuerst der Frage nachgehen, wie die weit banaleren industriellen Katalysatoren wirken.

Die Landschaft verändern

Die Wirkung von Katalysatoren kommt durch unterschiedliche Mechanismen zustande, doch den meisten liegt ein Prinzip zugrunde, das mit der sogenannten Theorie des Übergangszustandes[4] erklärt werden kann. Diese liefert eine einfache Erklärung dafür, wie Katalysatoren chemische Reaktionen beschleunigen. Wenn man die Theorie des Übergangszustandes verstehen will, hilft es, das Problem von der anderen Seite zu betrachten und zu überlegen, warum Katalysatoren zur Beschleunigung von Reaktionen notwendig sind. Die Antwort: Die meisten normalen chemischen Substanzen in unserer Umwelt sind ziemlich stabil und reaktionsträge. Weder zerfallen sie spontan, noch reagieren sie ohne weiteres mit anderen Substanzen; täten sie das eine oder das andere, sie wären heute nicht mehr häufig anzutreffen.

Chemische Substanzen sind normalerweise stabil, weil ihre Bindungen von den unvermeidlichen molekularen Turbulenzen, die in der Materie immer vorhanden sind, nur selten aufgebrochen werden. Wir können uns das so vorstellen, als müssten die reagierenden Moleküle mit einer Energielandschaft zurechtkommen und über einen Berg klettern, der zwischen ihnen und der Umwandlung in die Produkte steht (Abbildung 3.1). Die notwendige Energie zum Aufstieg an dem »Berghang« wird meist von Wärme geliefert: Sie beschleunigt die Bewegung der Atome und Moleküle, so dass sie sich schneller bewegen oder schneller schwingen. Dieses molekulare Wackeln und Stoßen kann zum Bruch der chemischen Bindungen führen, die in den Molekülen die Atome zusammenhalten, und dann können sie sogar neue Bindungen eingehen. Die Atome der stabileren Moleküle jedoch – das sind diejenigen, die in unserer Umwelt häufig vorkommen – werden von so starken Bindungen zusammengehalten, dass sie den molekularen Turbulenzen in ihrer Umgebung widerstehen. Die Substanzen in unserer Umgebung kommen gerade deshalb so häufig vor, weil ihre Moleküle im Großen und Ganzen – trotz des energiereichen Molekülgerangels um sie herum – stabil sind.[3]

Abb. 3.1: Die Moleküle der Ausgangssubstanzen oder Reaktanten (graue Punkte) können in Moleküle der Reaktionsprodukte (schwarze Punkte) umgewandelt werden, aber dazu müssen sie einen Energieberg überwinden. Kühle Moleküle besitzen nur in seltenen Fällen ausreichend Energie für den Aufstieg, aber wenn man sie erwärmt, können sie den Gipfel leicht überwinden.

Aber auch stabile Moleküle können auseinandergerissen werden, wenn man ihnen genügend Energie zuführt. Eine mögliche Quelle dieser Energie ist mehr Wärme, durch die sich die Molekülbewegungen beschleunigen. Wenn man eine Substanz erhitzt, lösen sich ihre Bindungen irgendwann auf. Das ist der Grund, warum wir unsere Nahrung in vielen Fällen kochen: Die Wärme beschleunigt die chemischen Reaktionen, durch die sich die Zutaten – die Ausgangsstoffe – in schmackhaftere Produkte verwandeln.

Wenn man sich klarmachen will, wie Wärme chemische Reaktionen beschleunigt, kann man sich die Moleküle der Ausgangsstoffe bequemlichkeitshalber als Sandkörner in der linken Kammer einer Sanduhr vorstellen, die auf der Seite liegt (Abbildung 3.2a). Lässt man die Sanduhr ruhig liegen, bleiben die Körner bis ans Ende der Zeiten da, wo sie sind: Sie besitzen nicht so viel Energie, dass sie den Hals der Sanduhr erreichen und sich in die rechte Kammer bewegen könnten, die den Endprodukten der Reaktion entspricht. Wenn Moleküle in einem chemischen Prozess reagieren sollen, kann man ihnen durch Erwärmen mehr Energie zuführen; dann beschleunigen sich ihre Bewegungen und Schwingungen, und einige von ihnen enthalten nun so viel Energie, dass sie in die Produkte umgewandelt werden. Dies kann man sich so vorstellen, als würde man der Sanduhr einfach einen kräftigen Stoß versetzen, so dass einige Sandkörner in die rechte Kammer springen und sich von Ausgangsstoffen in Produkte verwandeln (Abbildung 3.2b).

Abb. 3.2: Veränderung der Energielandschaft. (a) Moleküle können von Ausgangssubstanzen oder Reaktanten (R) zu Produkten (P) werden, aber dazu müssen sie so viel Energie besitzen, dass sie den Aufstieg zum Übergangszustand (den Hals der Sanduhr) bewältigen. (b) Durch Drehen der Sanduhr versetzt man die Ausgangssubstanz (das Substrat) in einen energiereicheren Zustand als das Produkt, so dass sie leicht bergab fließen kann. (c) Enzyme stabilisieren den Übergangszustand und verringern damit seine Energie (der Hals der Sanduhr wird weiter). Auch hier gehen die Substrate leichter in den Zustand der Produkte über.

Man kann die Ausgangsstoffe aber noch auf andere Weise in Produkte verwandeln: Dazu muss man die Energiebarriere, die sie überspringen müssen, senken. Genau das tun Katalysatoren. Ihre Wirkung entspricht einer Erweiterung des Sanduhrhalses, so dass der Sand aus der linken Kammer leichter und mit einem geringfügigen Anschub durch Wärme in die rechte übergehen kann (Abbildung 3.2c). Die Reaktion wird also stark beschleunigt, weil der Katalysator die Form der Energielandschaft so verändert, dass die Substrate[4] viel schneller zu Produkten werden als ohne Katalysator.

Wie das auf molekularer Ebene funktioniert, können wir uns klarmachen, indem wir zuerst die sehr langsame Reaktion betrachten, durch die ein Kollagenmolekül ohne das Enzym Kollagenase[5] abgebaut wird (Abbildung 3.3). Wie bereits erläutert wurde, ist Kollagen eine Kette aus Aminosäuren, die untereinander durch Peptidbindungen (die dicken Linien in der Abbildung) zwischen einem Kohlenstoff- und einem Stickstoffatom verknüpft sind. Die Peptidbindung ist nur eine von mehreren Typen chemischer Bindungen, durch die Atome in den Molekülen zusammengehalten werden. Sie besteht im Wesentlichen aus einem Elektronenpaar, das dem Stickstoff- und dem Kohlenstoffatom gemeinsam ist. Solche gemeinsamen, negativ geladenen Elektronen ziehen die positiv geladenen Kerne der Atome beiderseits der Bindung an und wirken damit wie eine Art elektronischer Klebstoff, der die Atome in der Peptidbindung zusammenhält.[6]

Abb. 3.3: Proteine wie Kollagen (a) sind Ketten aus Aminosäuren, die aus Atomen von Kohlenstoff (C), Stickstoff (N), Sauerstoff (O) und Wasserstoff (H) bestehen und durch Peptidbindungen verknüpft sind. Eine solche Bindung wird in der Abbildung durch eine dicke Linie symbolisiert. Die Peptidbindung kann durch ein Wassermolekül (H_2O) hydrolysiert werden: Es löst die Peptidbindung auf (c), muss aber dazu einen instabilen Übergangszustand durchlaufen; dieser besteht aus mindestens zwei Strukturen, die ineinander übergehen können (b).

Peptidbindungen sind sehr stabil, weil ihre Auflösung, bei der die gemeinsamen Elektronen zur Trennung gezwungen werden, eine hohe »Aktivierungsenergie« erfordert: Die Bindung muss einen sehr hohen Energieberg erklimmen, bevor sie den Hals der Reaktions-Sanduhr erreicht. In der Praxis bricht eine solche Bindung in der Regel nicht von alleine, sondern sie braucht dazu Hilfe von einem der umgebenden Wassermoleküle – ein Prozess, den man Hydrolyse nennt. Damit sie ablaufen kann, muss das Wassermolekül zunächst so in die Nähe der Peptidbindung wandern, dass es eines seiner Elektronen an das Kohlenstoffatom in der Bindung abgeben kann; dabei bildet sich eine neue schwache Bindung, die das Wassermolekül an seinem Platz festhält – was in Abbildung 3.3 mit den gestrichelten Linien dargestellt ist. Diese Zwischenform bezeichnet man als Übergangszustand (deshalb Theorie des Übergangszustandes); sie ist der instabile Gipfel des Energieberges, der überwunden werden muss, wenn die Bindung aufgelöst werden soll – sie entspricht also dem Hals der Sanduhr. Wie man aus der Abbildung erkennt, hat das vom Wasser gespendete Elektron bereits den ganzen Weg zu dem Sauerstoffatom zurückgelegt, das der Peptidbindung benachbart ist; dieses hat also ein Elektron hinzugewonnen und ist nun negativ geladen. Das Wassermolekül, von dem das Elektron stammt, hat gleichzeitig im Übergangszustand eine positive Gesamtladung angenommen.

In Wirklichkeit ist der Vorgang noch etwas schwieriger zu begreifen. Man muss sich vorstellen, dass das Wassermolekül (H_2O) nicht deshalb positiv geladen ist, weil es ein Elektron verloren hat, sondern weil es jetzt einen nackten Wasserstoff-Atomkern enthält, ein Proton, das in der Abbildung durch das Pluszeichen dargestellt wird. Dieses positiv geladene Proton wird in dem Wassermolekül nicht mehr an seinem Ort festgehalten, sondern es ist in dem quantenmechanischen Sinn, den wir im vorherigen Kapitel erörtert haben, delokalisiert. Die meiste Zeit ist es zwar immer noch mit seinem Wassermolekül (der Struktur links in Abbildung 3.3b) assoziiert, manchmal findet man es aber auch in größerer Entfernung und näher beim Stickstoffatom (der rechten Struktur in der Mitte von Abbildung 3.3b), also auf der anderen Seite der Peptidbindung. In dieser Position kann das streunende Proton eines der Elektronen aus der Peptidbindung herausziehen und damit die Bindung aufbrechen.

In der Regel geschieht das aber nicht. Der Grund: Übergangszustände wie der, der in Abbildung 3.3b dargestellt ist, sind sehr kurzlebig; sie sind so instabil, dass schon der geringste »Stoß« sie verschieben kann. Das negativ geladene Elektron zum Beispiel, das vom Wassermolekül zur Verfügung gestellt wurde, kann leicht zurückgeholt werden, so dass sich wieder die ursprünglichen Edukte bilden (in der Abbildung dargestellt durch den dicken Pfeil). Dieses Szenario ist weitaus wahrscheinlicher als die vorwärtsgerichtete Reaktion, bei der die Bindung aufgelöst wird. Deshalb brechen Peptidbindungen in der Regel nicht. In neutraler Lösung, die weder Säure noch Alkali enthält, liegt die Zeit, bis die Hälfte aller Peptidbindungen in einem Protein aufgelöst ist – die sogenannte Halbwertszeit der Reaktion – bei mehr als 500 Jahren.

Das ist der Ablauf ohne Enzyme: Jetzt müssen wir noch beschreiben, wie das Enzym dazu beiträgt, die Hydrolyse zu beschleunigen. Nach der Theorie des Übergangszustandes beschleunigen Katalysatoren einen chemischen Prozess wie die Auflösung der Peptidbindung, indem sie den Übergangszustand stabilisieren und damit die Wahrscheinlichkeit, dass die Endprodukte entstehen, steigern. Dies kann auf verschiedenen Wegen geschehen. Ein positiv geladenes Metallatom in der Nähe der Bindung kann beispielsweise das negativ geladene Sauerstoffatom im Übergangszustand neutralisieren und damit stabilisieren, so dass es nicht mehr eilig bemüht ist, das vom Wassermolekül gespendete Elektron zurückzugeben. Indem Katalysatoren den Übergangszustand stabilisieren, helfen sie mit, »den Hals der Sanduhr zu erweitern«.

Als Nächstes müssen wir uns mit der Frage beschäftigen, ob die Theorie des Übergangszustandes, wie wir sie durch den Vergleich mit der Sanduhr verdeutlicht haben, auch eine Erklärung dafür bietet, wie Enzyme alle anderen für das Leben notwendigen Reaktionen beschleunigen.

Zittern und Zappeln

Die Kollagenase, mit der Mary Schweitzer die Kollagenfasern des alten Tyrannosaurus abbaute, ist das gleiche Enzym, das Jerome Gross auch bei Fröschen entdeckte. Wie bereits erwähnt, ist dieses Protein notwendig, um die extrazelluläre Matrix in der Kaulquappe zu zerlegen, so dass deren Gewebe, Zellen und Biomoleküle neu zusammengesetzt werden können und dann einen ausgewachsenen Frosch bilden. Bei dem Dinosaurier erfüllte es die gleiche Funktion, und auch in unserem Organismus ist seine Aufgabe die gleiche: Es baut Kollagenfasern ab, um während der Entwicklung und nach einer Verletzung das Wachstum und die Neubildung von Gewebe zu ermöglichen. Um diesen enzymatischen Vorgang aus nächster Nähe zu erleben, übernehmen wir ein Gedankenspiel, das Richard Feynman 1959 in einer Vorlesung am California Institute of Technology formulierte. Dieser Vortrag unter der Überschrift »There’s Plenty of Room at the Bottom« (Ganz unten ist viel Platz) gilt allgemein als intellektuelles Fundament für die Nanotechnologie, das heißt für Ingenieurtechnik im Größenmaßstab von Atomen und Molekülen. Angeblich lieferten Feynmans Gedanken auch die Anregung für den 1966 erschienenen Film Fantastic Voyage (Die phantastische Reise), in dem ein U-Boot und seine Mannschaft so stark verkleinert werden, dass man sie in den Körper eines Wissenschaftlers injizieren kann, damit sie in seinem Gehirn ein potentiell tödliches Blutgerinnsel finden und beseitigen. Um uns klarzumachen, wie das funktioniert, wollen wir ebenfalls eine Fantasiereise in einem Nano-U-Boot unternehmen. Unser Ziel ist der Schwanz einer Kaulquappe.

Aber zuerst müssen wir eine Kaulquappe haben. In einem Teich in der Nähe finden wir Froschlaich. Vorsichtig entnehmen wir eine Handvoll von den geleeähnlichen, schwarz gepunkteten Kügelchen und bringen sie in ein Glasgefäß mit Wasser. Wenig später können wir beobachten, wie es in dem Laich zu zappeln beginnt, und nach einigen Tagen schlüpfen winzige Kaulquappen aus ihren Eiern. Nachdem wir ihre wichtigsten äußeren Merkmale mit einer Lupe betrachtet und kurz notiert haben – ein relativ großer Kopf mit einer Schnauze über einem kleinen Mund, seitlich liegende Augen und federähnliche Kiemen vor einer langen, kräftigen Schwanzflosse –, füttern wir die Kaulquappen mit Algen und sehen täglich nach ihnen. Einige Wochen lang fällt uns an der Form der Tiere kaum eine Veränderung auf, aber wir sind beeindruckt von ihrem schnellen Längen- und Dickenwachstum. Nach ungefähr acht Wochen bemerken wir, dass sich die Kiemen des Tieres in den Körper zurückgezogen haben, so dass nun Vordergliedmaßen sichtbar werden. Noch einmal zwei Wochen, dann wachsen Hinterbeine aus dem Ansatz des kräftigen Schwanzes. In diesem Stadium müssen wir unsere Beobachtungen in kürzeren Abständen fortsetzen, denn das Tier ist in die Metamorphose eingetreten, und der Wandel beschleunigt sich. Kiemen und Kiementaschen der Kaulquappe verschwinden vollständig, und die Augen wandern am Kopf weiter nach oben. Parallel zu diesen dramatischen Veränderungen am Vorderende der Kaulquappe beginnt der Schwanz zu schrumpfen. Das ist der Zeitpunkt, auf den wir gewartet haben: Also gehen wir nun an Bord unseres Nano-U-Boots und lassen es in dem Glasgefäß zu Wasser, um eine der erstaunlichsten Umwandlungen der Natur genauer zu untersuchen.

Während unser U-Boot schrumpft, sehen wir immer neue Details der Metamorphose, darunter dramatische Veränderungen in der Haut der Kaulquappe: Sie ist dicker und zäher geworden, und in sie eingebettet sind Schleimdrüsen, die sie feucht und elastisch halten werden, wenn der Frosch den Teich verlässt und an Land geht. In eine dieser Drüsen tauchen wir ein, denn sie führt durch die Haut des Tieres hindurch. Nachdem wir mehrere Schranken aus Zellen passiert haben, gelangen wir in den Kreislauf. Während wir durch die Venen und Arterien des Tieres kreuzen, können wir von innen heraus zusehen, wie viele Veränderungen sich in seinem Körper abspielen. Aus sackförmigen Vorstufen bildet sich die Lunge, die sich anschließend erweitert und mit Luft füllt. Der lange, spiralförmige Darm der Kaulquappe, der sich gut für die Verdauung von Algen eignete, streckt sich in die Länge und wird zum typischen Darm eines Raubtieres. Das durchsichtige Knorpelskelett einschließlich des Notochords (ein primitives Rückgrat, das sich über die gesamte Körperlänge erstreckt) wird dichter und undurchsichtiger, weil der Knorpel durch Knochen ersetzt wird. Wir verfolgen unseren Auftrag weiter und folgen der entstehenden Wirbelsäule bis hinunter in den Schwanz der Kaulquappe, der gerade resorbiert und in den wachsenden Körper des Frosches aufgenommen wird. In diesem Größenmaßstab erkennen wir auf seiner ganzen Länge dicke, gestreifte Muskelfasern.

Eine weitere Schrumpfung, und wir sehen, dass jede Muskelfaser aus langen Reihen zylinderförmiger Zellen besteht, deren rhythmische Kontraktionen der Kaulquappe die Fortbewegung ermöglichen. Umgeben sind die Muskelzylinder von einem dichten Netz aus langen Seilen: Das ist die extrazelluläre Matrix, der Gegenstand unserer Untersuchung. Die Matrix selbst scheint sich im Umbruch zu befinden: Einzelne Seile werden gelöst und geben Muskelzellen frei, die sich zu einer wachsenden Zellmasse vereinigen und aus dem verschwindenden Kaulquappenschwanz in den Körper des Frosches wandern.

Wir schrumpfen noch einmal und nehmen eines der gelockerten Seile aus der zerfallenden extrazellulären Matrix ins Visier. Bei näherem Hinsehen erkennen wir, dass es wie ein richtiges Seil aus Tausenden einzelner Proteinfäden gewoben ist, und jeder davon ist wiederum ein Bündel von Kollagenfasern. Eine solche Faser besteht aus drei Kollagen-Proteinketten – die Ketten aus Aminosäureperlen, die uns zuvor im Zusammenhang mit dem Dinosaurierknochen schon begegnet sind; sie sind so umeinander gewunden, dass sie einen reißfesten, spiralförmigen Faden bilden, der ein wenig wie DNA aussieht, aber nicht zwei, sondern drei Stränge enthält. Und hier machen wir endlich das Ziel unserer Expedition aus: ein Molekül des Enzyms Kollagenase. Es sieht aus wie eine Muschel, die sich an eine der Kollagenfasern klammert, und es gleitet an der Faser entlang, wobei es die Dreierspirale aufdrillt und dann einfach die Peptidbindungen zwischen den Aminosäureperlen zerschneidet. Die Kette, die ansonsten über Jahrmillionen intakt bleiben würde, ist in null Komma nichts aufgebrochen. Jetzt gehen wir noch näher heran und sehen uns genau an, wie der Schneidevorgang funktioniert.

Mit der nächsten Schrumpfung begeben wir uns in den Größenmaßstab der Moleküle, das heißt in den Bereich von wenigen Nanometern (Millionstel Millimetern). Zu begreifen, wie winzig dieser Maßstab tatsächlich ist, fällt schwer; eine bessere Vorstellung können wir uns verschaffen, wenn wir den Buchstaben »o« auf dieser Seite betrachten: Würden wir von unserer normalen Größe bis in den Nanometermaßstab schrumpfen, würde uns das »o« ungefähr so groß vorkommen wie die gesamten Vereinigten Staaten von Amerika. In diesem Maßstab erkennen wir, dass das Innere der Zelle dicht mit Wassermolekülen, Metallionen[7] und unglaublich vielen verschiedenen biologischen Molekülen vollgestopft ist, darunter auch eine große Zahl dieser verdrehten Aminosäuren. Die brodelnde Molekülsuppe ist ständig in Bewegung: Die Moleküle rotieren, vibrieren und prallen voneinander ab wie die Billardkugeln, die wir im letzten Kapitel kennengelernt haben.

Und hier, zwischen den ganzen turbulenten Zufallsaktivitäten der Moleküle, gleiten die muschelförmigen Enzyme an den Kollagenfasern entlang und bewegen sich dabei ganz anders. In diesem Maßstab können wir uns auf ein einzelnes Enzymmolekül konzentrieren, das sich an der Proteinkette des Kollagens entlangfrisst. Auf den ersten Blick scheint das Enzym eine recht schwerfällige, unförmige Gestalt zu haben und vermittelt den falschen Eindruck, es sei ein unsortierter Haufen verschiedener Teile. In Wirklichkeit hat die Kollagenase aber wie alle Enzyme eine präzise festgelegte Struktur – jedes Atom nimmt eine ganz bestimmte Position im Molekül ein. Und im Gegensatz zu dem zufälligen Gerangel der umgebenden Moleküle führt das Enzym einen eleganten, akkuraten molekularen Tanz auf: Es legt sich um die Kollagenfaser, windet ihre Spirale auseinander und schneidet exakt die Peptidbindungen, von denen die Aminosäuren in der Kette zusammengehalten werden; anschließend lässt sie los und wandert weiter, um die nächste Peptidbindung in der Kette zu zerschneiden. Es handelt sich hier nicht um die Miniaturversion einer Maschine, die von Menschen hergestellt wurde und deren Tätigkeit auf molekularer Ebene durch die chaotische Billardkugelbewegung von Billionen zufällig bewegten Teilchen zustande kommt. Diese Nanomaschinen der Natur führen vielmehr auf molekularer Ebene einen sorgfältig choreographierten Tanz auf, dessen Wirkungen in Jahrmillionen von der natürlichen Selektion so gestaltet wurden, dass sie die Elementarteilchen der Materie in ihren Bewegungen beeinflussen können.

Um uns den Schneidevorgang genauer anzusehen, steigen wir in die maulförmige Spalte des Enzymmoleküls hinein, die die Substrate – die Proteinkette des Kollagens und ein einzelnes Wassermolekül – an ihrem Platz festhält. Dies ist das aktive Zentrum des Enzyms, sein funktionstragender Teil, der die Auflösung von Peptidbindungen beschleunigt, indem er den Hals der Energie-Sanduhr flacher macht. Der choreographierte Prozess, der in diesem molekularen Steuerungszentrum abläuft, unterscheidet sich völlig von dem zufälligen Gerangel, das außerhalb des Enzyms und in seiner Umgebung stattfindet, und er spielt eine außerordentlich große Rolle im Leben des ganzen Frosches.

Das aktive Zentrum des Enzyms ist in Abbildung 3.4 dargestellt. Vergleicht man dieses Diagramm mit Abbildung 3.3, so erkennt man, dass das Enzym die Peptidbindung in dem instabilen Übergangszustand festhält, der sich einstellen muss, bevor die Bindung aufgelöst werden kann. Die Substrate werden durch schwache chemische Bindungen fixiert, die in der Abbildung durch gestrichelte Linien angedeutet sind – im Wesentlichen handelt es sich dabei um Elektronen, die sich das Substrat und das Enzym teilen. Diese Verbindungen halten die Substrate genau in der richtigen Position fest, so dass die molekularen Kiefer des Enzyms sie durchbeißen können.

Abb. 3.4: Die Auflösung einer Peptidbindung (dicke Linie) des Kollagens am aktiven Zentrum der Kollagenase. Die gestrichelten Linien symbolisieren den Übergangszustand des Substrats. Die Kugel unten links von der Mitte ist das positiv geladene Zinkion, die obere Carboxylgruppe (COO) gehört zu einer Aminosäure namens Glutamat im aktiven Zentrum des Enzyms. Die Abstände der Moleküle sind nicht maßstabsgetreu eingezeichnet.

Wenn sich die Enzymkiefer schließen, »beißen« sie nicht einfach in die Bindung, sondern sie tun etwas viel Subtileres: Sie liefern die Voraussetzungen für die Katalyse. Uns fällt ein großes, positiv geladenes Atom auf, das unmittelbar unter der Peptidbindung, um die es geht, in Position gebracht wird. Es handelt sich dabei um ein positiv geladenes Zinkatom. Wenn wir das aktive Zentrum des Enzyms als Maul betrachten, ist das Zinkatom einer der beiden Schneidezähne. Das positiv geladene Atom pflückt ein Elektron aus dem Sauerstoffatom der Substrate heraus, stabilisiert den Übergangszustand und formt damit die Energielandschaft neu: Der Hals der Sanduhr ist weiter geworden.

Den Rest erledigt der zweite molekulare Schneidezahn des Enzyms: Glutamat, eine Aminosäure des Enzyms selbst; sie hat sich in ihrer Position gedreht und hängt mit dem negativ geladenen Sauerstoffatom genau über der Peptidbindung, die gespalten wird. Ihre Funktion besteht darin, zunächst ein positiv geladenes Proton aus dem aufgehängten Wassermolekül herauszuziehen; dieses Proton drückt sie dann in das Stickstoffatom auf der einen Seite der Peptidbindung, so dass dieses nun eine positive Ladung trägt und Elektronen aus der Peptidbindung herauszieht. Wie bereits erwähnt, bilden Elektronen den Klebstoff der chemischen Bindungen; das Elektron daraus abzuziehen, ist also so, als würde man den Leim aus einer Klebeverbindung entfernen, so dass diese schwächer wird und bricht.[5] Nun müssen nur noch einige weitere Elektronen neu geordnet werden, und die Produkte der Reaktion, die gespaltenen Peptidketten, werden aus dem molekularen Maul des Enzyms entlassen. Eine Reaktion, die ansonsten möglicherweise bis zu 68 Millionen Jahre dauern würde, ist nach wenigen Nanosekunden abgeschlossen.

Aber an welcher Stelle kommt hier die Quantenmechanik ins Spiel? Um zu verstehen, warum wir die enzymatische Katalyse nur mit Hilfe der Quantenmechanik erklären können, halten wir einen Augenblick inne und denken noch einmal daran, welche Erkenntnisse uns die Pioniere der Quantenmechanik geliefert haben. Wie schon gesagt, spielen die wenigen Teilchen am aktiven Zentrum, deren choreographierte Bewegungen in so krassem Gegensatz zu dem zufälligen Molekülgerangel im übrigen molekularen Umfeld stehen, eine besondere Rolle. Hochstrukturierte Biomoleküle treten dort auf ganz bestimmte Weise mit anderen hochstrukturierten Biomolekülen in Wechselbeziehung. In diesem Vorgang kann man entweder Jordans »diktatorische Verstärkung« oder Erwin Schrödingers »Ordnung aus Ordnung« sehen: Er setzt sich in dem entstehenden Frosch durch alle organisierten Gewebe und Zellen bis hinab zu den Fasern fort, die diese Gewebe und Zellen zusammenhalten, und dann weiter zur choreographierten Bewegung der Elementarteilchen im aktiven Zentrum der Kollagenase, die diese Fasern umbaut und damit Auswirkungen auf die Entwicklung des ganzen Frosches hat. Ganz gleich, ob wir uns für Jordans oder Schrödingers Modell entscheiden: Was hier abläuft, unterscheidet sich eindeutig von der chaotischen Molekularbewegung, die eine Lokomotive bergauf schiebt.

Aber bringt eine solche molekulare Ordnung wirklich andere Regeln für das Lebendige ins Spiel, wie Schrödinger behauptete? Um die Antwort auf diese Frage zu finden, müssen wir ein wenig mehr über die anderen Regeln wissen, die im Maßstab des sehr Kleinen gelten.

Lässt sich alles mit der Theorie des
Übergangszustandes erklären?

Muss an einer solchen choreographierten Molekularbewegung zwangsläufig die Quantenmechanik beteiligt sein? Wie wir wissen, beruht die Fähigkeit der Kollagenase, die Auflösung von Peptidbindungen zu beschleunigen, auf mehreren Katalysatormechanismen, mit denen Chemiker ganz generell chemische Reaktionen schneller ablaufen lassen, ohne dass sie dabei auf die Quantenmechanik zurückgreifen müssten. So spielte beispielsweise das Zinkatom im aktiven Zentrum des Enzyms offenbar eine ganz ähnliche Rolle wie das heiße Platin, mit dem Peregrine Philipps im 19. Jahrhundert die Herstellung von Schwefelsäure beschleunigte. Die Wirkung solcher anorganischer Katalysatoren beruht nicht auf choreographierten Abläufen, sondern auf der Zufallsbewegung der Moleküle: Die katalytischen Gruppen kommen in die Nähe der Substrate und beschleunigen damit deren chemische Reaktionen. Ist die enzymatische Katalyse nur eine Ansammlung mehrerer einfacher klassischer Katalysatormechanismen, die in ein aktives Zentrum verpackt sind und damit den entscheidenden Lebensfunken liefern?

Bis vor sehr kurzer Zeit hätten nahezu alle Enzymforscher diese Frage mit Ja beantwortet; die klassische Theorie des Übergangszustandes mit ihrer Beschreibung der verschiedenen Vorgänge, die für eine längere Dauer des Übergangszustandes sorgen, galt als beste Erklärung für die Funktionsweise von Enzymen. Aber nachdem man alle beteiligten Faktoren, die man kannte, berücksichtigt hatte, kamen Zweifel auf. So sind beispielsweise die verschiedenen in diesem Kapitel beschriebenen Mechanismen, von denen die Spaltung einer Peptidbindung beschleunigt werden kann, einzeln jeweils gut aufgeklärt, und einzeln führen sie zu einer Beschleunigung der Reaktionsgeschwindigkeit um ungefähr das Hundertfache. Multipliziert man aber alle diese Faktoren, so gelangt man höchstens zu einer millionenfachen Beschleunigung der Reaktionsgeschwindigkeit. Das ist eine lächerlich kleine Zahl im Vergleich zu der Beschleunigungswirkung, die Enzyme bekanntermaßen wirklich haben: Zwischen Theorie und Realität besteht offenbar eine peinlich große Kluft.

Ein weiteres Rätsel ist die Frage, wie die Enzymaktivität durch verschiedenartige Strukturveränderungen im Enzym selbst beeinflusst wird. Die Kollagenase besteht beispielsweise wie alle Enzyme im Wesentlichen aus einem Proteingerüst in Form einer Aminosäurekette, die das Maul und die Zähne im aktiven Zentrum bildet. Man würde damit rechnen, dass sich eine Veränderung der Aminosäuren für Maul und Zähne stark auf die Wirksamkeit des Enzyms auswirkt, und das ist auch tatsächlich der Fall. Erstaunlicher ist die Entdeckung, dass auch ein Austausch von Aminosäuren, die sich im Enzymmolekül weit vom aktiven Zentrum entfernt befinden, dramatische Auswirkungen auf seine Leistungsfähigkeit haben kann. Warum diese eigentlich harmlosen Abwandlungen der Enzymstruktur solche dramatischen Wirkungen nach sich ziehen, ist nach der herkömmlichen Theorie des Übergangszustandes ein gewisses Rätsel, wie sich aber herausstellt, erscheinen sie plausibel, wenn man die Quantenmechanik in das Bild einbezieht. Wir werden auf diese Entdeckung im letzten Kapitel des Buches zurückkommen.

Ein anderes Problem liegt darin, dass man mit Hilfe der Theorie des Übergangszustandes bisher keine künstlichen Enzyme schaffen konnte, die so gut funktionieren wie ihre natürlichen Entsprechungen. Erinnern wir uns an Richard Feynmans berühmten Satz: »Was ich nicht erzeugen kann, verstehe ich nicht.« Das gilt auch für Enzyme: Obwohl wir so viel über ihre Wirkungsmechanismen wissen, ist es bisher niemandem gelungen, von Grund auf ein Enzym zu konstruieren, das die Reaktionsgeschwindigkeit auch nur annähernd so stark beschleunigt wie natürliche Enzyme.[6] Nach Feynmans Kriterium verstehen wir also bis heute nicht, wie Enzyme funktionieren.

Aber betrachten wir noch einmal Abbildung 3.4 und fragen wir uns: Was tut das Enzym eigentlich? Die Antwort liegt mehr oder weniger auf der Hand: Enzyme manipulieren einzelne Atome, Protonen und Elektronen zwischen und innerhalb von Molekülen. Bisher haben wir solche Teilchen in diesem Kapitel so betrachtet, als würden sie sich mehr oder weniger wie winzige Klumpen elektrischer Ladung verhalten, die wie in einem Kugel-Stab-Molekülmodell von einem Platz zum anderen geschoben und gezogen werden. Im vorangegangenen Kapitel haben wir allerdings gehört, dass sich Elektronen, Protonen und sogar ganze Atome stark von solchen klassischen Kugeln unterscheiden: Sie unterliegen den Regeln der Quantenmechanik einschließlich jener seltsamen Gesetzmäßigkeiten, die auf der Kohärenz beruhen, normalerweise aber auf der makroskopischen Ebene der Billardkugeln durch den Prozess der Dekohärenz herausgefiltert werden. Billardkugeln sind also für Elementarteilchen kein gutes Modell; um zu verstehen, was am aktiven Zentrum von Enzymen wirklich abläuft, müssen wir demnach unsere klassischen Vorstellungen hinter uns lassen und in die seltsame Welt der Quantenmechanik eintreten: Hier können Objekte zwei oder hundert Dinge gleichzeitig tun, gespenstische Verbindungen eingehen und scheinbar undurchdringliche Barrieren überwinden. Zu solchen Leistungen war keine Billardkugel jemals in der Lage.

Elektronen verschieben

Wie wir gesehen haben, gehört es zu den wichtigsten Aktivitäten der Enzyme, Elektronen innerhalb der Substratmoleküle zu verschieben, beispielsweise wenn die Kollagenase Elektronen im Peptidmolekül hin und her schiebt. Elektronen können aber nicht nur innerhalb der Moleküle herumgeschoben werden, sondern sie lassen sich auch von einem Molekül zum anderen übertragen.

In der Chemie findet ein solcher Elektronentransfer sehr häufig im Rahmen eines Prozesses statt, den man Oxidation nennt. Er läuft ab, wenn wir kohlenstoffhaltige Brennstoffe wie Kohle an der Luft verbrennen lassen. »Oxidation« bedeutet, dass Elektronen von einem Spender- oder Donormolekül auf einen Empfänger (den Akzeptor) übergehen. Wenn ein Stück Kohle verbrennt, wandern energiereiche Elektronen aus den Kohlenstoffatomen ab und bilden energieärmere Bindungen mit Sauerstoffatomen; dabei entsteht Kohlendioxid, und die überschüssige Energie wird als Wärme des Kohlenfeuers frei. Diese Wärmeenergie nutzen wir, um unsere Häuser zu heizen, unser Essen zu kochen und Wasser in Dampf umzuwandeln, der dann eine Maschine antreibt oder auf dem Weg über eine Turbine Elektrizität erzeugt. Das Verbrennen von Kohle und der Verbrennungsmotor sind aber recht grobe, wenig effiziente Mittel, um die Energie aus Elektronen zu nutzen. Die Natur hat schon vor sehr langer Zeit einen sehr viel effizienteren Weg gefunden, um die gleiche Energie nutzbar zu machen: die Zellatmung.

Unter Atmung stellen wir uns meist einen Vorgang vor, bei dem Sauerstoff in die Lunge gesaugt und Kohlendioxid als Abfallprodukt abgegeben wird. In Wirklichkeit beschreiben wir damit aber nur den ersten (Sauerstoffaufnahme) und letzten (Kohlendioxidabgabe) Schritt eines viel komplizierteren, geordneten molekularen Prozesses, der in allen unseren Zellen abläuft. In den Zellen sind dazu komplizierte Organellen[8] erforderlich, die Mitochondrien. Diese sehen ein wenig wie kleine Bakterienzellen aus, die in unseren größeren Tierzellen festgehalten werden: Sie haben ihrerseits wieder innere Membranen und andere Strukturen, ja sogar eine eigene DNA. Tatsächlich haben sich Mitochondrien in der Evolution mit ziemlicher Sicherheit aus symbiotischen Bakterien entwickelt, die sich vor Hunderten von Millionen Jahren in den Vorfahren der Tier- und Pflanzenzellen niedergelassen und die Fähigkeit zu einem selbständigen Leben verloren haben. Ihre Abstammung von unabhängig lebenden Bakterien ist aber vermutlich die Erklärung dafür, warum sie einen so komplizierten Prozess wie die Zellatmung ausführen können. Was die chemische Komplexität angeht, steht die Zellatmung wahrscheinlich gleich an zweiter Stelle hinter der Photosynthese, die wir im nächsten Kapitel kennenlernen werden.

Um uns klarzumachen, welche Rolle die Quantenmechanik an dieser Stelle spielt, müssen wir die Funktionsweise der Zellatmung vereinfacht wiedergeben. Aber selbst in der vereinfachten Form umfasst sie eine bemerkenswerte Abfolge verschiedener Prozesse, an denen das Wunder dieser biologischen Nanomaschinen auf großartige Weise deutlich wird. Es beginnt mit der Verbrennung eines Brennstoffs auf Kohlenstoffbasis, in diesem Fall der Nährstoffe, die wir aus unserer Nahrung beziehen. Kohlenhydrate werden beispielsweise im Darm zu Zuckern wie Glucose abgebaut, die dann ins Blut übergehen und an die energiehungrigen Zellen geliefert werden. Den Sauerstoff, der zur Verbrennung des Zuckers nötig ist, liefert das Blut von der Lunge an die gleichen Zellen. Genau wie bei der Kohleverbrennung werden die Elektronen aus den äußeren Umlaufbahnen der Kohlenstoffatome des Zuckers auf andere Moleküle übertragen, und zwar bei der Zellatmung auf eine Verbindung namens NADH. Dort dienen sie aber nicht sofort zur Bindung von Sauerstoffatomen, sondern die Elektronen werden innerhalb der Zelle über eine Atmungskette von einem Enzym zum anderen weitergegeben, ganz ähnlich wie der Stab, den ein Läufer in einem Staffellauf an den nächsten weiterreicht. Bei jeder derartigen Übertragung fällt das Elektron in einen energieärmeren Zustand, und der Unterschied im Energiegehalt dient zum Antrieb von Enzymen, die Protonen aus den Mitochondrien herauspumpen. Der so entstehende Protonengradient zwischen dem Inneren und der Umgebung der Mitochondrien treibt seinerseits die Drehung eines weiteren Enzyms an, der ATPase, die Biomoleküle namens ATP herstellt. ATP ist in allen lebenden Zellen von großer Bedeutung: Es dient als eine Art Energiebatterie, die leicht durch die Zelle transportiert werden kann und zahlreiche Energie verbrauchende Vorgänge antreibt, beispielsweise die Bewegung oder den Aufbau des Organismus.

Die von Elektronen angetriebenen Protonenpumpen-Enzyme ähneln in ihrer Funktionsweise ein wenig den Pumpspeicherwerken, in denen überschüssige Energie gespeichert wird, indem man Wasser einen Berg hinaufpumpt. Die gespeicherte Energie kann anschließend wiedergewonnen werden: Dazu lässt man das Wasser bergab fließen, und es treibt dann eine Turbine an, die elektrischen Strom erzeugt. Ganz ähnlich machen es die Atmungsenzyme: Sie pumpen Protonen aus den Mitochondrien hinaus, und wenn diese anschließend zurückströmen, treiben sie die Drehung der turbinenähnlichen ATPase an. Deren Rotation setzt eine weitere choreographierte molekulare Bewegungsfolge in Gang, die eine energiereiche chemische Phosphatgruppe innerhalb des Enzyms an ein Molekül anheftet und so das ATP erzeugt.

Man kann den Vergleich zwischen dem Energiegewinnungsprozess und einem Staffellauf noch weiter treiben: Dazu ersetzen wir das Staffelholz in unserer Phantasie durch eine Flasche mit Wasser (die die Energie der Elektronen repräsentiert), und jeder Läufer (jedes Enzym) nimmt einen Schluck Wasser, bevor er die Flasche weitergibt; am Ende wird das übriggebliebene Wasser schließlich in einen Eimer namens Sauerstoff geschüttet. Da die Energie der Elektronen bei diesem Vorgang in kleinen Portionen nutzbar gemacht wird, läuft der ganze Prozess viel effizienter ab, als wenn man den ganzen Energiebetrag mit einem Schlag auf den Sauerstoff übertragen würde, und nur ein geringer Teil der Energie geht als Abwärme verloren.

Die wichtigsten Ereignisse der Zellatmung haben also mit dem, was wir gewöhnlich unter Atmung verstehen, recht wenig zu tun; sie bestehen aus der geordneten Elektronenübertragung durch eine Staffel von Atmungsenzymen im Inneren unserer Zellen. Jede Elektronenübertragung zwischen einem Enzym und dem nächsten in der Staffel spielt sich über einen Zwischenraum hinweg ab, der mehrere Dutzend Ångström lang ist. Ein solcher Abstand entspricht der Größe mehrerer Atome und ist damit weitaus größer, als man es bei herkömmlichen Elektronensprüngen für möglich gehalten hatte. Die große Frage im Zusammenhang mit der Atmung lautet: Wie können Enzyme die Elektronen so schnell und effizient über so große Lücken zwischen den Molekülen hinweg übertragen?

Der Erste, der sich um eine Beantwortung bemühte, war Anfang der 1940er Jahre der österreichisch-ungarisch-amerikanische Biochemiker Albert Szent-Györgyi, der 1937 für seine Beteiligung an der Entdeckung des Vitamins C mit dem Nobelpreis für Medizin ausgezeichnet wurde. Im Jahr 1941 hielt Szent-Györgyi einen Vortrag mit dem Titel »Towards a New Biochemistry« (Auf dem Weg zu einer neuen Biochemie); darin äußerte er die Vermutung, die leichte Wanderung der Elektronen durch biologische Moleküle laufe ganz ähnlich ab wie ihre Wanderung durch Halbleitermaterialien wie die Siliziumkristalle, die in der Elektronik verwendet werden. Leider erkannte man erst einige Jahre später, dass Proteine in Wirklichkeit sehr schlechte elektrische Leiter sind; die Elektronen konnten also nicht so durch die Enzyme fließen, wie Szent-Györgyi es sich vorgestellt hatte.

In den 1950er Jahren machte man in der Chemie große Fortschritte. Insbesondere entwickelte der kanadische Chemiker Rudolph Marcus eine leistungsfähige Theorie, die ihm zu Ehren heute den Namen Marcus-Theorie trägt. Darin erklärte er, mit welcher Geschwindigkeit Elektronen zwischen verschiedenen Atomen oder Molekülen wandern oder springen können. Auch er erhielt schließlich für seine Arbeiten einen Nobelpreis, nämlich 1992 den Preis für Chemie.

Aber vor einem halben Jahrhundert war die Frage, wie insbesondere die Atmungsenzyme für einen so schnellen Elektronentransfer über relativ große molekulare Entfernungen sorgen können, ein Rätsel. Unter anderem vermutete man, die Proteine könnten nacheinander rotieren wie die Zahnräder in einem Uhrwerk, so dass weit entfernte Moleküle in enge Nachbarschaft gebracht werden und die Elektronen leicht von einem zum anderen springen können. Solche Modelle sagten unter anderem voraus, dass sich der Mechanismus bei niedrigen Temperaturen dramatisch verlangsamen müsste, weil dann weniger Wärmeenergie zum Antrieb der Uhrwerksbewegungen zur Verfügung steht. Das Jahr 1966 brachte dann einen der ersten echten Durchbrüche in der Quantenbiologie: Die amerikanischen Chemiker Don DeVault und Britton Chance von der University of Pennsylvania konnten mit ihren Experimenten nachweisen, dass die Geschwindigkeit, mit der Elektronen in Atmungsenzymen springen, entgegen allen Erwartungen bei niedrigen Temperaturen nicht absinkt.[7]

Don DeVault wurde 1915 in Michigan geboren, zog aber mit seiner Familie während der Weltwirtschaftskrise nach Westen. Er studierte in Kalifornien am California Institute of Technology und an der University of California in Berkeley, wo er 1940 seinen Doktor in Chemie machte. DeVault war ein engagierter Menschenrechtsaktivist und saß während des Zweiten Weltkrieges eine Zeitlang im Gefängnis, weil er den Kriegsdienst aus Gewissensgründen verweigert hatte. Im Jahr 1958 gab er seine Stelle als Chemieprofessor an der University of California auf und zog nach Georgia, um sich in den Südstaaten unmittelbar an dem Kampf für die Gleichberechtigung und Integration der Farbigen einzusetzen. Seine starken Überzeugungen, sein Engagement für die Sache und sein Festhalten am friedlichen Protest brachten für ihn während der Demonstrationen mit farbigen Aktivisten die Gefahr körperlicher Angriffe mit sich. Einmal erlitt er sogar einen Unterkieferbruch, als seine gemischtrassige Demonstrantengruppe von einem aufgebrachten Mob angegriffen wurde. Aber auch dadurch ließ er sich nicht abschrecken.

Im Jahr 1963 wechselte DeVault an die University of Pennsylvania, um bei Britton Chance zu arbeiten, einem Mann, der nur zwei Jahre älter war als er, aber sich bereits einen weltweiten Ruf als führender Wissenschaftler seines Fachgebietes erarbeitet hatte. Chance hatte nicht nur einen Doktor gemacht, sondern sogar zwei – den einen in physikalischer Chemie, den anderen in Biologie. Sein Fachwissen und seine wissenschaftlichen Interessen waren also sehr breit gefächert. Einen großen Teil seiner Berufslaufbahn hatte er darauf verwendet, die Struktur und Funktion von Enzymen aufzuklären – aber gleichzeitig hatte er noch die Zeit gefunden, bei den Olympischen Spielen 1952 für die Vereinigten Staaten eine Goldmedaille in den Segelwettbewerben zu gewinnen.

Besonders fasziniert war Britton Chance von einem Mechanismus, durch den Licht die Elektronenübertragung von dem Atmungsenzym Cytochrom auf Sauerstoff anregen kann. Zusammen mit Mitsuo Nishimura fand er heraus, dass diese Übertragung in dem Bakterium Chromatium vinosum selbst dann stattfindet, wenn man die Zellen auf – 190 Grad Celsius abkühlt, die eisige Temperatur flüssigen Stickstoffs.[9] Aber wie sich dieser Prozess mit der Temperatur verändert – eine Frage, deren Beantwortung wichtige Hinweise auf den beteiligten molekularen Mechanismus liefern konnte –, wusste man noch nicht. Wie Chance erkannte, musste man die Reaktion sehr schnell mit einem sehr kurzen, aber intensiven Lichtblitz in Gang setzen. An dieser Stelle kam Don DeVaults Fachkenntnis ins Spiel. Er hatte einige Jahre für ein kleines Unternehmen gearbeitet und dort an der Entwicklung eines Lasers mitgewirkt, der genau solche kurzen Lichtpulse liefern konnte.

Gemeinsam entwickelten DeVault und Chance ein Experiment, in dem ein Rubinlaser einen kurzen, nur 30 Nanosekunden (30 Milliardstelsekunden) langen hellroten Lichtblitz auf Bakterienzellen voller Atmungsenzyme warf. Als sie die Temperatur senkten, ging auch die Geschwindigkeit der Elektronenübertragung zurück, bis sie bei 100 Kelvin (– 173 Grad Celsius) ungefähr 1000-mal niedriger lag als bei Raumtemperatur. Das war zu erwarten, wenn der Elektronentransfer vorwiegend durch die vorhandene Wärmeenergie vorangetrieben wurde. Aber als DeVault und Chance die Temperatur unter 100 Kelvin senkten, geschah etwas Merkwürdiges. Die Geschwindigkeit des Elektronentransfers ging nicht auf noch niedrigere Werte zurück, sondern sie schien ein Plateau zu erreichen und blieb bis hinunter zu 35 Grad über dem absoluten Nullpunkt (– 238 Grad Celsius) gleich. Dies deutete darauf hin, dass die Elektronenübertragung nicht ausschließlich auf den zuvor beschriebenen »klassischen« Mechanismus der Elektronensprünge zurückgehen konnte. Die Antwort, so schien es, musste in der Quantenwelt liegen, genauer in dem seltsamen Tunneleffekt, den wir bereits in Kapitel 1 kennengelernt haben.

Der Quanten-Tunneleffekt

Aus Kapitel 1 wissen wir bereits, dass Teilchen dank des sogenannten Quanten-Tunneleffekts undurchdringliche Barrieren ebenso leicht überwinden können wie Schall, der durch Wände dringt. Er wurde 1926 von dem deutschen Physiker Friedrich Hund entdeckt, und wenig später konnten George Gamow, Ronald Gurney und Edward Condon mit seiner Hilfe bereits den radioaktiven Zerfall erklären; alle drei bedienten sich dazu der neuen Mathematik der Quantenmechanik. Der Tunneleffekt wurde zu einem unverzichtbaren Bestandteil der Kernphysik, später erkannte man in ihm aber auch ein Phänomen, für das es in Materialforschung und Chemie noch viel breitere Anwendung gibt. Wie wir bereits erfahren haben, ist er für das Leben auf der Erde unentbehrlich, weil er die Möglichkeit schafft, dass Paare positiv geladener Wasserstoffatomkerne im Inneren der Sonne verschmelzen; damit vollziehen sie den ersten Schritt der Umwandlung von Wasserstoff zu Helium, der in der Sonne gewaltige Energiemengen frei werden lässt. Bis vor kurzem glaubte man aber nicht, dass er an irgendwelchen Lebensprozessen direkt beteiligt ist.

Den Tunneleffekt kann man sich als Mittel vorstellen, mit dem Teilchen auf einem Weg, der nach dem gesunden Menschenverstand unmöglich zu sein scheint, von einer Seite einer Barriere auf die andere gelangen. Mit »Barriere« meinen wir einen Raumbereich, der aus physikalischen Gründen (ohne genügend Energie) unpassierbar ist – man denke nur an die Kraftfelder, die in Science-Fiction-Geschichten vorkommen. Ein solcher Bereich könnte aus einer dünnen Isolierschicht bestehen, die zwei elektrische Leiter trennt, oder es könnte sich auch um leeren Raum handeln, beispielsweise um die Lücke zwischen zwei Enzymen in der Atmungskette. Es kann auch der zuvor beschriebene Energieberg sein, der die Geschwindigkeit chemischer Reaktionen beschränkt (Abbildung 3.1). Betrachten wir als Beispiel einen Ball, der einen kleinen Hügel hinaufgekickt wird. Damit er den Gipfel erreicht und auf der anderen Seite herunterrollen kann, muss man kräftig genug zutreten. Wenn er den Abhang hinaufrollt, wird er allmählich immer langsamer, und wenn die Energie (die Stärke des Tritts) nicht ausreicht, bleibt er einfach liegen und rollt auf dem gleichen Weg wieder zurück. Nach der klassischen Newton’schen Mechanik kann ein Ball die Barriere nur auf einem Weg überwinden: Er muss so viel Energie besitzen, dass sie ihn über den Energieberg hinweghebt. Wenn es sich bei dem Ball aber beispielsweise um ein Elektron und bei dem Hügel um eine abstoßende Energiebarriere handelt, besteht auch eine geringe Wahrscheinlichkeit, dass das Elektron die Barriere als Welle durchdringt und damit einen anderen, effizienteren Weg findet. Genau das ist der Quanten-Tunneleffekt (Abbildung 3.5).

Ein wichtiges Merkmal der Quantenmechanik ist, dass ein Teilchen umso einfacher den Tunnel passieren kann, je leichter es ist. Nachdem man verstanden hatte, dass es sich bei diesem Prozess um einen allgegenwärtigen Aspekt der subatomaren Welt handelte, war es wenig überraschend, dass er ausgesprochen häufig bei Elektronen vorkommt, da diese sehr leichte Elementarteilchen sind. Schon Ende der 1920er Jahre erklärte man die Tatsache, dass durch ein starkes elektrisches Feld Elektronen aus Metalloberflächen herausgelöst werden (Feldemission), mit dem Tunneleffekt. Ebenso diente er zur Erklärung des radioaktiven Zerfalls, bei dem manche Atomkerne, beispielsweise die des Urans, hin und wieder ein Teilchen ausspucken. An dieser Stelle konnte man die Quantenmechanik zum ersten Mal erfolgreich auf Fragestellungen der Kernphysik anwenden. In der Chemie ist der Tunneleffekt heute bei Elektronen, Protonen (Wasserstoffatomkernen) und auch schwereren Atomen gut verstanden.

Abb. 3.5: Ein Quantentunnel in der Energielandschaft.

Beim Tunneleffekt gibt es ein Problem: Wie viele Quantenphänomene beruht er auf der wellenartigen Natur der Materieteilchen. Aber damit ein Körper, der aus sehr vielen Teilchen besteht, durch den Tunnel wandern kann, müssen die Wellen aller seiner Bestandteile gewissermaßen im Gleichschritt marschieren: Wellenberge und Wellentäler müssen synchron sein – in solchen Fällen spricht man davon, dass das System »kohärent« ist. »Dekohärenz« dagegen bezeichnet den Prozess, der die Quantenwellen untereinander sehr schnell aus dem Tritt bringt, so dass das kohärente Gesamtverhalten verschwindet; damit wird die Fähigkeit des Körpers, den Quanten-Tunneleffekt zu nutzen, zunichtegemacht. Damit es »tunneln« und so durch die Barriere schlüpfen kann, muss ein Teilchen wellenartig bleiben. Das ist der Grund, warum große Gegenstände, beispielsweise ein Fußball, nicht durch den Quantentunnel gelangen: Sie bestehen aus Billionen Atomen, die sich nicht koordiniert wie kohärente Wellen verhalten können.

Nach den Maßstäben der Quantenwelt ist auch eine lebende Zelle ein riesengroßes Objekt. Deshalb erscheint es auf den ersten Blick unwahrscheinlich, dass man den Tunneleffekt im Inneren warmer, feuchter, lebender Zellen findet, deren Atome und Moleküle sich in der Regel inkohärent bewegen. Im Inneren eines Enzyms aber sieht es, wie wir inzwischen wissen, anders aus: Dort feiern die Teilchen keine chaotische Party, sondern sie führen einen choreographierten Tanz auf. Sehen wir uns also einmal genauer an, welche Bedeutung diese Choreographie für das Leben haben könnte.

Der Elektronen-Tunneleffekt in der Biologie

Bis man den unerwarteten Temperaturverlauf in dem Experiment von DeVault und Chance aus dem Jahr 1966 vollständig erklären konnte, vergingen noch mehrere Jahre. Ein anderer amerikanischer Wissenschaftler, der mit seinen Arbeiten viele Fachgebiete von der Molekularbiologie über die Physik bis zur Informatik abdeckt, ist John Hopfield. Bekannt wurde er vor allem mit der Entwicklung neuronaler Netzwerke in der Computertechnik, er interessierte sich aber auch sehr für physikalische Prozesse in der Biologie. Hopfield veröffentlichte 1974 einen Artikel mit dem Titel »Electron transfer between biological molecules by thermally activated tunneling«[8] (Elektronenübertragung zwischen biologischen Molekülen durch thermisch aktivierte Tunneleffekte); darin entwickelte er ein theoretisches Modell, mit dem sich die Befunde von DeVault und Chance erklären ließen. Hopfield wies darauf hin, dass die Schwingungsenergie der Moleküle bei hohen Temperaturen ausreicht, damit die Elektronen eine Barriere ohne Tunneleffekt überspringen können. Sinkt die Temperatur, dürfte die Schwingungsenergie eigentlich nicht mehr so groß sein, dass die Enzymreaktion stattfinden kann. DeVault und Chance hatten aber festgestellt, dass die Reaktion dennoch auch bei niedrigen Temperaturen weiterläuft. Deshalb äußerte Hopfield die Vermutung, dass das Elektron bei derart niedrigen Temperaturen in einen Zustand gehoben wird, der sich auf halber Höhe an dem Hang in der Energielandschaft befindet, so dass es von dort aus einen geringeren Abstand überwinden muss als vom Fuß der Böschung aus, womit seine Chancen, die Barriere via Quantentunnel zu durchdringen, stiegen. Damit hatte er recht: Der vom Tunneleffekt vermittelte Elektronentransfer findet auch bei sehr niedrigen Temperaturen statt, genau wie DeVault und Chance es beobachtet hatten.

Heute zweifelt kaum noch ein Wissenschaftler daran, dass Elektronen durch Tunneleffekte an Atmungsketten entlangwandern. Damit ist die wichtigste Energiegewinnungsreaktion in Zellen von Tieren und Mikroorganismen, die keine Photosynthese treiben, eindeutig in der Sphäre der Quantenbiologie angesiedelt. (Mit der Photosynthese werden wir uns im nächsten Kapitel befassen.) Aber Elektronen sind selbst nach den Maßstäben der Quantenwelt sehr leicht und verhalten sich deshalb zwangsläufig sehr »wellenartig«. Deshalb sollte man sie sich besser nicht wie winzige klassische Teilchen vorstellen, die herumwandern und herumhüpfen, auch wenn sie in vielen biochemischen Standardtexten, die immer noch mit dem »Sonnensystem-Modell« des Atoms arbeiten, so dargestellt werden. Der Wirklichkeit näher kommt eine Darstellung, in der die Elektronen in einem Atom eine Art Wolke aus »Elektronizität« umgeben: die »Wolke der Wahrscheinlichkeit«, von der in Kapitel 1 die Rede war. Dann ist es vielleicht auch nicht allzu verwunderlich, dass Elektronenwellen selbst in biologischen Systemen eine Energiebarriere überwinden können wie Schallwellen, die, wie wir im ersten Kapitel beschrieben haben, durch Wände dringen.

Aber wie steht es mit größeren Teilchen, beispielsweise mit Protonen oder auch ganzen Atomen? Können sie in biologischen Systemen ebenfalls »tunneln«? Auf den ersten Blick würde man glauben, die Frage verneinen zu müssen. Schon ein einzelnes Proton ist 2000-mal so schwer wie ein Elektron, und der Quanten-Tunneleffekt ist bekanntermaßen höchst empfindlich gegenüber der Masse der betroffenen Teilchen: Kleine Teilchen kommen leicht durch den Tunnel, schwere dagegen haben wesentlich mehr Probleme, es sei denn, sie müssen nur eine sehr kurze Entfernung zurücklegen. Bemerkenswerte Experimente aus jüngster Zeit deuten aber darauf hin, dass selbst diese relativ massereichen Teilchen in Enzymreaktionen »tunneln« können.

Protonen verschieben

Wie erwähnt, begünstigt das Enzym Kollagenase (Abbildung 3.4) nicht nur den Elektronentransfer, sondern es bewegt außerdem Protonen, um so die Auflösung der Kollagenkette voranzutreiben. Wie wir ebenfalls bereits erfahren haben, gehören solche Reaktionen zu den häufigsten Kunstgriffen, wenn Enzyme die Teilchen manipulieren. Bei ungefähr einem Drittel aller Enzymreaktionen wird ein Wasserstoffatom von einer Stelle an eine andere verschoben. Wichtig ist dabei, dass »Wasserstoffatom« in diesem Zusammenhang mehrere Bedeutungen haben kann: Es kann sich um ein neutrales Atom des Wasserstoffs (H) handeln, in dem ein Elektron den Atomkern (ein Proton) umkreist, es kann aber auch ein positiv geladenes Wasserstoffion (H+) sein, das heißt ein nackter Atomkern – ein Proton ohne Elektron –, und manchmal ist damit sogar ein negativ geladenes Hydridion (H-) gemeint, das ein überzähliges Elektron enthält.

Jeder Chemiker oder Biochemiker, der etwas auf sich hält, wird uns sofort erklären, dass an der Bewegung von Wasserstoffatomen (nun ja, Protonen) innerhalb der Moleküle oder zwischen ihnen nicht zwangsläufig irgendwelche Quanteneffekte beteiligt sein müssen; oder zumindest keine, die es notwendig machen, auf die seltsameren Vorgänge der Quantenwelt wie den Tunneleffekt zurückzugreifen. Wenn chemische Reaktionen bei den Temperaturen ablaufen, bei denen Leben funktioniert, bewegen sich Protonen nach heutiger Kenntnis ohne Quanteneffekte durch thermisch bedingte Sprünge von einem Molekül zum anderen. Ein Protonen-Tunneleffekt wirkt aber an einigen chemischen Reaktionen mit, die daran zu erkennen sind, dass sie relativ unabhängig von der Temperatur ablaufen – genau wie DeVault und Chance es für den Elektronen-Tunneleffekt nachgewiesen hatten.

Leben funktioniert (nach den Maßstäben der Quantenwelt) bei hohen Temperaturen. Deshalb sind Biochemiker sehr lange davon ausgegangen, dass der enzymatische Protonentransfer ausschließlich durch (nichtquantenmechanische) Sprünge über Energiebarrieren erfolgt.[10] Das änderte sich 1989, als Judith Klinman und ihre Kollegen in Berkeley den ersten direkten Beleg für einen Protonen-Tunneleffekt in Enzymreaktionen lieferten.[9] Klinman gehört zu jenen Biochemikern, die schon seit langem von der Bedeutung des Protonen-Tunneleffekts für die molekularen Abläufe des Lebendigen überzeugt sind. Sie behauptet sogar, er sei einer der wichtigsten und am weitesten verbreiteten Mechanismen in der gesamten Biologie. Ihren Durchbruch erzielte sie mit einer Untersuchung der Alkoholdehydrogenase (ADH), einem Hefeenzym, das die Aufgabe hat, ein Proton von einem Alkoholmolekül auf ein anderes kleines Molekül namens NAD+ zu übertragen, wobei NADH entsteht (NADH ist die Abkürzung für Nicotinamid-Adenin-Dinucleotid-Hydrid, ein Molekül, das uns im nächsten Kapitel als wichtigster Elektronenüberträger der Zellen wiederbegegnen wird). Das Team konnte den Protonen-Tunneleffekt mit einer Methode nachweisen, die auf dem kinetischen Isotopeneffekt beruht. Dessen Prinzip ist in der Chemie allgemein bekannt und hat hier eine genauere Erklärung verdient, denn er liefert einen der wichtigsten Belege für die Quantenbiologie und wird in diesem Buch noch einige Male auftauchen.

Der kinetische Isotopeneffekt

Wer schon einmal mit dem Fahrrad einen steilen Berg hinaufgefahren ist, hat vielleicht auch die Erfahrung gemacht, dass er dabei von Fußgängern überholt wurde. Auf ebener Strecke kommt man mit dem Fahrrad mühelos an jedem Fußgänger und sogar an fast allen Joggern vorbei. Warum ist das Radfahren dann am Berg so viel weniger effizient?

Stellen wir uns vor, wir würden nicht mit dem Rad fahren, sondern absteigen und das Fahrrad in der Ebene oder den Berg hinaufschieben. Jetzt wird die Sache klar. Am Berg muss man nicht nur sich selbst, sondern auch das Fahrrad die Steigung hinaufbewegen. Das Gewicht des Rades, das bei der horizontalen Bewegung in der Ebene mehr oder weniger bedeutungslos war, bremst uns an der Steigung: Wir müssen es um viele Meter gegen die Erdschwerkraft bewegen. Das ist der Grund, warum Rennradhersteller nicht müde werden, darauf hinzuweisen, wie leicht ihre Räder sind. Offensichtlich hat das Gewicht eines Objekts sehr viel damit zu tun, wie leicht es zu bewegen ist; aber unser Beispiel mit dem Fahrrad macht deutlich, dass diese Wirkung davon abhängt, um welche Art von Bewegung es sich handelt.

Stellen wir uns vor, wir wollten herausfinden, ob das Gelände zwischen zwei Ortschaften – nennen wir sie einmal A und B – eben oder hügelig ist, wir können selbst den Weg zwischen den beiden Orten aber nicht befahren. Eine mögliche Strategie wird deutlich, wenn wir wissen, dass zwischen den beiden Orten ein Postdienst existiert, wobei die Briefträger entweder mit leichten oder mit schweren Rädern unterwegs sind. Um herauszufinden, ob das Gelände zwischen den Orten flach oder hügelig ist, brauchen wir nur mehrere identische Päckchen zur Post zu bringen und dafür zu sorgen, dass die eine Hälfte von Postbediensteten mit leichten Fahrrädern transportiert wird, die andere Hälfte von solchen mit schwereren Vehikeln. Wenn wir merken, dass bis zur Übergabe der Pakete an den Empfänger in allen Fällen mehr oder weniger die gleiche Zeit vergeht, können wir den Schluss ziehen, dass das Gelände zwischen den beiden Ortschaften vermutlich flach ist. Brauchen alle Pakete, die mit schweren Rädern transportiert werden, viel länger, müssen wir davon ausgehen, dass zwischen A und B hügeliges Gelände liegt. Unsere radfahrenden Postboten testen also für uns das unbekannte Gelände.

Die Atome jedes chemischen Elements gibt es, wie Fahrräder, in schweren und in leichten Ausführungen. Betrachten wir als Beispiel einmal den Wasserstoff: Er hat erstens das am einfachsten gebaute Atom und ist zweitens hier für uns von besonderem Interesse. Ein Element ist durch die Zahl der Protonen in seinem Atomkern definiert (und auch durch die zugehörige, gleiche Zahl der Elektronen, die den Kern umgeben). Wasserstoff hat also in seinem Atomkern ein Proton, bei Helium sind es zwei, bei Lithium drei, und so weiter. Atomkerne enthalten aber auch Teilchen eines anderen Typs: die Neutronen, die uns in Kapitel 1 im Zusammenhang mit der Verschmelzung der Wasserstoffatomkerne in der Sonne bereits begegnet sind. Kommen Neutronen zum Atomkern hinzu, wird das Atom schwerer, und damit ändern sich seine physikalischen Eigenschaften. Atome eines bestimmten Elements, die unterschiedlich viele Neutronen enthalten, nennt man Isotope. Das normale Isotop des Wasserstoffs ist das leichteste – es besteht nur aus dem einzelnen Proton und einem Elektron. Dies ist die häufigste Form des Wasserstoffs. Es gibt aber noch zwei seltene, schwerere Wasserstoffisotope: das Deuterium (D), dessen Atomkern zusätzlich zu dem Proton noch ein Neutron enthält, und das Tritium (T) mit zwei Neutronen.

Da die chemischen Eigenschaften der Elemente vorwiegend von der Zahl der Elektronen in ihren Atomen abhängen, verhalten sich verschiedene Isotope des gleichen Elements, die in ihren Atomkernen eine unterschiedliche Zahl von Neutronen enthalten, chemisch ähnlich, aber nicht genau gleich. Beim kinetischen Isotopeneffekt misst man, wie empfindlich eine chemische Reaktion auf einen Wechsel von leichten zu schweren Isotopen reagiert. Er ist definiert als das Verhältnis der Reaktionsgeschwindigkeiten, die man mit schweren und leichten Isotopen beobachtet. Wenn an einer Reaktion beispielsweise Wasser beteiligt ist, können die Wasserstoffatome in den H_2O-Molekülen durch ihre schwereren Vettern Deuterium oder Tritium ausgetauscht werden, so dass D_2O oder T_2O entsteht. Ähnlich wie bei unseren radfahrenden Postboten, kann das Gewicht der Atome Einfluss auf die Reaktionsgeschwindigkeit haben – je nachdem, auf welchem Weg die beteiligten Moleküle in Produkte umgewandelt werden.

Nennenswerte kinetische Isotopeneffekte können durch mehrere Mechanismen entstehen; einer davon ist der Quanten-Tunneleffekt, der wie das Radfahren äußerst empfindlich auf die Masse des Teilchens reagiert, das den Tunnel durchqueren will. Mit zunehmender Masse verhält sich das Teilchen weniger wellenartig, und deshalb ist es weniger wahrscheinlich, dass es durch eine Energiebarriere schlüpft. Eine Verdoppelung der Masse eines Atoms, zum Beispiel der Wechsel von normalem Wasserstoff zu Deuterium, lässt die Wahrscheinlichkeit des Quanten-Tunneleffekts stark zurückgehen.

Wenn man also einen starken kinetischen Isotopeneffekt findet, kann das ein Hinweis sein, dass an dem Reaktionsmechanismus – dem Weg von den Edukten zu den Produkten – ein Tunneleffekt beteiligt ist. Schlüssig wäre der Beweis aber nicht, denn der Effekt könnte auch auf klassische (nicht durch Quanteneffekte angetriebene) chemische Vorgänge zurückzuführen sein. Ist aber ein Tunneleffekt beteiligt, sollte die Reaktion auch spezifisch auf Temperaturveränderungen reagieren: Ihre Geschwindigkeit sollte bei niedrigen Temperaturen ebenso ein Plateau erreichen, wie DeVault und Chance es für den Elektronen-Tunneleffekt nachgewiesen hatten. Genau das entdeckten Klinman und ihr Team bei dem Enzym ADH; ihr Befund war ein stichhaltiger Beleg, dass Quanten-Tunneleffekte an dem Reaktionsmechanismus beteiligt sind.

Im weiteren Verlauf sammelte Klinmans Arbeitsgruppe eine Fülle begründeter Indizien, dass Protonen-Tunneleffekte bei den Temperaturen, bei denen Leben stattfindet, im Rahmen vieler Enzymreaktionen vorkommen. Mehrere andere Forschergruppen, darunter die von Nigel Scrutton an der Universität Manchester, stellten ähnliche Experimente mit anderen Enzymen an und konnten kinetische Isotopeneffekte nachweisen, die stark auf Quanten-Tunneleffekte hindeuten.[10] Die Frage, wie Enzyme die Quantenkohärenz erzielen und damit den Tunneleffekt begünstigen, ist jedoch nach wie vor höchst umstritten. Bereits seit einiger Zeit weiß man, dass Enzyme keine statischen Gebilde sind, sondern im Verlauf ihrer Reaktionen ständig schwingen. Die »Kiefer« der Kollagenase beispielsweise öffnen und schließen sich jedes Mal, wenn sie im Kollagen eine Bindung auflösen. Früher glaubte man, diese Bewegungen seien entweder ein Nebeneffekt des Reaktionsmechanismus oder dienten dazu, die Substrate festzuhalten und alle an der Reaktion beteiligten Atome in die richtige Anordnung zu bringen. Heute dagegen behaupten Quantenbiologen, es handele sich bei diesen Schwingungen um »treibende Bewegungen«, deren Hauptfunktion darin bestehe, Atome und Moleküle in so enge Nachbarschaft zu bringen, dass ihre Teilchen (Elektronen und Protonen) den Quantentunnel passieren können.[11] Auf dieses Thema, eine der spannendsten und aktuellsten Fragestellungen der Quantenbiologie, werden wir im letzten Kapitel des Buches zurückkommen.

Ist das Quant damit in der
Quantenbiologie etabliert?

Jedes einzelne Biomolekül in jeder Zelle, die lebt oder jemals gelebt hat, wurde von Enzymen auf- und abgebaut. Mehr als alles andere kann man die Enzyme daher als unentbehrliche Lebensfaktoren bezeichnen. Die Entdeckung, dass manche und möglicherweise alle Enzyme im Rahmen ihrer Funktion an einer Stelle im Raum für die Entmaterialisierung der Teilchen und an einer anderen für ihre sofortige Materialisation sorgen, bedeutet also einen neuartigen Einblick in das Rätsel des Lebendigen. Zwar bleiben im Zusammenhang mit Enzymen noch viele ungelöste Fragen, die weiter aufgeklärt werden müssen, wie beispielsweise die Bedeutung der Bewegungen von Proteinmolekülen, aber dass Quanten-Tunneleffekte für ihre Funktionsweise eine Rolle spielen, ist nicht mehr zu bezweifeln.

Dennoch sollten wir uns mit einer Kritik auseinandersetzen, die von vielen Wissenschaftlern geäußert wird. Sie erkennen zwar die Befunde von Klinman, Scrutton und anderen an, behaupten aber dennoch, die Quanteneffekte hätten in der Biologie eine ungefähr ebenso wichtige Rolle wie für das Funktionieren einer Dampflokomotive: Sie sind immer da, aber mehr oder weniger bedeutungslos, wenn man verstehen will, wie eines dieser Systeme funktioniert. Dieses Argument taucht häufig im Rahmen von Diskussionen um die Frage auf, ob Enzyme sich in der Evolution so entwickelt haben, dass sie Quantenphänomene wie den Tunneleffekt nutzen können. Die Kritiker argumentieren, Quantenphänomene müssten in biologischen Prozessen angesichts der Tatsache, dass die meisten biochemischen Reaktionen im Größenmaßstab der Atome ablaufen, zwangsläufig auftreten. Bis zu einem gewissen Grade haben sie damit recht. Der Quanten-Tunneleffekt ist nichts Magisches; ihn gibt es seit der Entstehung des Universums, und er ist sicherlich kein Trick, der vom Lebendigen irgendwie »erfunden« wurde. Dennoch sind wir der Ansicht, dass seine Beteiligung an Enzymaktivitäten angesichts der warmen, feuchten, geschäftigen Verhältnisse im Inneren lebender Zellen alles andere als unvermeidlich ist.

Denken wir noch einmal daran, dass es in lebenden Zellen außerordentlich beengt zugeht: Sie sind vollgestopft mit komplexen Molekülen, die sich in einem Zustand ständiger Bewegung befinden, ganz ähnlich wie die Moleküle aus dem letzten Kapitel, die sich wie Billardkugeln bewegen und damit eine Dampflokomotive einen Berg hinaufschieben. Wie dort erläutert wurde, zerstreuen und zerstören derartige Zufallsbewegungen die empfindliche Quantenkohärenz und lassen unsere Alltagswelt für uns »normal« aussehen. Dass die Quantenkohärenz in einem solchen Molekülgetümmel erhalten bleibt, würde man nicht erwarten; deshalb ist es eine höchst überraschende Entdeckung, dass Quantenphänomene wie der Tunneleffekt in dem Meer der molekularen Betriebsamkeit, das eine lebende Zelle ausmacht, erhalten bleiben können. Immerhin ist es gerade einmal zehn Jahre her, seit die meisten Wissenschaftler den Gedanken, Tunneleffekte und andere empfindliche Quantenphänomene könnten in der Biologie ablaufen, rundweg ablehnten. Die Tatsache, dass sie in solchen Umgebungen gefunden wurden, lässt darauf schließen, dass das Leben besondere Maßnahmen ergreift, um die Vorteile der Quantenwelt für sich zu nutzen. Aber was sind das für Maßnahmen? Wie hält das Lebendige den Feind des Quantenverhaltens, die Dekohärenz, in Schach? Das ist eines der größten Rätsel der Quantenbiologie, aber wie wir im letzten Kapitel erfahren werden, wird es nach und nach gelöst.

Bevor wir weitermachen, müssen wir uns noch einmal an die Stelle begeben, an der wir unser Nano-U-Boot zurückgelassen hatten: an das aktive Zentrum der Kollagenase im schwindenden Schwanz einer Kaulquappe. Wir verlassen schnell das aktive Zentrum, sobald sich das Maul des Enzyms wieder öffnet und die gespaltene Kollagenkette (und auch uns!) in die Freiheit entlässt. Wir überlassen es dem muschelförmigen Enzym, sofort die nächste Peptidbindung in der Kette zu zerschneiden. Auf einer kurzen Rundfahrt durch den restlichen Körper der Kaulquappe werden wir Zeuge der geordneten Tätigkeit einiger anderer Enzyme, die für das Leben ebenso unentbehrlich sind. Wenn wir den wandernden Zellen aus dem schrumpfenden Schwanz in die entstehenden Hintergliedmaßen folgen, können wir zusehen, wie neue Kollagenfasern angelegt werden, als wären es Eisenbahnschienen. Sie tragen zum Aufbau des ausgewachsenen Frosches bei und stammen häufig aus Zellen, die aus dem verschwindenden Schwanz einwandern. Zusammengesetzt werden die neuen Fasern von Enzymen, welche die von der Kollagenase freigesetzten Aminosäurebausteine einfangen und wieder zu neuen Kollagenfasern verknüpfen. Wir haben zwar nicht die Zeit, auch in diese Enzyme einzutauchen, aber an ihren aktiven Zentren laufen wiederum choreographierte Bewegungen ab, wie wir sie auch in der Kollagenase kennengelernt haben – nur vollziehen sie jetzt die umgekehrte Reaktion. An anderen Stellen werden alle lebensnotwendigen Biomoleküle – Fette, DNA, Aminosäuren, Proteine, Zucker – von verschiedenen Enzymen auf- und abgebaut. Auch im wachsenden Frosch wird jede Tätigkeit von Enzymen vermittelt. Wenn das Tier beispielsweise eine Fliege ausmacht, laufen die Nervensignale, die die Nachricht von den Augen zum Gehirn tragen, über eine Gruppe von Neurotransmitter-Enzymen, die dicht gedrängt in den Nervenzellen liegen. Wenn er die Zunge herausschnellen lässt, werden die Muskelkontraktionen, mit denen er die Fliege zu sich heranzieht, wiederum von einem anderen Enzym angetrieben. Es heißt Myosin, liegt eng gepackt in den Muskelzellen und sorgt dafür, dass sie sich zusammenziehen. Ist die Fliege im Magen des Frosches angekommen, wird eine ganze Batterie von Enzymen ausgeschüttet; diese beschleunigen die Verdauung und setzen die Nährstoffe frei, so dass sie aufgenommen werden können. Wieder andere Enzyme verwandeln die Nährstoffe in Froschgewebe, oder die Atmungsenzyme in den Mitochondrien gewinnen aus ihnen Energie.

Jede Lebenstätigkeit von Fröschen und anderen Lebewesen, jeder Prozess, der sie – und uns – am Leben erhält, wird durch Enzyme beschleunigt, die Motoren des Lebens, die ihre außerordentlich starke Katalysatorwirkung ihrer Fähigkeit verdanken, die Bewegungen der Elementarteilchen zu choreographieren. Damit tauchen sie in die Quantenwelt ein und machen sich deren seltsame Gesetzmäßigkeiten zunutze.

Der Tunneleffekt ist aber nicht der einzige Vorteil, den das Lebendige aus der Quantenmechanik zieht. Wie wir im nächsten Kapitel sehen werden, ist auch an der wichtigsten chemischen Reaktion der gesamten Biosphäre ein Trick aus der Quantenwelt beteiligt.

4. Quantenschwebungen

Die Grundsubstanz eines Baumes ist Kohlenstoff, und woher kommt der? Der kommt aus der Luft; das ist Kohlendioxid aus der Luft. Die Leute sehen sich Bäume an und denken, sie [die Grundsubstanz des Baumes] käme aus dem Boden; Pflanzen wachsen aus dem Boden. Aber wenn man fragt »Woher kommt die Substanz?«, dann stellt man fest … die Bäume kommen aus der Luft … das Kohlendioxid und die Luft fließen in den Baum, und er verändert das Ganze, schmeißt den Sauerstoff raus … Wir wissen, dass Sauerstoff und Kohlenstoff [im Kohlendioxid] sehr eng zusammenhängen … Wie schafft es der Baum, sie so leicht zu trennen? … Das liegt am Sonnenlicht, das fällt auf die Erde und schlägt den Sauerstoff vom Kohlenstoff ab … Dann bleiben Kohlenstoff und Wasser übrig, und die bilden die Substanz des Baumes!

Richard Feynman[1]

Das Massachusetts Institute of Technology, meist kurz MIT genannt, ist weltweit eine der größten wissenschaftlichen Denkfabriken. Es wurde 1861 in Cambridge im US-Bundesstaat Massachusetts gegründet und kann heute (Stand 2014) unter seinen 1.000 Professoren neun Nobelpreisträger vorweisen. Unter denen, die dort studiert haben, sind Astronauten (ein Drittel aller Raumflüge der NASA wurde mit MIT-Absolventen bemannt), Politiker (unter ihnen Kofi Annan, der frühere Generalsekretär der Vereinten Nationen und Friedensnobelpreisträger des Jahres 2001), Unternehmer wie William Reddington Hewlett, der Mitbegründer von Hewlett-Packard, und natürlich zahlreiche Wissenschaftler, wie etwa Richard Feynman, seines Zeichens Nobelpreisträger und Architekt der Quanten-Elektrodynamik. Aber einer der berühmtesten Hochschulangehörigen ist kein Mensch, sondern eine Pflanze, genauer gesagt ein Apfelbaum, der im Garten des Hochschulpräsidenten im Schatten der symbolträchtigen Kuppel des Instituts wächst: Er ist ein Ableger eines Baumes, der im Königlichen Botanischen Garten in England steht, und dieser wiederum ist ein direkter Nachfahre jenes Baumes, unter dem Sir Isaac Newton gesessen haben soll, als er seinen berühmten Apfel fallen sah.

Die einfache und doch tiefgründige Frage, über die Newton nachdachte, als er vor dreieinhalb Jahrhunderten in Lincolnshire auf dem Bauernhof seiner Mutter unter einem Baum saß, lautet: Warum fallen Äpfel zu Boden? Dass seine Antwort, die für die Physik und eigentlich die gesamte Naturwissenschaft eine Umwälzung bedeutete, in irgendeiner Form unzureichend sein soll, mag kleinlich erscheinen, aber die berühmte Szene hat einen Aspekt, der Newton entging und auch seither nie Beachtung gefunden hat: Was machte der Apfel überhaupt da oben auf dem Baum? Wenn sein beschleunigter Sturz zur Erde schon rätselhaft erschien, war noch viel unerklärlicher, wie Luft und Wasser von Lincolnshire durch ihr Zusammenwirken ein rundes Gebilde schaffen konnten, das an den Zweigen eines Baumes hing. Warum staunte Newton über die vergleichsweise triviale Beobachtung, dass die Erde eine Anziehung auf den Apfel ausübt, während er gleichzeitig das völlig unbegreifliche Rätsel, wie die Frucht sich überhaupt bilden konnte, gänzlich übersah?

Vielleicht kann man Isaac Newtons mangelnde Neugier mit einer Ansicht erklären, die im 17. Jahrhundert allgemein verbreitet war: Danach kann man die banale Mechanik aller Gegenstände, einschließlich der Lebewesen, mit physikalischen Gesetzen erklären, ihre besondere innere Dynamik jedoch (die unter anderem darüber bestimmt, wie Äpfel wachsen) wurde angeblich von einer Lebenskraft angetrieben, dem élan vital, der aus einer übernatürlichen Quelle entspringt und damit außerhalb der Reichweite aller gottlosen mathematischen Gleichungen liegt. Aber wie wir bereits erfahren haben, wurde der Vitalismus durch die späteren Fortschritte in Biologie, Genetik, Biochemie und Molekularbiologie hinweggefegt. Heute bezweifelt kein ernsthafter Wissenschaftler, dass man das Leben im Rahmen der Naturwissenschaft erklären kann; es bleibt nur noch die Frage, welche Wissenschaft sich für eine solche Erklärung am besten eignet. Trotz anderslautender Behauptungen von Wissenschaftlern wie Schrödinger glauben die meisten Biologen bis heute, dass die klassischen Gesetze ausreichen: Danach wirken Newton’sche Kräfte auf Kugel-Stab-Biomoleküle, die sich, nun ja, wie Kugeln und Stäbe verhalten. Selbst Richard Feynman, einer der geistigen Jünger von Schrödinger, beschrieb die Photosynthese (in dem am Anfang dieses Kapitels zitierten Absatz) ausschließlich in klassischen Begriffen mit dem »Sonnenlicht, das auf die Erde fällt und den Sauerstoff vom Kohlenstoff abschlägt«. Danach wirkt das Licht wie eine Art Golfschläger, der den Sauerstoff-Golfball aus dem Kohlendioxidmolekül herausbrechen kann.

Molekularbiologie und Quantenmechanik entwickelten sich parallel, aber nicht in Kooperation. Biologen besuchten kaum einmal Physikvorlesungen, und die Physiker schenkten der Biologie wenig Aufmerksamkeit. Im April 2007 jedoch freute sich eine Gruppe von Physikern und Mathematikern am MIT, die allesamt auf einem ziemlich abseitigen Gebiet namens Quanten-Informationstheorie arbeiteten, auf einen ihrer regelmäßig abgehaltenen »Journal Clubs«. Bei diesen Veranstaltungen präsentierten die Gruppenmitglieder abwechselnd jeweils einen neuen Fachartikel, den sie in der wissenschaftlichen Literatur gefunden hatten. Dieses Mal kam einer aus der Gruppe mit einer Ausgabe der New York Times: Dort wurde in einem Artikel die Vermutung geäußert, Pflanzen seien Quantencomputer (mehr über diese bemerkenswerten Maschinen in Kapitel 8). In der Gruppe brach schallendes Gelächter aus. Seth Lloyd, einer aus dem Team, erinnert sich noch daran, wie er zum ersten Mal von dem »Quanten-Hokuspokus« hörte: »Wir dachten, du liebe Güte, das ist das Bescheuertste, was ich je gehört habe!«[2] Dass sie so ungläubig reagierten, lag vor allem daran, dass sich viele der scharfsinnigsten und am besten finanzierten Forschergruppen auf der ganzen Welt jahrzehntelang mit der Frage beschäftigt hatten, wie man einen Quantencomputer bauen kann, eine Maschine, die bestimmte Berechnungen viel schneller und effizienter ausführt als die leistungsfähigsten Computer, die heute zur Verfügung stehen (weil sie nicht digitale Informationsbits verarbeiten, die entweder 0 oder 1 lauten, sondern die 0 und 1 gleichzeitig sein können und deshalb alle möglichen Berechnungen auf einmal ermöglichen – die höchste Form der Parallelverarbeitung). Der Artikel in der New York Times behauptete, ein bescheidener Grashalm könne die Quantentricks ausführen, die das Kernstück von Quantenberechnungen bilden. Kein Wunder, dass die Wissenschaftler am MIT so etwas nicht glauben mochten. Sie selbst waren nicht in der Lage, einen funktionierenden Quantencomputer zu bauen, aber wenn der Artikel recht hatte, konnten sie zum Mittagessen mit dem Salat einen zu sich nehmen!

Mittlerweile raste nicht weit von dem Raum am MIT, in dem sich die Teilnehmer des »Journal Clubs« vor Lachen bogen, ein Photon mit 300.000 Stundenkilometern auf einen Baum von berühmter Abstammung zu.

Das zentrale Rätsel der Quantenmechanik

Auf das Photon und den Baum sowie ihre Beziehung zur Quantenwelt werden wir in Kürze zurückkommen, aber vorher sehen wir uns ein wunderschön einfaches Experiment an, das die ganze Merkwürdigkeit der Quantenwelt noch einmal demonstriert. Wir werden zwar große Mühe darauf verwenden, so gut es geht zu erklären, was mit Begriffen wie »Quanten-Superposition« gemeint ist, aber nichts macht den Inhalt besser begreiflich als das berühmte Doppelspaltexperiment.

Das Doppelspaltexperiment liefert den einfachsten, überzeugendsten Beweis, dass in der Quantenwelt alles anders ist. Teilchen können sich wie Wellen verhalten, die sich über den Raum ausbreiten, und umgekehrt verhalten sich Wellen manchmal wie einzelne, lokalisierbare Teilchen. Die Welle-Teilchen-Dualität haben wir bereits kennengelernt: Im einleitenden Kapitel war davon die Rede, dass man von dieser ungewöhnlichen Voraussetzung ausgehen muss, wenn man die Energieerzeugung in der Sonne erklären will. Und in Kapitel 3 haben wir erfahren, wie Elektronen und Protonen dank ihrer Welleneigenschaften in der Lage sind, im Inneren von Enzymen durch Energiebarrieren zu schlüpfen. Jetzt geht es darum, dass die Welle-Teilchen-Dualität auch für die wichtigste biochemische Reaktion in der Biosphäre von Bedeutung ist: für die Umwandlung von Luft, Wasser und Licht in Pflanzen, Mikroorganismen und indirekt auch in alle anderen Lebewesen, den Menschen eingeschlossen. Zunächst einmal müssen wir aber erleben, wie aus dem exotischen Gedanken, dass sich Teilchen an vielen Orten zugleich aufhalten können, eine absolut zwingende Schlussfolgerung wird. Eines der einfachsten, elegantesten und gleichzeitig folgenschwersten Experimente aller Zeiten wird uns dazu bringen: das Experiment, das mit den Worten von Richard Feynman »das Herz der Quantenmechanik in sich birgt«.

Aber zuvor eine Warnung: Was hier beschrieben wird, scheint unmöglich zu sein, und manch einer ist sich vielleicht sicher, dass es eine rationalere Erklärung für die Vorgänge geben muss. Möglicherweise fragen Sie sich, ob an einem Phänomen, das wie ein Zaubertrick erscheint, nicht vielleicht doch Taschenspielerei beteiligt ist. Oder Sie glauben, dass es sich bei dem Experiment nur um eine theoretische Spekulation von Wissenschaftlern handelt, denen die Phantasie fehlte, um die Funktionsweise der Natur zu verstehen. Aber keine dieser Erklärungen ist richtig. Das Doppelspaltexperiment widerspricht zwar dem gesunden Menschenverstand, aber es ist echt und wurde tausendfach wiederholt.

Wir wollen das Experiment in drei Abschnitten beschreiben, wobei die beiden ersten nur die Bühne vorbereiten, so dass wir im dritten und wichtigsten die verblüffenden Ergebnisse gebührend würdigen können.

Zunächst lassen wir einen monochromatischen Lichtstrahl (das heißt Licht, das nur eine einzige Farbe oder Wellenlänge hat) auf einen Schirm fallen, in dem zwei schmale Schlitze einen Teil des Lichtes durchlassen, bevor es auf einen zweiten Schirm fällt (Abbildung 4.1). Wenn wir die Breite der Schlitze, ihren Abstand sowie den Abstand zwischen den beiden Schirmen richtig einstellen, können wir auf dem zweiten Schirm ein sogenanntes Interferenzmuster erzeugen, das heißt eine Abfolge von hellen und dunklen Streifen.

Interferenzmuster sind ein typisches Kennzeichen von Wellen und in jedem Medium, das Wellen weiterleitet, leicht zu erkennen. Wenn wir einen Kieselstein in einen ruhigen Teich werfen, können wir zusehen, wie konzentrische, kreisförmige Wellen von dem Eintauchpunkt nach außen wandern. Werfen wir aber zwei Kiesel in denselben Teich, so erzeugt jeder von ihnen seine eigenen, sich ausbreitenden konzentrischen Wellen, und wo sich die Wellen der beiden Kiesel überschneiden, entsteht ein Interferenzmuster (Abbildung 4.2). Trifft der Kamm einer Welle auf das Tal der anderen, heben beide sich auf, so dass an solchen Stellen überhaupt keine Welle vorhanden ist. Dies nennt man »destruktive« Interferenz. Umgekehrt können auch zwei Wellengipfel oder Wellentäler zusammentreffen: Dann verstärken sie einander und verdoppeln die Höhe der Welle – hier spricht man von »konstruktiver« Interferenz. Das Phänomen der Auslöschung oder Verstärkung von Wellen kann man in jedem Wellenmedium erzeugen. Der englische Physiker Thomas Young, der vor über 200 Jahren in einer frühen Version des Doppelspaltexperiments die Interferenz von Lichtstrahlen nachwies, überzeugte damit sich und auch die meisten anderen Wissenschaftler davon, dass Licht tatsächlich eine Welle ist.

Abb. 4.1 Das Doppelspaltexperiment, Teil 1. Wenn monochromatisches Licht (Licht einer einzigen Wellenlänge) auf die beiden Schlitze fällt, wirkt jeder auf der anderen Seite wie eine neue Lichtquelle. Während sich das Licht durch die Schlitze zwängt, breitet es sich wegen seines Wellencharakters aus (es wird gebeugt), so dass sich die ringförmigen Wellen überschneiden und in Interferenz treten. Das Ergebnis sind helle und dunkle Streifen auf dem hinteren Schirm.

Abb. 4.2: Konstruktive und destruktive Interferenz von Wellen.

Im Doppelspaltexperiment entsteht das Interferenzmuster dadurch, dass die Lichtwellen zunächst durch beide Schlitze dringen und sich dann ausbreiten, eine Eigenschaft von Wellen, die als »Beugung« bezeichnet wird. Die Strahlen, die aus den beiden Schlitzen austreten, überlappen sich also und verschmelzen wie Wasserwellen, bevor sie auf den zweiten Schirm treffen. An bestimmten Stellen auf diesem zweiten Schirm treffen die aus den Schlitzen austretenden Lichtwellen phasengleich auf: Ihre Wellenberge und -täler wandern im Gleichschritt, entweder weil sie die gleiche Entfernung zum Schirm zurückgelegt haben oder weil der Unterschied ihrer zurückgelegten Entfernungen ein Vielfaches des Abstandes zwischen ihren Gipfeln beträgt. An solchen Stellen bilden die zusammentreffenden Wellenberge und -täler höhere Berge und tiefere Täler – hier findet konstruktive Interferenz statt. Die verschmolzenen Wellen schaffen an solchen Stellen besonders intensives Licht und damit eine helle Bande auf dem Schirm. An anderen Stellen jedoch trifft das Licht aus den Schlitzen phasenverschoben ein: Wenn nun der Berg der einen Welle auf das Tal einer anderen trifft, löschen sich die Wellen aus, und auf dem Schirm erscheint ein dunkler Streifen – destruktive Interferenz. Zwischen diesen beiden Extremen gibt es Übergänge (wenn eine Verschiebung um weniger oder mehr als die halbe Phase stattfindet), so dass ein Teil des Lichtes erhalten bleibt. Deshalb sehen wir auf dem Schirm keine Reihe scharf abgegrenzter heller und dunkler Banden, sondern eine ununterbrochene Helligkeitsschwankung zwischen den Maxima und Minima des Interferenzmusters. Diese regelmäßigen, wellenförmigen Intensitätsschwankungen sind ein charakteristisches Kennzeichen von Wellenphänomenen. Ein bekanntes Beispiel gibt es im Bereich der Schallwellen: Wenn ein Musiker sein Instrument stimmt, achtet er auf die »Schwebungen«[1], die auftreten, wenn zwei Töne eine sehr ähnliche, aber nicht genau gleiche Frequenz haben, so dass sie am Ohr des Musikers manchmal phasengleich und manchmal phasenverschoben eintreffen. Diese Veränderungen im Muster der kombinierten Schallwellen führen zu einem Ton, dessen Lautstärke an- und abschwillt. Die leichte Schwankung der Lautstärke ist auf die Interferenzen zwischen den zwei Wellen zurückzuführen. (Man sollte daran denken, dass diese Schwebungen ein Beispiel aus der klassischen Physik sind, die keine quantenmechanische Erklärung erfordern.)

Wesentlich für das Doppelspaltexperiment ist, dass der Lichtstrahl, der auf den ersten Schirm trifft, monochromatisch sein muss, das heißt, er muss aus Licht einer einzigen Wellenlänge bestehen. Weißes Licht dagegen, wie es von einer normalen Glühbirne abgegeben wird, ist aus vielen verschiedenen Wellenlängen (den Regenbogenfarben) zusammengesetzt, so dass die Wellen wie Kraut und Rüben auf den Schirm treffen. In diesem Fall kommt es zwar ebenfalls zur Interferenz zwischen Wellenbergen und Wellentälern, das dabei entstehende Muster ist aber so kompliziert und »verschmiert«, dass man keine Streifen mehr erkennt. Ganz ähnlich verhält es sich auch mit unserem Teich: Lassen wir zwei Kiesel hineinfallen, können wir leicht ein Interferenzmuster erzeugen, wenn aber ein großer Wasserfall in den Teich donnert, entstehen so viele Wellen, dass man kein einheitliches Interferenzmuster mehr beobachten kann.

Kommen wir nun zum zweiten Teil des Doppelspaltexperiments: Dieses Mal lassen wir nicht Licht, sondern Gewehrkugeln auf den Schirm prallen. Entscheidend ist dabei, dass es sich nicht um sich ausbreitende Wellen, sondern um feste Teilchen handelt. Jede Kugel kann natürlich nur durch den einen oder den anderen Spalt fliegen, aber nicht durch beide. Wenn wir eine ausreichende Zahl von Kugeln abfeuern, sehen wir auf dem hinteren Schirm zwei Streifen mit Einschlaglöchern, die den beiden Schlitzen entsprechen (Abbildung 4.3). Hier haben wir es eindeutig nicht mit Wellen zu tun. Jede Kugel ist ein eigenständiges Teilchen, das in keiner Beziehung zu irgendeinem anderen Teilchen steht; deshalb gibt es auch keine Interferenz.

Nun folgt Teil drei: der »magische Quantentrick«. Wir wiederholen das Experiment mit Atomen anstelle von Gewehrkugeln. Eine Quelle, die einen Strahl aus Atomen erzeugen kann, schießt diese auf einen Schirm mit zwei ausreichend schmalen Schlitzen.[2] Zum Nachweis der auftreffenden Atome trägt der zweite Schirm eine Photolumineszenzschicht, auf der ein winziger heller Fleck aufleuchtet, wenn sie von einem einzelnen Atom getroffen wird.

Abb. 4.3: Das Doppelspaltexperiment, Teil 2. Im Gegensatz zu dem Wellenverhalten, das wir mit Licht beobachtet haben, zeigen Pistolenkugeln, die auf die Schlitze abgefeuert werden, das Verhalten von Teilchen. Jede Kugel, die den hinteren Schirm erreicht, muss entweder den rechten oder den linken Spalt passiert haben, aber nicht beide (wobei wir natürlich unterstellen, dass der vordere Schirm dick genug ist und alle Kugeln abhält, die keinen der beiden Schlitze treffen). Statt eines Interferenzmusters mit vielen Streifen beobachten wir jetzt auf dem hinteren Schirm, hinter den Schlitzen, in zwei schmalen Streifen angeordnete Kugellöcher.

Würde der gesunde Menschenverstand auch auf mikroskopischer Ebene gelten, sollten sich die Atome verhalten wie unglaublich kleine Gewehrkugeln. Zuerst öffnen wir in dem Experiment nur den linken Spalt und sehen auf dem zweiten Schirm einen Streifen aus hellen Flecken hinter der Öffnung. Zum Teil sind die Flecken ein wenig »verschmiert«, so dass man annehmen könnte, einige Atome hätten den Spalt nicht auf geradem Weg passiert, sondern wären an den Kanten angestoßen und abgelenkt worden. Als Nächstes öffnen wir auch den rechten Spalt und warten darauf, dass sich hinter ihm ebenfalls Flecken bilden.

Wenn man nichts über Quantenmechanik weiß und die Verteilung der hellen Flecken voraussagen soll, würde man natürlich davon ausgehen, dass sie ganz ähnlich aussieht wie das Muster, das von den Gewehrkugeln erzeugt wurde: Hinter jedem Schlitz sollte sich ein Streifen aus Flecken bilden, so dass am Ende zwei abgegrenzte helle Streifen stehen, die in der Mitte am hellsten sind und nach außen hin allmählich schwächer werden – weil die »Treffer« der Atome dort seltener sind. Außerdem würde man damit rechnen, dass der mittlere Bereich zwischen den beiden hellen Zonen dunkel ist, denn dieser Abschnitt des Schirms ist für die Atome am schwersten zu erreichen, ganz gleich, welchen Spalt sie passiert haben.

Aber das beobachtet man nicht. Stattdessen sehen wir genau wie in dem Experiment mit Licht ein eindeutiges Interferenzmuster mit hellen und dunklen Bereichen. Und ob man es glaubt oder nicht: Der hellste Bereich liegt in der Mitte des Schirms – genau in dem Abschnitt, von dem man annehmen sollte, dass ihn nur wenige Atome erreichen (Abbildung 4.4). Mit den richtigen Abständen zwischen den Schlitzen und den beiden Schirmen kann man sogar dafür sorgen, dass der hellste Bereich auf dem hinteren Schirm – den die Atome erreichen, wenn nur ein Spalt geöffnet ist – dunkel ist (das heißt von keinen Atomen getroffen wird), wenn wir den zweiten Spalt öffnen. Wie kann das Öffnen eines zweiten Spalts verhindern, dass die Atome bestimmte Teile des hinteren Schirms erreichen? Eigentlich sollten nun noch mehr Atome durchgelassen werden!

Überlegen wir einmal, ob wir den Vorgang mit dem normalen gesunden Menschenverstand erklären können, und vermeiden wir es deshalb zunächst, auf die Quantenmechanik zurückzugreifen. Zwar ist jedes Atom ein winziges, lokalisierbares Teilchen – schließlich trifft jedes Atom am Ende an einem einzigen Punkt auf den Schirm –, aber nehmen wir einmal an, die schiere Zahl der Atome, die alle zusammenstoßen und auf eine besondere, koordinierte Weise miteinander interagieren, könnte ein Muster erzeugen, dass nach Interferenz aussieht. Schließlich wissen wir, dass auch Wasserwellen in Wirklichkeit aus ungeheuer vielen Wassermolekülen bestehen, von denen man einzeln kein Wellenverhalten erwarten würde. Erst die koordinierte Bewegung von Billionen Wassermolekülen, nicht aber irgendein einzelnes Molekül, lässt wellenförmige Eigenschaften entstehen. Vielleicht stößt auch die Atomkanone einen koordinierten Strom von Atomen aus wie die Wellenmaschine in einem Swimmingpool.

Abb. 4.4: Das Doppelspaltexperiment, Teil 3. Wenn wir nicht Pistolenkugeln, sondern Atome aus einer Quelle auf die Schlitze abfeuern (wobei diese natürlich eine geeignete Breite und den richtigen Abstand haben müssen), beobachten wir wieder das Interferenzmuster, wie es für Wellen typisch ist. Obwohl die Atome an ganz bestimmten Stellen auf den hinteren Schirm treffen, wie es ihrer Teilchennatur entspricht, sammeln sie sich dort in Banden, wie wir es beim Licht beobachtet haben. Wie kommt es, dass sie gleichzeitig beide Schlitze passieren, so dass wir wieder eine Reihe von Interferenzstreifen sehen?

Um diese Theorie der koordinierten Atombewegungen zu überprüfen, wiederholen wir das Experiment, wobei wir aber ein Atom nach dem anderen durch den Spalt fliegen lassen. Wir feuern die Atomkanone ab und warten, bis auf dem hinteren Schirm ein Lichtpunkt auftaucht. Erst dann feuern wir ein zweites Mal, und so weiter. Hier scheint zunächst der gesunde Menschenverstand zu gelten. Jedes Atom, dem es gelingt, die Schlitze zu passieren, hinterlässt nur einen einzigen, lokalisierten Lichtpunkt an irgendeiner Stelle des Schirms. Es scheint, als würden die Atome die Kanone wie Geschossteilchen verlassen und auch als Teilchen auf dem Schirm ankommen. Dann müssen sie sich doch sicher auch zwischen Kanone und Schirm wie Teilchen verhalten? Jetzt aber steigt das Quantenkaninchen aus dem Hut. Wenn sich auf dem Schirm nach und nach die Flecken sammeln, von denen jeder das Eintreffen eines einzigen geschossartigen Atoms kennzeichnet, kristallisiert sich wieder das hell-dunkle Interferenzmuster heraus. Da die Atome jetzt einzeln durch das Instrument wandern, können wir nicht mehr behaupten, es gebe irgendein kollektives Verhalten vieler Atome, die zusammenstoßen und miteinander interagieren. Das hier sind keine Wasserwellen. Wieder müssen wir uns mit einem Ergebnis auseinandersetzen, das der Intuition widerspricht: Auf dem hinteren Schirm gibt es Stellen, an denen Atome landen konnten, wenn nur ein Spalt geöffnet ist, während sie völlig dunkel sind, wenn man auch den zweiten Schlitz öffnet – und das, obwohl die Atome durch diese Öffnung auf einem zweiten Weg den Schirm erreichen könnten. Es scheint, als müsste ein Atom, das einen der Schlitze passiert, irgendwie wissen, ob der andere Spalt offen ist, und sich entsprechend verhalten!

Um es noch einmal zu wiederholen: Jedes Atom verlässt die Kanone als winziges, lokalisierbares Teilchen und kommt auf dem zweiten Schirm ebenfalls als Teilchen an – das zeigt sich an dem winzigen Lichtblitz bei seinem Auftreffen. Dazwischen jedoch, bei seiner Begegnung mit den beiden Spalten, geschieht etwas Rätselhaftes: Das Atom verhält sich wie eine sich ausbreitende Welle, die in zwei Bestandteile aufgespalten wird, und diese Bestandteile laufen jeweils durch einen Schlitz und treten dahinter in Interferenz. Wie kann ein einzelnes Atom wissen, in welchem Zustand (offen oder geschlossen) sich die beiden Schlitze zu dem jeweiligen Zeitpunkt befinden?

Wenn wir hier irgendwo einen Taschenspielertrick vermuten, können wir untersuchen, ob wir die Atome zu fassen bekommen, wenn wir uns hinter den Schlitzen auf die Lauer legen. Zu diesem Zweck kann man beispielsweise hinter dem linken Spalt einen Detektor anbringen, der ein »Signal« (vielleicht ein Piepen) aussendet, wenn ein Atom auf seinem Weg zu dem Schirm diesen Spalt passiert.[3] Einen zweiten Detektor können wir über dem rechten Spalt anbringen, damit dieser dort ebenfalls die vorüberkommenden Atome registriert. Wenn nun ein Atom den einen oder anderen Spalt passiert, hören wir entweder vom rechten oder vom linken Detektor ein Piepen; schafft es das Atom dagegen, irgendwie seine Geschossform aufzugeben und durch beide Schlitze zu fliegen, sollten beide Detektoren gleichzeitig ansprechen.

Was beobachten wir? Jedes Mal, wenn die Atomkanone feuert und anschließend ein heller Fleck auf dem hinteren Schirm auftaucht, piept entweder der rechte oder der linke Detektor, aber niemals beide. Damit haben wir doch sicher den Beweis, dass die Atome, die das Interferenzmuster erzeugen, tatsächlich immer durch den einen oder anderen Spalt fliegen, aber niemals durch beide gleichzeitig. Aber Geduld! Beobachten wir weiter den Schirm: Wenn sich jetzt die Lichtpunkte sammeln und zusammenfließen, entsteht kein Interferenzmuster mehr. Stattdessen sehen wir zwei helle Streifen, die genau wie in dem Experiment mit den Gewehrkugeln auf zwei Ansammlungen von Atomen hinter den beiden Spalten hindeuten. Die Atome verhalten sich jetzt während des gesamten Experiments wie konventionelle Teilchen. Es ist, als würde sich jedes Atom wie eine Welle verhalten, wenn es an die Schlitze kommt, es sei denn, es wird beobachtet – in diesem Fall bleibt es ganz harmlos ein winziges Teilchen.

Vielleicht ist der Detektor die Ursache des Problems – vielleicht bringt er das seltsame, empfindliche Verhalten der Atome beim Durchgang durch die Schlitze durcheinander. Das können wir überprüfen, indem wir einen der Detektoren entfernen, beispielsweise den über dem rechten Spalt. In diesem Fall liefert die Anordnung immer noch die gleiche Information: Wenn wir die Kanone abfeuern, ein Piepen hören und einen hellen Fleck auf dem Schirm sehen, wissen wir, dass das Atom den linken Schlitz passiert haben muss; wenn wir aber die Kanone abfeuern, kein Piepen hören und dennoch einen hellen Fleck erkennen, muss das Atom den Schirm auf dem Weg über den rechten Spalt erreicht haben. Damit wissen wir also, ob die Atome den rechten oder den linken Spalt passiert haben, aber wir haben nur einen der beiden Wege »gestört«. Wenn der Detektor die Ursache des Problems war, würden wir damit rechnen, dass sich die Atome, die das Piepsen ausgelöst haben, wie Pistolenkugeln verhalten, während diejenigen, die das nicht tun (und die durch den rechten Spalt geflogen sind) das Verhalten von Wellen an den Tag legen. Sehen wir dann auf dem Schirm vielleicht eine Mischung aus dem geschosstypischen Muster (von Atomen, die durch den linken Spalt geflogen sind) und einem Interferenzmuster (von den Atomen, die durch den rechten Spalt getreten sind)?

Nein. Auch mit dieser Anordnung ergibt sich keinerlei Interferenzmuster. Hinter beiden Spalten sehen wir auf dem Schirm nur das geschosstypische Punktmuster. Es scheint, als reichte schon ein einziger Detektor, der den Aufenthaltsort eines Atoms registrieren kann, damit das wellenförmige Verhalten zerstört wird – und das selbst dann, wenn sich der Detektor in einer gewissen Entfernung vom Weg des Atoms durch den anderen Spalt befindet!

Vielleicht reicht ja die physische Gegenwart des Detektors über dem linken Spalt aus, um den Weg der vorüberkommenden Atome zu beeinflussen wie ein großer Felsblock, der in einem schnell fließenden Bach liegt und das strömende Wasser ablenkt. Dies können wir überprüfen, indem wir den linken Detektor abschalten. Er ist noch da, also würden wir damit rechnen, dass sein Einfluss ungefähr gleich bleibt. Jetzt aber, wo der Detektor vorhanden, aber ausgeschaltet ist, baut sich auf dem Schirm wieder das Interferenzmuster auf! Alle Atome in dem Experiment sind zum Wellenverhalten zurückgekehrt. Wie kommt es, dass Atome sich als Teilchen verhalten, wenn der Detektor über dem linken Spalt eingeschaltet ist, und sobald man ihn ausschaltet, verhalten sie sich wie Wellen? Weiß ein Teilchen, das den rechten Spalt passiert, ob der Detektor über dem linken Spalt ein- oder ausgeschaltet ist?

An dieser Stelle müssen wir den gesunden Menschenverstand hinter uns lassen und uns mit der Welle-Teilchen-Dualität winziger Objekte auseinandersetzen: Atome, Elektronen oder Photonen verhalten sich wie Wellen, wenn wir keine Information darüber besitzen, durch welchen Spalt sie fliegen, und wie Teilchen, sobald wir sie beobachten. Das ist der Prozess der Beobachtung oder Messung von Quantenobjekten, der uns schon in Kapitel 1 im Zusammenhang mit Alain Aspects Nachweis der Quantenverschränkung getrennter Photonen begegnet ist. Erinnern wir uns: Aspects Arbeitsgruppe maß Photonen, die durch eine Polarisierungslinse fielen, und zerstörte damit ihren verschränkten Zustand – der ein Aspekt ihrer Wellennatur ist –, weil sie gezwungen wurden, sich für eine einzige klassische Polarisierungsrichtung zu entscheiden. Ganz ähnlich verhält es sich mit der Messung der Atome im Doppelspaltexperiment: Man zwingt sie, zu wählen, ob sie den rechten oder den linken Spalt passieren sollen.

Die Quantenmechanik liefert für dieses Phänomen tatsächlich eine vollkommen logische Erklärung; es ist aber nur eine Erklärung für das, was wir beobachten – für das Ergebnis eines Experiments –, nicht aber für das, was sich abspielt, wenn wir nicht hinsehen. Aber da wir mit den Dingen nur dann etwas anfangen können, wenn wir sie sehen und messen, ist es vielleicht sinnlos, nach mehr zu fragen. Wie können wir die Legitimität oder Wahrheit einer Erklärung für ein Phänomen beurteilen, das wir ganz prinzipiell nie überprüfen können? Sobald wir es versuchen, verändern wir das Ergebnis.

Nach der quantenmechanischen Interpretation des Doppelspaltexperiments muss jedes Atom für jeden einzelnen Zeitpunkt als Gruppe von Zahlen beschrieben werden, die seinen wahrscheinlichkeitstheoretischen Aufenthaltsort im Raum beschreiben; diese Zahlengruppe hatten wir in Kapitel 2 unter dem Namen Wellenfunktion kennengelernt. Dort hatten wir sie mit der Verfolgung einer Verbrechenswelle verglichen, die sich in einer Stadt ausbreitet: Man benennt Wahrscheinlichkeiten dafür, dass sich Einbrüche in bestimmten Stadtvierteln ereignen. Ganz ähnlich sind die Verhältnisse, wenn die Wellenfunktion beschreibt, wie ein Atom die beiden Schlitze passiert: Sie macht Angaben darüber, mit welcher Wahrscheinlichkeit man es zu einem bestimmten Zeitpunkt irgendwo in der Apparatur findet. Aber wie zuvor bereits betont wurde, muss ein Einbrecher sich stets an einem einzigen Ort in Raum und Zeit aufhalten, und die Welle der »Verbrechenswahrscheinlichkeit« beschreibt nur unser mangelndes Wissen darüber, wo er sich tatsächlich befindet. Die Wellenfunktion des Atoms im Doppelspaltexperiment ist dagegen real, das heißt, sie repräsentiert den tatsächlichen physikalischen Zustand des Atoms: Es hat wirklich keinen einzelnen Aufenthaltsort, es sei denn, wir vermessen es; bis dahin ist es überall gleichzeitig – natürlich mit unterschiedlicher Wahrscheinlichkeit, so dass wir das Atom höchstwahrscheinlich nicht an Orten finden werden, für die seine Wellenfunktion zu klein ist.

Statt einzelner Atome, die im Doppelspaltexperiment wandern, müssen wir also die Wellenfunktion betrachten, die sich von der Quelle zum hinteren Schirm bewegt. Wenn sie auf die Schlitze trifft, spaltet sie sich in zwei Teile auf, von denen jeder einen der Schlitze passiert. Was dabei wichtig ist: Wir beschreiben hier, wie sich eine abstrakte mathematische Größe im zeitlichen Ablauf verändert. Die Frage, was wirklich abläuft, ist sinnlos, denn um es zu überprüfen, müssen wir hinsehen, und sobald wir das versuchen, verändern wir das Ergebnis. Wissen zu wollen, was zwischen den Beobachtungen wirklich abläuft, gleicht der Frage, ob das Licht im Kühlschrank leuchtet, bevor wir die Tür öffnen: Wir werden es niemals erfahren, denn sobald wir hineinsehen, verändern wir das System.

Damit erhebt sich eine Frage: Wann »verwandelt« sich die Wellenfunktion wieder in ein lokalisiertes Atom? Die Antwort: Wenn wir versuchen, seinen Aufenthaltsort festzustellen. Sobald eine solche Messung stattfindet, bricht die Quanten-Wellenfunktion zusammen und wird zu einer einzigen Möglichkeit. Auch dies ist ganz anders als in dem Beispiel mit dem Einbrecher, in dem die Unsicherheit im Zusammenhang mit seinem Aufenthaltsort plötzlich zusammenbricht, wenn er an einer einzigen Stelle von der Polizei dingfest gemacht wurde. In diesem Fall wurde nur unsere Information über den Aufenthaltsort des Einbrechers durch die Festnahme beeinflusst. Er selbst war aber zu jedem Zeitpunkt immer nur an einem Ort. Beim Atom ist es anders: Solange keine Messung stattfindet, ist es wirklich überall.

Die Quanten-Wellenfunktion berechnet also die Wahrscheinlichkeit, mit der man das Atom an einem bestimmten Ort nachweisen kann, wenn wir zu diesem Zeitpunkt eine Positionsbestimmung vornehmen würden. Wo die Wellenfunktion vor der Messung groß ist, besteht auch eine große Wahrscheinlichkeit, das Atom dort zu finden. Ist sie aber – beispielsweise durch destruktive Welleninterferenz – klein, werden wir das Atom auch nur mit entsprechend geringer Wahrscheinlichkeit dort finden, wenn wir uns entschließen nachzusehen.

Wir können uns vorstellen, wir würden die Wellenfunktion, die das einzelne Atom beim Verlassen der Quelle beschreibt, verfolgen. Sie verhält sich genau wie eine Welle, die in Richtung der Schlitze wandert, so dass sie auf der Höhe des ersten Schirms in beiden Schlitzen die gleiche Amplitude hat. Bringen wir also an einem der Schlitze einen Detektor an, würden wir mit gleichen Wahrscheinlichkeiten rechnen: In 50 Prozent der Fälle werden wir das Atom am linken Spalt nachweisen, in 50 Prozent der Fälle am rechten. Aber – und das ist der entscheidende Dreh – wenn wir nicht versuchen, das Atom auf der Höhe des ersten Schirmes nachzuweisen, fließt die Wellenfunktion durch beide Schlitze, ohne zusammenzubrechen. Danach können wir in Quantenbegriffen von einer Wellenfunktion sprechen, die ein einzelnes Atom in Superposition beschreibt: Es ist gleichzeitig an zwei Orten, was gleichbedeutend mit der Aussage ist, dass seine Wellenfunktion gleichzeitig den linken und den rechten Spalt passiert.

Hinter den Schlitzen breiten sich die getrennten Teile der Wellenfunktion, die aus dem linken und dem rechten Schlitz kommen, wieder aus und bilden Mengen mathematischer Wellen, die sich überlappen, sich an manchen Stellen verstärken und sich an anderen gegenseitig auslöschen. Insgesamt hat dies zur Folge, dass die Wellenfunktion ein Muster hat, wie es auch für andere Wellenphänomene, beispielsweise für Licht, charakteristisch ist. Dabei darf man aber nicht vergessen, dass diese jetzt sehr komplizierte Wellenfunktion immer noch nur ein einziges Atom beschreibt.

Auf dem zweiten Schirm findet nun endlich die Positionsmessung der Atome statt. Hier können wir mit Hilfe der Wellenfunktion berechnen, mit welcher Wahrscheinlichkeit das Teilchen an verschiedenen Punkten auf dem Schirm nachzuweisen ist. Die hellen Abschnitte des Schirms entsprechen den Positionen, an denen die beiden Teile der Wellenfunktion, die von den beiden Schlitzen kommen, einander verstärken; an den dunklen Stellen löschen sie sich gegenseitig aus, und für den Nachweis der Atome an diesen Positionen ergibt sich eine Wahrscheinlichkeit von null.

Man muss aber immer daran denken, dass dieser Prozess der Verstärkung und Auslöschung – die Quanteninterferenz – auch dann stattfindet, wenn nur ein einziges Teilchen beteiligt ist. Wie gesagt: Manche Regionen des Schirms können Atome, die nacheinander abgefeuert werden, bei nur einem geöffneten Spalt erreichen, sie sind aber nicht mehr zugänglich, wenn beide Schlitze offen sind. Das ist nur dann plausibel, wenn man jedes Atom, das von der Atomkanone abgeschossen wird, mit einer Wellenfunktion beschreibt, die beide Wege gleichzeitig beschreiten kann. Die kombinierte Wellenfunktion mit ihren Bereichen der konstruktiven und destruktiven Interferenz löscht die Wahrscheinlichkeit aus, dass man das Atom an manchen Stellen auf dem Schirm findet, die es erreichen würde, wenn nur ein Spalt geöffnet wäre.

Alle Quantengebilde, ob Elementarteilchen oder die Atome und Moleküle, die aus solchen Teilchen zusammengesetzt sind, zeigen kohärentes wellenförmiges Verhalten und können deshalb mit sich selbst in Interferenz treten. In diesem Quantenzustand können sie alle Formen des seltsamen Quantenverhaltens zeigen – sie können zum Beispiel an zwei Orten zugleich sein, sich in zwei Richtungen gleichzeitig drehen, undurchdringliche Barrieren durchdringen oder in einer gespenstischen, verschränkten Verbindung zu einem weit entfernten Partner stehen.

Aber warum können dann Sie oder ich, die wir doch letztlich auch aus Quantenteilchen bestehen, nicht an zwei Orten zugleich sein, was an hektischen Tagen manchmal nicht unpraktisch wäre? Die Antwort ist auf einer gewissen Ebene sehr einfach: Je größer und massereicher ein Körper ist, desto geringer ist seine wellenartige Natur, und etwas von der Größe und Masse eines Menschen, oder auch nur ein Gegenstand, der so groß ist, dass man ihn mit bloßem Auge sehen kann, hat eine so winzig kleine Quanten-Wellenlänge, dass diese sich nicht messbar auswirkt. Auf einer tieferen Ebene kann man sich aber auch vorstellen, dass jedes Atom in unserem Körper von allen anderen Atomen in seiner Umgebung beobachtet oder gemessen wird, so dass alle empfindlichen Quanteneigenschaften, die es vielleicht besitzt, sehr schnell zerstört werden.

Was meinen wir dann eigentlich mit »Messung«? Mit dem Thema haben wir uns in Kapitel 1 bereits kurz beschäftigt, wir müssen es jetzt aber etwas genauer betrachten, denn es ist ein zentraler Aspekt der Frage, wie viel »Quant« eigentlich in der Quantenbiologie steckt.

Quantenmessungen

Bei allen ihren Erfolgen sagt die Quantenmechanik nichts darüber aus, wie wir den Schritt von den Gleichungen, die beispielsweise die Bewegungen eines Elektrons in einem Atom beschreiben, zu den Ergebnissen einer gezielten Messung dieses Elektrons vollziehen sollen. Deshalb formulierten die Gründerväter der Quantenmechanik eine Handvoll Faustregeln, die eine Ergänzung zu dem mathematischen Formalismus darstellen. Diese sogenannten »Quantenpostulate« bilden eine Art Gebrauchsanweisung, die uns sagt, wie wir die mathematischen Voraussagen der Gleichungen in handfeste Eigenschaften übersetzen können, die sich beobachten lassen wie die Position oder Energie eines Atoms zu einem bestimmten Zeitpunkt.

Was den eigentlichen Prozess angeht, durch den ein Atom von Augenblick zu Augenblick nicht mehr »hier und dort«, sondern nur noch »hier« ist, wenn wir hinsehen, so weiß niemand genau, was da eigentlich vorgeht. Die meisten Physiker geben sich vergnügt mit der pragmatischen Vorstellung zufrieden, dass es »einfach passiert«. Dabei stellt sich nur das Problem, dass man eine willkürliche Unterscheidung treffen muss: auf der einen Seite die Quantenwelt, in der seltsame Dinge geschehen, auf der anderen unsere alltägliche Makrowelt, in der Objekte sich »plausibel« verhalten. Ein Messinstrument, das ein Elektron nachweist, muss ein Teil dieser Makrowelt sein. Aber wie und warum und wann dieser Messvorgang stattfindet, wurde von den Begründern der Quantenmechanik nie geklärt.

Während der 1980er und 1990er Jahre lernten die Physiker erstmals einzuschätzen, was sich abspielen muss, wenn ein isoliertes Quantensystem, zum Beispiel ein einzelnes Atom im Doppelspaltexperiment, dessen Wellenfunktion sich in Superposition und damit an zwei Orten zugleich befindet, mit einem makroskopischen Messinstrument in Wechselbeziehung tritt, das beispielsweise am linken Spalt angebracht ist. Wie sich herausgestellt hat, sorgt der Nachweis des Atoms (und hier gilt es festzuhalten, dass eine Messung auch dann stattfindet, wenn das Atom nicht nachgewiesen wird, weil es dann den anderen Spalt passiert haben muss) dafür, dass die Wellenfunktion des Atoms mit den Billionen Atomen im Messinstrument in Wechselbeziehung tritt. Diese komplizierten Interaktionen haben zur Folge, dass sich die empfindliche Quantenkohärenz sehr schnell auflöst und im inkohärenten Rauschen seiner Umgebung verlorengeht. Das ist der Prozess der Dekohärenz, den wir in Kapitel 2 bereits kennengelernt haben.

Damit die Dekohärenz ihre Wirkung entfaltet, bedarf es aber keines Messinstruments. Sie spielt sich ständig in jedem einzelnen klassischen Objekt ab, weil dessen Quantenbestandteile – die Atome und Moleküle – thermische Schwingungen ausführen; dabei werden sie von allen umgebenden Atomen und Molekülen geschoben und gestoßen, so dass ihre wellenartige Kohärenz verlorengeht. Man kann sich die Dekohärenz also als das Mittel vorstellen, mit dem die gesamte materielle Umgebung eines einzelnen Atoms – man kann auch von seiner Umwelt sprechen – dieses Atom ständig misst und damit zwingt, sich wie ein klassisches Teilchen zu verhalten. Die Dekohärenz ist sogar einer der schnellsten und wirksamsten Prozesse der gesamten Physik. Und wegen ihrer bemerkenswerten Effizienz ist die Dekohärenz ihrer Entdeckung so lange entgangen. Erst heute lernen die Physiker allmählich, wie man sie unter Kontrolle bringen und erforschen kann.

Kehren wir noch einmal zu unserem Vergleich mit den ins Wasser geworfenen Kieselsteinen zurück: Wenn wir sie in einen stillen Teich werfen, erkennt man leicht, wie die Wellen einander überschneiden und sich gegenseitig stören. Nun werfen wir aber die gleichen Kieselsteine am unteren Ende der Niagarafälle ins Wasser. Hier löschen die ungeheuer komplexen, chaotischen Bewegungen des Wassers sofort jedes Interferenzmuster aus, das von den Kieseln erzeugt wird. Das turbulente Wasser ist die klassische Entsprechung zu den zufälligen Molekülbewegungen, die sich in der Umgebung eines Quantensystems abspielen und zu sofortiger Dekohärenz führen. Die meisten Umfelder sind auf molekularer Ebene ebenso turbulent wie das Wasser am unteren Ende der Niagarafälle. Die Teilchen im Material werden ständig von ihrer Umgebung (anderen Atomen, Molekülen oder Lichtphotonen) herumgestoßen.

Hier sollten wir einige Begriffe klären, die wir in diesem Buch verwenden. Wir sprechen davon, dass sich Atome an zwei Orten zugleich befinden, dass sie sich wie Wellen verhalten und gleichzeitig in einer Superposition von mindestens zwei verschiedenen Zuständen existieren. Um die Sache zu vereinfachen, können wir uns auch auf einen einzigen Begriff einigen, der alle diese Konzepte umfasst: den der »Quantenkohärenz«. Wenn wir also von »kohärenten« Effekten sprechen, meinen wir damit, dass sich irgendetwas nach quantenmechanischen Prinzipien verhält, indem es das Verhalten einer Welle erkennen lässt oder mehr als ein Verhalten zur gleichen Zeit an den Tag legt. »Dekohärenz« ist dann der physikalische Prozess, durch den die Kohärenz verlorengeht und die quantenmechanischen Prinzipien zu klassischen Prinzipien werden.

Normalerweise rechnet man damit, dass die Quantenkohärenz sehr kurzlebig ist, es sei denn, man kann das Quantensystem gegenüber seiner Umgebung abschirmen (weniger Stöße durch Teilchen) und/oder auf sehr niedrige Temperaturen abkühlen (viel weniger Stöße) und so die empfindliche Kohärenz bewahren. Um Interferenzmuster mit einzelnen Atomen vorzuführen, pumpen Wissenschaftler sogar die gesamte Luft aus ihrer Apparatur und kühlen sie bis knapp über den absoluten Nullpunkt ab. Nur mit solchen extremen Maßnahmen bleiben die Atome lange genug in einem ruhigen, quantenkohärenten Zustand, so dass man die Interferenzmuster nachweisen kann.

Die Empfindlichkeit der Quantenkohärenz (das heißt die Aufgabe, die Wellenfunktion vor dem Zusammenbruch zu bewahren) ist auch die wichtigste Herausforderung für die Gruppe am MIT, die wir in den ersten Absätzen dieses Kapitels kennengelernt haben, und für ihre Kollegen auf der ganzen Welt, die einen Quantencomputer bauen wollen. Und das war natürlich der Grund, warum sie der Behauptung in der New York Times, Pflanzen seien Quantencomputer, so skeptisch gegenüberstanden. Physiker denken sich alle möglichen klugen, teuren Strategien aus, um die Quantenwelt in ihren Computern gegenüber der kohärenzzerstörenden äußeren Umwelt abzuschirmen. Deshalb hielt man die Idee, Quantenkohärenz könne in der warmen, feuchten, molekular turbulenten Umwelt in einem Grashalm erhalten bleiben, verständlicherweise für verrückt.

Heute wissen wir aber, dass viele wichtige biologische Prozesse auf molekularer Ebene sehr schnell (in der Größenordnung von Millionstelsekunden) ablaufen können und auch auf sehr kurze atomare Entfernungen beschränkt sind – das sind genau die Entfernungen und Zeiträume, in denen Quantenprozesse wie der Tunneleffekt ablaufen. Obwohl man also die Dekohärenz nie ganz verhindern kann, wird sie möglicherweise gerade so lange in Schach gehalten, dass sich ein biologischer Nutzen ergibt.

Eine Reise zum Mittelpunkt der Photosynthese

Wir brauchen nur eine Sekunde zum Himmel zu blicken, und schon ist ein 300.000 Kilometer langer Lichtstrahl in unser Auge gefallen. In der gleichen Sekunde haben Pflanzen und photosynthetisch aktive Mikroorganismen die Strahlen des Sonnenlichts genutzt, um ungefähr 16.000 Tonnen neuen organischen Materials in Form von Bäumen, Gräsern, Seetang, Gänseblümchen, Mammutbäumen und Äpfeln zu erzeugen. In diesem Abschnitt wollen wir uns mit der Frage beschäftigen, wie der erste Schritt der Umwandlung unbelebter Materie in nahezu die gesamte Biomasse unseres Planeten eigentlich funktioniert, und als Beispiel wählen wir die Umwandlung der Luft von Neuengland in einen Apfel auf Newtons Baum.

Um diesen Prozess genau zu verfolgen, greifen wir noch einmal auf das Nanotechnologie-U-Boot zurück, mit dem wir im letzten Kapitel bereits die Enzymwirkung untersucht haben. Nachdem wir an Bord gegangen sind und den Verkleinerungsschalter umgelegt haben, steuern wir das Fahrzeug gen Himmel, hinauf in das Blätterdach des Baumes, und dort landen wir auf einem Blatt, das für uns immer größer zu werden scheint. Es wächst so lange weiter, bis seine Ränder hinter dem Horizont verschwinden, und nun wird seine scheinbar glatte Oberfläche zu einer unregelmäßigen Plattform, die mit rechteckigen grünen Klötzen gepflastert ist; dazwischen liegen wie Pockennarben blassere runde Blöcke, in deren Mitte sich jeweils ein Loch (eine Pore) befindet. Die grünen Klötze heißen Epidermiszellen, die runden Blöcke sind die Spaltöffnungen oder Stomata: Sie haben die Aufgabe, Luft und Wasser (die Substrate der Photosynthese) durch die Blattoberfläche ins Innere eindringen zu lassen. Wir lenken unser Fahrzeug hinüber zur nächstgelegenen Spaltöffnung, und wenn unser U-Boot nur noch ein Mikron (ein Millionstelmillimeter) lang ist, senken wir den Bug, so dass es durch die Pore taucht und im grünen, hellen Inneren des Blattes wieder herauskommt.

Dort angekommen, machen wir zunächst in dem geräumigen, recht ruhigen Innenraum des Blattes fest. Sein Boden besteht aus Reihen grüner Zellen, die wie Felsblöcke aussehen und von dicken, zylinderförmigen Kabeln bedeckt sind. Die Kabel sind die Gefäße des Blattes: Sie transportieren entweder Wasser aus den Wurzeln ins Blatt (Xylemgefäße) oder neu produzierten Zucker aus dem Blatt in die übrigen Teile der Pflanze (Phloemgefäße). Wenn wir noch weiter schrumpfen, dehnt sich die Vorderseite der felsblockähnlichen Zelle in alle Richtungen aus, bis sie so groß wie ein Fußballfeld zu sein scheint. In diesem Maßstab – wir sind jetzt ungefähr zehn Nanometer oder ein hunderttausendstel Millimeter groß – erkennen wir, dass die Oberfläche von einem Geflecht aus einer Art Seilen bedeckt ist und ein bisschen an einen dicken Jutesack erinnert. Dieses faserige Material ist die Zellwand, eine Art Außenskelett der Zellen. Unser Nano-U-Boot ist mit Instrumenten ausgerüstet, mit denen wir uns einen Weg durch das Seilgeflecht bahnen können, und nun treffen wir auf eine darunterliegende Schicht aus überwiegend wasserabweisenden Substanzen (Lipiden), die Zellmembran; sie ist die letzte Barriere zwischen der Zelle und ihrer Umgebung. Bei genauerem Hinsehen zeigt sich, dass die Membran nicht ganz glatt ist, sondern wassergefüllte Löcher enthält. Diese Membrankanäle, auch Porine genannt, lassen Nährstoffe hinein und Abfallprodukte hinaus. Um in die Zelle zu gelangen, brauchen wir nur an einem Porin zu warten, bis es sich so weit geöffnet hat, dass wir in das wässrige Innere der Zelle hineinfahren können.

Wenn wir den Porinkanal hinter uns haben, erkennen wir sofort, dass es im Inneren einer Zelle ganz anders aussieht als außen. Hier gibt es keine majestätischen Säulen und weite, offene Räume, sondern alles wirkt beengt und ein wenig un ordentlich. Außerdem scheint es hier sehr lebhaft zuzugehen! Die wässrige Flüssigkeit, die die Zelle ausfüllt – sie wird Cytoplasma genannt – ist dick und zähflüssig; an manchen Stellen gleicht sie eher einem Gel als einer Flüssigkeit. Und in dem Gel schwimmen Tausende unregelmäßig geformte, runde Objekte, in deren Innerem ständig Bewegung zu herrschen scheint. Das sind Enzymproteine, wie wir sie im letzten Kapitel schon kennengelernt haben: Sie sind dafür zuständig, die Stoffwechselprozesse der Zelle auszuführen – sie bauen Nährstoffe ab und Biomoleküle wie Kohlenhydrate, DNA, Proteine und Fette auf. Viele Enzyme hängen an einem Netzwerk aus dicken Seilen (dem Cytoskelett der Zelle), die nach Art von Seilbahnkabeln zahlreiche Lastpakete an verschiedene Bestimmungsorte in der Zelle ziehen. Das Transportnetz geht offensichtlich von mehreren Zentren aus, in denen die Kabel an großen, grünen Kapseln verankert sind. Die Kapseln sind die Chloroplasten der Zelle, und in ihnen findet der eigentliche Prozess der Photosynthese statt.

Wir steuern unser U-Boot durch das zähflüssige Cytoplasma. Dabei kommen wir nur langsam voran, aber irgendwann treffen wir beim nächstgelegenen Chloroplasten ein. Er liegt unter uns wie ein riesiger grüner Ballon. Wie die Zelle, die ihn und uns umgibt, wird er von einer durchsichtigen Membran abgegrenzt, durch die wir große Stapel münzenähnlicher Objekte sehen können. Das sind die Thylakoide, und sie sind vollgepackt mit Chlorophyllmolekülen, dem Farbstoff, der die Pflanzen grün macht. Die Thylakoide sind die Motoren der Photosynthese: Von Lichtphotonen angetrieben können sie Kohlenstoffatome (die mit dem Kohlendioxid der Luft aufgenommen werden) unter Mitwirkung von Wasser zu Zuckermolekülen zusammensetzen, die am Ende in unseren Apfel fließen. Um einen besseren Blick auf diesen ersten Schritt der Photosynthese werfen zu können, steuern wir das U-Boot durch eine der Poren in der Chloroplastenmembran und nehmen Kurs auf die oberste Thylakoid-»Münzrolle«. Dort angekommen, schalten wir den Motor des U-Boots aus, so dass wir über dem Photosynthese-Kraftwerk in der Schwebe bleiben.

Unter uns liegt nun also eine jener Billionen von Photosynthesemaschinen, die auf der ganzen Welt die Biomasse herstellen. Von unserem Aussichtspunkt erkennen wir das Gleiche wie bei der Untersuchung der Enzymmaschinerie im letzten Kapitel: Einerseits stoßen um uns herum überall Moleküle nach Art von Billardkugeln wirbelnd zusammen, anderseits herrscht aber auch ein beeindruckendes Maß von Ordnung. Die Membranoberfläche des Thylakoids ist mit zerklüfteten grünen Inseln besetzt, und diese sind mit baumartigen Strukturen bedeckt, die in antennenartigen, fünfeckigen Platten enden. Die Antennenplatten sind Licht sammelnde Moleküle oder Chromophoren – das bekannteste unter ihnen ist das Chlorophyll. Sie führen den ersten, entscheidenden Schritt der Photosynthese aus: Sie fangen Licht ein.

Chlorophyll ist vermutlich (nach der DNA) das zweitwichtigste Molekül auf unserem Planeten, und deshalb lohnt sich eine genauere Betrachtung (Abbildung 4.5). Es ist ein zweidimensionales Gebilde und besteht aus fünfeckigen Anordnungen, in denen ein zentrales Magnesiumatom (M) vor allem von Atomen des Kohlenstoffs (graue Kugeln) und des Stickstoffs (N) umschlossen wird, sowie einem langen Schwanz aus Atomen von Kohlenstoff, Sauerstoff (O) und Wasserstoff (weiß). Im Magnesium ist das äußerste Elektron nur locker an das übrige Atom gebunden, so dass es durch Aufnahme eines Photons der Sonnenenergie leicht in den umgebenden Kohlenstoffkäfig geschleudert werden kann; zurück bleibt eine Lücke in dem nun positiv geladenen Atom. Diese »Elektronenlücke« kann man sich ziemlich abstrakt als eigenständiges »Ding« vorstellen: ein positiv geladenes Loch. Dahinter steht der Gedanke, dass wir den Rest des Magnesiumatoms weiterhin als neutral betrachten, während wir gleichzeitig durch die Absorption des Photons ein System geschaffen haben, das aus dem entwichenen negativen Elektron und dem zurückgebliebenen positiven Loch besteht. Ein solches Zweiersystem, auch Exciton genannt (Abbildung 4.6), kann man sich als winzige Batterie mit einem positiven und einem negativen Pol vorstellen, die Energie zur späteren Verwendung speichert.

Abb. 4.5: Das Chlorophyllmolekül.

Abb. 4.6: Ein Exciton besteht aus dem Elektron, das aus seiner Umlaufbahn in einem Atom herausgeschlagen wurde, und der Lücke, die es hinterlässt.

Excitonen sind instabil. Das Elektron und seine Lücke unterliegen einer elektrostatischen Kraft, die sie zueinanderzieht. Wenn sie sich wieder vereinigen, geht die Sonnenenergie des ursprünglichen Photons als Abwärme verloren. Wenn die Pflanze also ihre eingefangene Sonnenenergie nutzbar machen will, muss sie das Exciton sehr schnell zu einer molekularen Produktionseinheit transportieren, dem Reaktionszentrum, in dem die sogenannte Ladungstrennung stattfindet. Im Wesentlichen wird dabei ein energiereiches Elektron völlig von seinem Atom losgelöst und auf ein Nachbarmolekül übertragen, wie wir es in ganz ähnlicher Form schon im letzten Kapitel bei der Enzymreaktion beobachtet haben. Das Produkt ist eine chemische Batterie namens NADPH, die stabiler ist als das Exciton und im weiteren Verlauf die überragend wichtigen chemischen Reaktionen der Photosynthese antreibt.

Reaktionszentren sind allerdings in der Regel nach molekularen Maßstäben (Nanometer-Entfernungen) recht weit von den angeregten Chlorophyllmolekülen entfernt. Deshalb muss die Energie von einem Antennenmolekül innerhalb des Chlorophyllwaldes auf ein anderes übertragen werden, damit sie das Reaktionszentrum erreicht. Dies ist dank der dicht gepackten Chlorophyllmoleküle möglich. Die Nachbarn des einen Moleküls, welches das Photon aufgenommen hat, werden selbst angeregt und übernehmen die Energie des ursprünglich angeregten Elektrons, das heißt, die Energie wird auf das Elektron ihres Magnesiumatoms übertragen.

Dabei stellt sich natürlich die Frage, welchen Weg der Energietransfer nehmen soll. Verläuft er in die falsche Richtung, weil er im Chlorophyllwald nach dem Zufallsprinzip von einem Molekül zum nächsten springt, wird die Energie letztlich nicht beim Reaktionszentrum abgeliefert, sondern sie geht verloren. Wohin soll die Energie fließen? Viel Zeit hat sie nicht, ihren Weg zum Ziel zu finden, bevor das Exciton erlischt.

Bis vor kurzem glaubte man, die Energiesprünge von einem Chlorophyllmolekül zum anderen seien ein Zufallsprozess, bei dem im Wesentlichen ein sogenannter random walk stattfindet, eine Suchstrategie, die mehr einer Irrfahrt gleicht. Manchmal spricht man in diesem Zusammenhang auch vom »Zufallspfad« oder vom drunken walk (Weg eines Betrunkenen), weil er sich wie bei einem Trinker, der die Kneipe verlässt, hierhin und dorthin wendet, ehe er am Ende doch nach Hause findet. Aber Zufallspfade sind keine sehr effizienten Mittel, um irgendwohin zu gelangen: Ist die Wohnung des Betrunkenen weit entfernt, wacht er am nächsten Morgen vielleicht in einem Gebüsch auf der anderen Seite der Stadt auf. Ein Objekt, das sich auf Zufallspfaden bewegt, entfernt sich von seinem Ausgangspunkt, wobei die Entfernung proportional zur Quadratwurzel der verstrichenen Zeit ist. Ist der Betrunkene in einer Minute um einen Meter vorangekommen, hat er nach vier Minuten zwei Meter und nach neun Minuten erst drei Meter zurückgelegt. Angesichts eines so langsamen Vorankommens ist es nicht verwunderlich, dass sich Tiere und Mikroorganismen nur selten auf Zufallspfade begeben, um Nahrung oder Beute zu finden; sie greifen nur dann auf eine solche Strategie zurück, wenn keine anderen Möglichkeiten mehr zur Verfügung stehen. Man braucht nur eine Ameise in unbekanntem Gelände abzusetzen: Sobald sie auf eine Duftspur trifft, verlässt sie den Zufallspfad und folgt ihrer Nase.

Da die Energie des Excitons weder eine Nase noch die Fähigkeit zur Orientierung besitzt, glaubte man zunächst, sie würde sich mit der Strategie des Betrunkenen durch den Chlorophyllwald bewegen. Aber ein solches Szenario ist nicht besonders überzeugend, denn man weiß, dass das erste Ereignis der Photosynthese außerordentlich effizient abläuft. Die Energieübertragung vom eingefangenen Photon über das Antennenmolekül des Chlorophylls zum Reaktionszentrum kann sogar für sich in Anspruch nehmen, unter allen bekannten natürlichen oder künstlichen Reaktionen die höchste Effizienz aufzuweisen: Sie liegt nahe bei 100 Prozent. Unter optimalen Bedingungen gelangt nahezu jedes Energiepaket, das von einem Chlorophyllmolekül aufgenommen wird, ins Reaktionszentrum. Würden die Pakete dabei gewundene Wege einschlagen, müssten mit Sicherheit die meisten von ihnen verlorengehen. Warum findet die Photosynthese-Energie den Weg zu ihrem Bestimmungsort so viel besser als Betrunkene, Ameisen oder auch unsere energieeffizienteste Technologie? Das war eines der größten Rätsel in der Biologie.

Die Quantenschwebung

Der Zeitungsartikel, der im »Journal Club« des MIT zur Lachnummer wurde, ging auf einen Forschungsbericht[3] zurück; dessen leitender Autor war Graham Fleming, ein eingebürgerter US-Amerikaner. Fleming wurde 1949 im nordenglischen Barrow geboren und leitet heute an der University of California in Berkeley eine Arbeitsgruppe, die als weltweit führend auf ihrem Gebiet anerkannt ist. Man bedient sich dort einer leistungsfähigen Methode mit dem eindrucksvollen Namen »Zweidimensionale Fourier-Transform-Elektronenspektroskopie« oder kurz 2D-FTES. Mit ihr kann man in die innersten Strukturen und die Dynamik der kleinsten Molekülsysteme vordringen, indem man mit scharf fokussierten, kurzen Laserpulsen auf sie zielt. Die Arbeitsgruppe beschäftigte sich größtenteils nicht mit Pflanzen, sondern mit dem Fenna-Matthews-Olson- oder FMO-Protein, einem Photosynthesekomplex, der von grünen Schwefelbakterien produziert wird – diese photosynthetisch aktiven Mikroorganismen leben tief in schwefelreichen Gewässern wie dem Schwarzen Meer. Zur Untersuchung der Chlorophyllprobe beschossen die Wissenschaftler die Photosynthesekomplexe nacheinander mit drei Laser-Lichtpulsen. Die Pulse geben ihre Energie in Form sehr schneller, zeitlich genau abgegrenzter Wellen ab und erzeugen in der Probe ein Lichtsignal, das von Detektoren aufgenommen wird.

Abb. 4.7: Die Quantenschwebungen, die Graham Fleming und seine Kollegen 2007 in ihrem Experiment beobachteten. Wichtig ist nicht die unregelmäßige Form der Schwankungen, sondern die Tatsache, dass überhaupt Schwankungen auftreten.

Eine ganze Nacht lang stellte Greg Engel, einer der Autoren des Forschungsartikels, die Daten von Signalen, die Zeiträume von 50 bis 600 Femtosekunden[4] abdeckten, zu einer Kurve zusammen. Dabei entdeckte er ein an- und abschwellendes Signal, das mindestens 600 Femtosekunden lang oszilllierte (Abbildung 4.7). Die Schwankungen entsprechen dem Interferenzmuster mit hellen und dunklen Streifen im Doppelspaltexperiment oder der quantenmechanischen Entsprechung zu den pulsierenden Schallschwebungen, die man beim Stimmen eines Musikinstruments hört. Die »Quantenschwebung« zeigte, dass sich das Exciton nicht auf einem einzigen Weg durch das Chlorophylllabyrinth bewegte, sondern viele Routen gleichzeitig einschlug (Abbildung 4.8). Diese alternativen Wege verhalten sich ein wenig wie die Töne einer nahezu richtig gestimmten Gitarre: Sie erzeugen Schwebungen, wenn sie annähernd die richtige Länge haben.

Abb. 4.8: Das Exciton wandert auf mehreren Wegen gleichzeitig durch das FMO-Protein.

Aber wie gesagt: Eine solche Quantenkohärenz ist sehr empfindlich und lässt sich nur unter außerordentlichen Schwierigkeiten aufrechterhalten. War es wirklich denkbar, dass ein Mikroorganismus oder eine Pflanze die heldenhaften Anstrengungen der klügsten und besten Quantencomputer-Forscher am MIT übertreffen und die Dekohärenz in Schach halten konnte? Diese kühne Behauptung stellte Fleming in dem Artikel tatsächlich auf, und der »Quanten-Hokuspokus«, wie Seth Lloyd ihn nannte, führte am MIT dazu, dass sich bei den Mitgliedern des »Journal Clubs« die Nackenhaare sträubten. Die Arbeitsgruppe in Berkeley äußerte die Vermutung, dass der FMO-Komplex als Quantencomputer funktioniert und den schnellsten Weg zum Reaktionszentrum findet. Damit würde er eine schwierige Optimierungsaufgabe lösen, die dem berühmten mathematischen »Problem des Handlungsreisenden« ähnelt – einem Problem, das sich für Reisepläne, die mehr als eine Handvoll Bestimmungsorte einbeziehen, nur mit einem sehr leistungsfähigen Computer lösen lässt.[5]

Trotz ihrer Skepsis übertrugen die Mitglieder des »Journal Clubs« ihrem Kollegen Seth Lloyd die Aufgabe, die Behauptungen näher zu untersuchen. Zur allgemeinen Überraschung am MIT gelangte Lloyd mit seiner wissenschaftlichen Detektivarbeit tatsächlich zu der Schlussfolgerung, dass die Aussagen der Gruppe aus Kalifornien einen gewissen Wahrheitsgehalt haben. Bei den Schwebungen, die Flemings Gruppe im FMO-Komplex entdeckt hatte, handelte es sich tatsächlich um das charakteristische Kennzeichen einer Quantenkohärenz, und Lloyd zog daraus den Schluss, dass sich die Chlorophyllmoleküle einer neuartigen Suchstrategie bedienen, die er als quantum walk (»Quantenpfad«, »Quantenfahrt«) bezeichnete.

Welchen Vorteil die Quantenfahrt gegenüber der klassischen Irrfahrt hat, können wir einschätzen, wenn wir noch einmal zu unserem langsam vorankommenden Betrunkenen zurückkehren. Nun stellen wir uns vor, dass in der Kneipe, die er verlässt, ein Rohrbruch stattgefunden hat, so dass Wasser aus der Tür läuft. Im Gegensatz zu unserem Betrunkenen, der sich für einen einzigen Weg entscheiden muss, kommen die Wasserwellen aus der Bar in alle möglichen Richtungen voran. Unser betrunkener Fußgänger wird schon bald überholt, weil die Wasserwelle mit einer Geschwindigkeit durch die Straßen strömt, die einfach proportional zur verstrichenen Zeit ist und nicht zu ihrer Quadratwurzel. Wenn das Wasser also nach einer Sekunde einen Meter zurückgelegt hat, ist es nach zwei Sekunden bereits zwei Meter und nach drei Sekunden drei Meter vorangekommen, und so weiter. Und nicht nur das: Da es wie das Atom im Doppelspaltexperiment in alle möglichen Richtungen gleichzeitig fließt, kommt ein Teil der Wasserwelle in jedem Fall früher an der Wohnung des Betrunkenen an als der berauschte Wanderer selbst.

Flemings Aufsatz löste ebenfalls eine Welle aus, eine Welle der Überraschung und Verblüffung, die sich weit über den »Journal Club« am MIT hinaus verbreitete. Manche Kommentatoren beeilten sich aber darauf hinzuweisen, dass man die Experimente mit isolierten FMO-Komplexen durchgeführt hatte, die bis auf 77 Kelvin (das sind eisige – 196 Grad Celsius) gekühlt waren: Damit lag ihre Temperatur eindeutig weit unter allem, was mit der Photosynthese in Pflanzen oder überhaupt mit dem Leben vereinbar ist, gleichzeitig war sie aber auch so niedrig, dass die lästige Dekohärenz in Schach gehalten wurde. Welche Bedeutung hatten diese eisgekühlten Bakterien für die Vorgänge, die im warmen, chaotischen Inneren von Pflanzenzellen ablaufen?

Wenig später stellte sich aber heraus, dass sich die Quantenkohärenz nicht auf kalte FMO-Komplexe beschränkte. Im Jahr 2009 entdeckte Ian Mercer vom University College in Dublin die Quantenschwebungen auch in einem anderen bakteriellen Photosynthesesystem (kurz Photosystem), dem sogenannten Lichtsammelkomplex II (Light Harvesting Complex II oder kurz LHC2), der stark den Photosystemen von Pflanzen ähnelt. Dieses Mal gelang der Nachweis bei Umgebungstemperaturen, bei denen Pflanzen und Mikroorganismen normalerweise Photosynthese betreiben.[4] Im Jahr 2010 schließlich wies Greg Scholes von der University of Ontario Quantenschwebungen auch im Photosystem einer Gruppe von Meeresalgen nach (die im Gegensatz zu höheren Pflanzen keine Wurzeln, Stengel und Blätter haben); diese sogenannten Cryptophyten kommen auf der Erde in so großer Zahl vor, dass sie ebenso viel atmosphärischen Kohlenstoff fixieren (das heißt, der Atmosphäre Kohlendioxid entziehen) wie höhere Pflanzen.[5] Ungefähr zur gleichen Zeit wies Greg Engel die Quantenschwebungen noch einmal in dem FMO-Komplex nach, den er in Graham Flemings Labor untersucht hatte, dieses Mal aber bei höheren Temperaturen, bei denen Leben möglich ist.[6] Und nur falls jemand glaubt, das bemerkenswerte Phänomen sei auf Bakterien und Algen beschränkt: Tesa Calhoun und ihre Kollegen aus Flemings Labor in Berkeley entdeckten Quantenschwebungen kürzlich auch in einem anderen LHC2-System, nämlich dem aus Spinat.[7] LHC2 kommt in allen höheren Pflanzen vor; 50 Prozent des gesamten Chlorophylls auf der Erde ist in diese Komplexe eingebaut.

Bevor wir nun fortfahren, wollen wir kurz beschreiben, wie die von der Sonne stammende Energie des Excitons nach Feynmans Worten dazu dient, »diesen Sauerstoff vom Kohlenstoff abzuschlagen, und dann bleiben Kohlenstoff und Wasser übrig, und die bilden die Substanz des Baumes« – oder des Apfels.

Wenn genügend Energie im Reaktionszentrum eingetroffen ist, veranlasst sie ein besonderes Paar von Chlorophyllmolekülen (das P680 genannt wird), Elektronen abzugeben. In Kapitel 10 werden wir ein wenig mehr darüber erfahren, was sich im Reaktionszentrum abspielt, denn das ist ein faszinierender Ort, an dem möglicherweise noch ein anderer neuartiger Quantenprozess angesiedelt ist. Die Elektronen stammen aus Wasser (das, wir erinnern uns, auch in Feynmans Beschreibung der Photosynthese als weitere Zutat genannt wurde). Wie wir im letzten Kapitel erfahren haben, bezeichnet man den Vorgang, durch den irgendeine Substanz Elektronen einfängt, als Oxidation – der gleiche Prozess läuft auch beim Verbrennen ab. Wenn Holz beispielsweise an der Luft verbrennt, ziehen Sauerstoffatome Elektronen aus den Kohlenstoffatomen des Holzes heraus. Die Elektronen in der äußeren Umlaufbahn des Kohlenstoffatoms sind nur recht locker gebunden, und das ist der Grund, warum Kohlenstoff leicht brennt. Im Wasser dagegen werden sie sehr energisch festgehalten: Photosynthesesysteme sind in der ganzen Natur die einzigen Orte, an denen Wasser »verbrannt« wird und die Elektronen liefern.[6]

So weit, so gut: Dank der Energie, die im Chlorophyll von den Excitonen geliefert wird, haben wir jetzt einen Nachschub an freien Elektronen. Als Nächstes muss die Pflanze diese Elektronen an eine Stelle dirigieren, an der sie nutzbar gemacht werden können. Zuerst werden sie vom NADPH eingefangen, dem zelleigenen Elektronentransporter. Ein ähnliches Molekül namens NADH ist uns im vorherigen Kapitel bereits begegnet: Es war dort daran beteiligt, die aus Zucker und anderen Nährstoffen gewonnenen Elektronen in den energieliefernden Organellen der Zelle, den Mitochondrien, an die Enzyme der Atmungskette weiterzuleiten. Erinnern wir uns: Die eingefangenen Elektronen, die vom NADH an die Mitochondrien geliefert werden, fließen dort durch die Atmungskette mit ihren Enzymen und erzeugen damit eine Art elektrischen Strom, der dazu dient, Protonen durch eine Membran zu pumpen; der Rückfluss der Protonen, der daraufhin einsetzt, dient zur Herstellung des zelleigenen Energieträgers ATP. In einem ganz ähnlichen Prozess wird ATP auch in den Chloroplasten der Pflanzen erzeugt. Das NADPH schleust die mitgebrachten Elektronen in eine Kette aus Enzymen ein, die auf ganz ähnliche Weise Protonen durch die Chloroplastenmembran nach außen pumpt. Der Rückfluss dieser Protonen dient auch hier zur Herstellung von ADP-Molekülen, die im weiteren Verlauf viele Energie verbrauchende Prozesse der Pflanzenzelle antreiben können.

Die eigentliche Kohlenstofffixierung jedoch, der Prozess, durch den Kohlenstoffatome aus dem Kohlendioxid der Luft gewonnen werden und zum Aufbau energiereicher organischer Moleküle wie Zucker dienen, findet außerhalb des Thylakoids, aber noch innerhalb des Chloroplasten statt. Für ihn ist ein großes, sperriges Enzym namens RuBisCo zuständig, das vermutlich das häufigste Protein auf der Erde ist und das auch die größte Aufgabe hat: Es produziert weltweit nahezu die gesamte Biomasse. RuBisCo baut das Kohlenstoffatom, das aus dem Kohlendioxid herausgezogen wurde, in das Ribulose 1,5-bisphosphat ein, ein einfaches Zuckermolekül mit fünf Kohlenstoffatomen, das dadurch zu einem Zucker mit sechs Kohlenstoffatomen wird. Um das zu erreichen, bedient sich das Enzym der beiden Zutaten, die ihm angeliefert wurden: Elektronen (aus dem NADPH) und Energie (ATP). Beides sind Produkte der vom Licht angetriebenen Photosyntheseprozesse.

Der von RuBisCo erzeugte Zucker mit sechs Kohlenstoffatomen zerfällt sofort in zwei Zuckermoleküle mit jeweils drei Kohlenstoffatomen, die dann auf viele unterschiedliche Arten wieder zusammengefügt werden und schließlich alle Biomoleküle entstehen lassen, die einen Apfelbaum einschließlich der Äpfel ausmachen. Damit sind die unbelebte Luft und das Wasser von Neuengland mit Hilfe von Licht und einem kleinen Schuss Quantenmechanik zum lebenden Gewebe eines neuenglischen Baumes geworden.

Vergleicht man die Photosynthese in Pflanzen mit der im letzten Kapitel beschriebenen Zellatmung (Verbrennung von Nahrung), die in unseren eigenen Zellen stattfindet, so erkennt man, dass Tiere und Pflanzen unter der Oberfläche gar nicht so verschieden sind. Der wesentliche Unterschied liegt darin, woher wir und sie die Grundbausteine des Lebendigen beziehen. Beide brauchen Kohlenstoff, aber Pflanzen entnehmen ihn aus der Luft, während wir ihn aus organischen Zellen bekommen, insbesondere aus den Pflanzen selbst. Beide brauchen Elektronen zum Aufbau von Biomolekülen: Wir verbrennen organische Moleküle, um deren Elektronen einzufangen, Pflanzen nutzen das Licht und verbrennen mit seiner Hilfe das Wasser, um dessen Elektronen zu gewinnen. Und beide brauchen Energie: Wir gewinnen sie aus den energiereichen Elektronen, die wir aus der Nahrung erhalten und den Energieabhang der Atmung hinunterrollen lassen; Pflanzen fangen die Energie der Photonen von der Sonne ein. An allen diesen Prozessen sind Bewegungen von Elementarteilchen beteiligt, die den Regeln der Quantenwelt unterliegen. Offensichtlich bedient sich das Lebendige der Quantenprozesse.

Die Entdeckung der Quantenkohärenz in warmen, feuchten, turbulenten Systemen wie den Pflanzen und Mikroorganismen war für die Quantenphysiker ein gewaltiger Schock. Heute richten sich große Forschungsanstrengungen auf die Klärung der Frage, wie lebende Systeme im Einzelnen die empfindlichen Zustände der Quantenkohärenz schützen und nutzen. Auf dieses Rätsel werden wir in Kapitel 10 zurückkommen: Dort untersuchen wir einige sehr überraschende mögliche Antworten; manche davon könnten vielleicht sogar Physikern wie den Quantentheoretikern am MIT helfen, brauchbare Quantencomputer zu bauen, die nicht nur in der Tiefkühltruhe, sondern auf dem Schreibtisch funktionieren. Gleichzeitig werden solche Forschungsarbeiten wahrscheinlich die Anregung für eine neue Generation von künstlichen Photosynthesetechniken geben. Derzeit konkurrieren Solarzellen, die sich lose an den Prinzipien der Photosynthese orientieren, bereits mit den Silizium-Solarzellen um einen Anteil am Markt für erneuerbare Energien, aber bisher ist ihre Effizienz begrenzt, weil Energie auf den Transportwegen verlorengeht (sie kommen bestenfalls auf eine Effizienz von 70 Prozent, während der Schritt, durch den in der Photosynthese die Energie der Photonen eingefangen wird, mit nahezu 100-prozentiger Effizienz abläuft). Die von der Biologie inspirierte Übertragung der Quantenkohärenz auf Solarzellen hat das Potential, die Effizienz der Sonnenenergiegewinnung stark zu steigern und damit zu einer saubereren Welt beizutragen.

Zum Abschluss des Kapitels halten wir noch einmal einen Augenblick inne und denken darüber nach, wie wir unsere Kenntnisse über das Besondere am Leben erweitert haben. Denken wir noch einmal an die Quantenschwebungen, die Greg Engel zuerst am FMO-Komplex beobachtete: Sie zeigen, dass sich Teilchen innerhalb lebender Zellen als Wellen bewegen. Man ist leicht versucht, so etwas für Laborphänomene zu halten, die außerhalb der biochemischen Experimente keine Bedeutung haben. Die weitere Forschung hat jedoch gezeigt, dass sie tatsächlich auch in der Natur – in Blättern, Algen und Bakterien – existieren, und sie spielen eine – möglicherweise entscheidende – Rolle für den Aufbau unserer Biosphäre.

Dennoch erscheint uns die Quantenwelt sehr seltsam; oft wird behauptet, diese Seltsamkeit sei ein Symptom einer grundlegenden Spaltung zwischen der Welt, die wir um uns herum sehen, und ihren quantenmechanischen Grundlagen. In Wirklichkeit gibt es aber nur eine einzige Gruppe von Gesetzen, die über das Verhalten der Welt bestimmen: die Quantengesetze.[7] Die vertrauten Gesetze der Statistik und der Newton’schen Mechanik sind letztlich Quantengesetze, die durch eine Linse der Dekohärenz gegangen sind, wobei ihre seltsamen Aspekte (die der Grund sind, warum uns Quantenphänomene so seltsam erscheinen) ausgefiltert wurden. Gräbt man tiefer, so findet man im Kern der uns vertrauten Realität stets die Quantenmechanik.

Und das ist noch nicht alles: Manche makroskopischen Objekte sind tatsächlich empfindlich für Quantenphänomene, und die meisten dieser Objekte sind lebendig. Im vorangegangenen Kapitel war davon die Rede, wie sich Quantentunneleffekte in Enzymen auf ganze Zellen auswirken können. Hier haben wir uns mit der Frage beschäftigt, wie das erste Einfangen der Photonen, dem der größte Teil der Biomasse auf unserer Erde seine Existenz verdankt, offensichtlich von einer empfindlichen Quantenkohärenz abhängt, die über biologisch bedeutsame Zeiträume im warmen, aber hochgeordneten Inneren eines Blattes oder eines Mikroorganismus aufrechterhalten werden kann. Wieder erkennen wir Schrödingers Ordnung aus Ordnung, die in der Lage ist, Quantenereignisse einzufangen, und Jordans Verstärkung der Quantenphänomene in der makroskopischen Welt. Das Leben scheint auf dem Rand der Quantenwelt zu balancieren und von dort eine Brücke zur klassischen Welt zu schlagen.

Als Nächstes wenden wir unsere Aufmerksamkeit einem weiteren lebenswichtigen Prozess in unserer Biosphäre zu. Newtons Apfelbaum hätte keine Äpfel hervorbringen können, wenn seine Blüten nicht zuvor von Vögeln und Insekten – insbesondere Bienen – bestäubt worden wären. Aber die Bienen mussten die Apfelblüten erst einmal finden; zu diesem Zweck bedienten sie sich einer Fähigkeit, die heute viele Fachleute ebenfalls auf quantenmechanische Prozesse zurückführen: der Fähigkeit zu riechen.

5. Findet Nemos Heim!

Diese Nase zum Beispiel, von der noch kein Philosoph mit Verehrung und Dankbarkeit gesprochen hat, ist sogar einstweilen das delikateste Instrument, das uns zu Gebote steht: es vermag noch Minimaldifferenzen der Bewegung zu konstatieren, die selbst das Spektroskop nicht konstatiert.

Friedrich Nietzsche, Götzen-Dämmerung, 1889

Es scheint, als brächten sie uns eine gewisse Nachricht aus einer materiellen Realität.

Gaston Bachelard, La Formation de l’esprit scientifique, 1938

Die tödliche Seeanemone sitzt fest auf einem Korallenriff vor der Philippineninsel Isla Verde; zwischen ihren Armen stecken zwei kleine, orange-weiß gestreifte Fische: Falsche Clownfische, richtiger Orangeringel-Anemonenfische und noch richtiger Amphiprion ocellaris genannt. Einer der beiden, ein Weibchen, hat ein interessanteres Leben hinter sich als die meisten anderen Wirbeltiere, denn es war nicht immer weiblich. Wie alle Clownfische war es zu Beginn seines Lebens ein kleineres Männchen, das dem einen Weibchen in der Fischgruppe, die diese eine Anemone bewohnte, untergeordnet war. Clownfische haben eine strenge Sozialstruktur, und als Männchen hatte dieses Exemplar mit seinen Geschlechtsgenossen konkurriert, bis es sich schließlich gegenüber allen anderen durchsetzte und dann die Ehre hatte, sich mit dem einzigen Weibchen paaren zu dürfen. Als aber seine Partnerin von einem vorüberkommenden Aal gefressen wurde, reiften die Eierstöcke heran, die jahrelang untätig im Körper des Männchens gelegen hatten, die Hoden stellten ihre Funktion ein, und das Clownfischmännchen wurde zur »Königin«, bereit, sich mit dem nächsten Männchen der Hackordnung zu paaren.

Die Clownfische sind als Bewohner der Korallenriffe vom Indischen Ozean bis in den westlichen Pazifik weit verbreitet. Sie ernähren sich von Pflanzen, Algen, Plankton und Tieren, beispielsweise Weichtieren und kleinen Krebsen. Mit ihrer geringen Größe, der leuchtenden Färbung und dem Fehlen von Stacheln, scharfen Flossen, Haken oder Spitzen sind sie eine leichte Beute für Aale, Haie und andere Raubfische, die durch das Riff streifen. Wenn sie bedroht werden, wehren sie sich vor allem dadurch, dass sie schnell zwischen die Fangarme ihrer Heimatanemone schlüpfen, vor deren giftigen Stichen sie eine dicke Schleimschicht über ihren Schuppen schützt. Die Anemone profitiert ihrerseits von ihren farbenfrohen Untermietern, weil diese unerwünschte Eindringlinge wie weidende Falterfische fernhalten.

In diesem Umfeld bewegten sich die Clownfische, die bei uns vor allem durch den Animationsfilm Finding Nemo (Findet Nemo) bekannt wurden.[1] Nemos Vater Marlin steht vor der schwierigen Aufgabe, seinen Sohn zu finden, der aus seiner Heimat im Großen Barriereriff entführt und bis nach Sydney verschleppt wurde. Für echte Clownfische besteht die echte große Herausforderung aber darin, den Rückweg nach Hause zu finden.

Jede Anemone kann eine ganze Kolonie von Clownfischen beherbergen; zu dieser gehören ein dominantes Männchen und ein Weibchen sowie mehrere männliche Jungfische, die untereinander um die Rolle des Gefährten der Königin konkurrieren. Die ungewöhnliche Fähigkeit des dominierenden Männchens, nach dem Tod der »Königin« das Geschlecht zu wechseln – ein Vorgang, den man als »proterandrische Zwittrigkeit« bezeichnet –, dürfte eine Anpassung an das gefährliche Leben im Riff sein: Sie schafft die Möglichkeit, dass die Kolonie nach dem Tode des einzigen fortpflanzungsfähigen Weibchens überlebt, ohne den Schutz der Wirtsanemone verlassen zu müssen. Aber selbst wenn eine ganze Fischkolonie über Jahre in einer einzigen Anemone wohnen kann, müssen die Nachkommen der Clownfische irgendwann ihr sicheres Heim verlassen. Und irgendwann müssen sie auch den Weg zurück nach Hause finden.

Für die meisten Fische in den Korallenriffen ist der Vollmond das Signal zum Laichen.[2] Wenn der Mond über dem Ozean allmählich abnimmt, ist das Weibchen eifrig damit beschäftigt, einen Klumpen Eier abzulegen, der dann von dem dominanten Männchen befruchtet wird. Danach hat das Weibchen seine Pflicht getan; die Eier zu bewachen und räuberische Rifffische zu vertreiben, ist die Aufgabe des Clownfischmännchens. Nachdem er ungefähr eine Woche Wache gehalten hat, schlüpfen Hunderte von Larven aus den Eiern und werden von der Strömung mitgenommen.

Clownfischlarven sind nur wenige Millimeter lang und fast völlig durchsichtig. Ungefähr eine Woche treiben sie in den Meeresströmungen, wobei sie sich von Zooplankton ernähren. Eines weiß jeder, der schon einmal vor Korallenriffen getaucht ist: Wenn man sich mit einer Meeresströmung treiben lässt, ist man bald weit vom Ausgangspunkt entfernt; entsprechend können die Clownfischlarven viele Kilometer von ihrem Geburtsriff wegtreiben. Die meisten von ihnen werden gefressen, aber einige überleben. Diese wenigen Glücklichen schwimmen nach ungefähr einer Woche zum Meeresboden und verwandeln sich (wie unser Frosch in Kapitel 3) innerhalb eines Tages in ihre jugendliche Form, ein kleineres Abbild des ausgewachsenen Fisches. Da ihnen der Schutz durch die giftige Anemone fehlt, sind die leuchtend bunt gefärbten Jungfische stark durch Raubfische gefährdet, die sich in den Gewässern am Meeresboden herumtreiben. Um zu überleben, müssen sie schnell ein Korallenriff finden, das ihnen Zuflucht bietet.

Früher glaubte man, dass sich die Larven von Rifffischen mit den Meeresströmungen treiben lassen und dann ausschließlich durch Zufall in die Nähe eines geeigneten Riffs gespült werden. Diese Erklärung erschien allerdings nicht völlig plausibel, denn man wusste, dass die meisten Larven gute Schwimmer sind, und wenn man nicht weiß, wohin man will, ist das Schwimmen sinnlos. Im Jahr 2006 schließlich erstellte Gabriele Gerlach, eine Wissenschaftlerin des berühmten Marine Biological Laboratory in Woods Hole im US-Bundesstaat Massachusetts genetische Fingerabdrücke von Fischen, die in Abständen von 3 bis 23 Kilometern auf Riffen innerhalb des Großen Barriereriffs vor Australien lebten. Wie sie entdeckte, sind Fische, die dasselbe Riff bewohnen, untereinander enger verwandt als solche, die auf weiter entfernten Riffen zu Hause sind. Da die jungen Larven von Rifffischen von der Strömung über große Entfernungen verteilt werden, ist dieser Befund nur damit zu erklären, dass die ausgewachsenen Tiere zu dem Riff zurückkehren, an dem sie geboren wurden. Irgendwie muss jede Rifffischlarve eine Signatur in sich tragen, an der ihr Laichgebiet zu erkennen ist.

Aber woher wissen Fischlarven oder junge Clownfische, die so weit von ihrer Heimat weggetrieben wurden, in welche Richtung sie schwimmen müssen? Der Meeresboden liefert keine brauchbaren visuellen Signale. Es gibt dort keine Orientierungspunkte, sondern er sieht in allen Richtungen gleich aus: eine Sandwüste mit verstreuten Kieseln, Felsbrocken und gelegentlich einem wandernden Krebs. Das entfernte Korallenriff gibt wahrscheinlich auch keine akustischen Signale ab, die Entfernungen von mehreren Kilometern zurücklegen können. Ein weiteres Problem sind zudem die Strömungen selbst, denn ihre Fließrichtung ist je nach der Wassertiefe unterschiedlich, und unter Umständen lässt sich nur sehr schwer feststellen, ob sich die Wassersäule bewegt oder stillsteht. Auch spricht nichts dafür, dass die Clownfische einen Magnetkompass besitzen, der ihnen wie unserem Rotkehlchen auf seiner winterlichen Wanderung helfen könnte. Wie also finden sie ihren Weg?

Fische besitzen einen sehr empfindlichen Geruchssinn. Berühmt dafür sind die Haie, deren Gehirn zu zwei Dritteln für die Geruchswahrnehmung zuständig ist: Sie können einen Tropfen Blut noch aus mehr als einem Kilometer Entfernung riechen. Ob die Rifffische ihren Heimweg über den Geruch finden? Um diese Theorie zu überprüfen, entwickelte Gabriele Gerlach 2007 einen »olfaktorischen Zweikanal-Auswahltest«: Larven von Rifffischen wurden stromabwärts von zwei Wasserrinnen mit Meerwasser ausgesetzt; das Wasser in der einen stammte von dem Riff, in dem sie geschlüpft waren, das andere von einer weiter entfernten Korallenformation. Dann maß sie, welche Wasserrinne die Larven bevorzugten: die von zu Hause oder die von weiter weg?

Die Fischlarven schwammen regelmäßig in Richtung der Rinne mit dem Wasser des Riffs, an dem sie aus den Eiern geschlüpft waren. Sie konnten eindeutig zwischen dem Wasser des fremden und des bekannten Riffs unterscheiden, und zwar vermutlich aufgrund des unterschiedlichen Geruchs. Mit einer ähnlichen Versuchsanordnung konnte der Wissenschaftler Michael Arvedlund von der James Cook University im australischen Queensland nachweisen, dass Clownfische die Spezies ihrer Wirtsanemone am Geruch erkennen und von anderen unterscheiden, die sie nicht besiedeln. Noch bemerkenswerter war, was Daniella Dixson, ebenfalls von der James Cook University, beobachtete: Clownfische können zwischen Wasser, das von ihrem bevorzugten Lebensraum an Riffen zwischen pflanzenbewachsenen Inseln stammt, und dem weniger beliebten Wasser von küstenferneren Riffen unterscheiden. Es sieht wirklich so aus, als würden Nemo und andere Rifffische sich ihren Heimweg erschnuppern.

Die Fähigkeit von Tieren, sich mit Hilfe des Geruchssinns zu orientieren, ist legendär. Jedes Jahr sammeln sich vor den Flussmündungen an den Meeresküsten der ganzen Welt Millionen von Lachsen, um dann landeinwärts zu wandern und im Kampf gegen Strömungen, Stromschnellen, Wasserfälle und Sandbänke ihre Laichgründe zu erreichen. Wie bei den Clownfischen, so glaubte man auch hier, dass die Lachse einen geeigneten Fluss mehr oder weniger nach dem Zufallsprinzip auswählen. Dann aber, im Jahr 1939, markierte der Kanadier William A. Clemens insgesamt 469.326 junge Lachse, die er in einem Nebenfluss des Fraser-Flusssystems gefangen hatte. Jahre später fing er 10.958 markierte Fische, die in denselben Nebenfluss zurückgekehrt waren. In keinem anderen Nebenfluss wurde auch nur ein einziger markierter Lachs gefangen. Keiner hatte auf der Reise vom Ozean zum heimatlichen Wasserlauf die Orientierung verloren. Wie Lachse es schaffen, in Meer und Fluss die Richtung zu finden, war viele Jahre ein Rätsel. Dann äußerte Professor Arthur Hasler von der University of Wisconsin in Madison die Vermutung, die jungen Lachse würden einer Duftspur folgen; diese Theorie testete er 1954: Er fing im Issaquah River nicht weit von Seattle mehrere Hundert zurückkehrende Fische oberhalb einer Flussgabelung und transportierte sie stromabwärts in einen Bereich unterhalb der Gabelung. Die Lachse kehrten an der Gabelung regelmäßig in denselben Wasserlauf zurück, in dem man sie gefangen hatte. Wurden ihre Nasenöffnungen aber vor der Freilassung mit Wattestopfen blockiert, schwammen sie stromaufwärts bis zu der Gabelung und irrten dort hin und her – sie konnten sich nicht entscheiden, ob sie sich nach rechts oder nach links wenden sollten.

Vielleicht noch bemerkenswerter ist der Geruchssinn an Land, denn die Atmosphäre, in der sich die Duftstoffe verdünnen, hat ein noch sehr viel größeres Volumen als der Ozean. Außerdem herrschen in der Atmosphäre durch das Wetter stärkere Turbulenzen, so dass sich Geruchsmoleküle in Luft viel schneller verteilen als in Wasser. Andererseits ist der Geruchssinn aber für viele Landtiere lebensnotwendig: Er dient nicht nur dazu, den Weg nach Hause zu finden, sondern Tiere fangen mit seiner Hilfe auch Beute, flüchten vor natürlichen Feinden, finden Paarungspartner, geben Alarmsignale ab, kennzeichnen Reviere, lösen physiologische Veränderungen aus und kommunizieren. Diese ganze »Geruchslandschaft« ist für Menschen viel weniger gut zu erkennen: Wir nutzen häufig den schärferen Geruchssinn anderer Tiere, um solche Zeichen und Signale aufzuspüren. Hunde haben natürlich ein berühmtes Interesse an Gerüchen, und der Bluthund, dessen Geruchsepithel (später mehr darüber) 40-mal so groß ist wie unseres, ist zu Recht berühmt für seine Fähigkeit, der Duftspur eines ganz bestimmten Individuums zu folgen. Wir alle haben schon die Filme gesehen, in denen ein aufmerksamer Spürhund nur kurz am weggeworfenen Hemd eines geflohenen Verbrechers schnuppert und dann den Bösewicht über Moore, durch Wälder und über Bäche hinweg verfolgt. Auch wenn solche Geschichten vielleicht Erfindungen sind, ist die Fähigkeit des Hundes völlig real. Hunde können an einer Spur ablesen, in welche Richtung der Mensch oder das Tier sich bewegt hat, und folgen einer Duftspur auch dann noch, wenn sie schon mehrere Tage alt ist.

Wie verblüffend leistungsfähig der Geruchssinn vieler Tiere ist, können wir einschätzen, wenn wir daran denken, welche Leistungen ein Bluthund oder ein Clownfisch regelmäßig vollbringt. Betrachten wir zuerst einmal den Bluthund: Sein Geruchssinn ist darauf abgestimmt, winzige Mengen organischer Verbindungen aufzuspüren, beispielsweise die Buttersäure, die von Menschen und anderen Tieren abgegeben wird. Seine Nase ist dabei außerordentlich empfindlich: Würde man in einem Zimmer nur ein einziges Gramm Buttersäure verdunsten lassen, könnten wir Menschen ihren süßlich-ranzigen Geruch gerade eben wahrnehmen. Ein Hund dagegen entdeckt das gleiche Gramm der Verbindung auch dann noch, wenn ihre Dämpfe so weit verdünnt sind, dass sie die Luft über einer ganzen Stadt bis auf eine Höhe von 100 Metern erfüllen. Und dann denken wir noch einmal an die Clownfische oder die Lachse, die den Geruch ihrer viele Kilometer entfernten Heimat auch dann noch wahrnehmen, wenn er in den Weiten des Ozeans verdünnt ist.

Der Geruchssinn der Tiere ist aber nicht nur wegen seiner Empfindlichkeit bemerkenswert. Er verfügt auch über eine hochentwickelte Unterscheidungsfähigkeit. Hunde werden von Zollbeamten regelmäßig dazu eingesetzt, ein breites Spektrum verschiedener Duftstoffe aufzuspüren, von Drogen wie Marihuana und Kokain bis zu den chemischen Bestandteilen von Sprengstoffen wie C4 – und das häufig durch dichte Verpackungen und einen Koffer hindurch. Ebenso können sie zwischen den Gerüchen verschiedener Personen unterscheiden, selbst wenn es sich dabei um eineiige Zwillinge handelt. Wie schaffen sie das? Ist die Buttersäure, die einer von uns abgibt, nicht die gleiche Verbindung, die auch alle anderen ausschwitzen? Natürlich, aber neben der Buttersäure scheidet jeder von uns einen ganz eigenen, komplizierten Cocktail aus Hunderten von organischen Molekülen aus, und die damit geschaffene Spur unserer Gegenwart ist ebenso individuell wie unser Fingerabdruck. Hunde »sehen« unseren Duft-Fingerabdruck ebenso leicht, wie wir die Farbe eines Hemdes sehen. Auf ganz ähnliche Weise erkennen auch Clownfische oder Lachse den Duft ihrer Heimat, genau wie wir unsere Wohnstraße oder die Farbe unserer Haustür erkennen.

Aber Hunde, Lachse und Clownfische sind noch nicht die Spitzensportler der Geruchswahrnehmung. Der Geruchssinn eines Bären ist siebenmal empfindlicher als der eines Bluthundes; er wittert einen Tierkadaver noch aus 20 Kilometern Entfernung. Manche Nachtfalter orten Paarungspartner auf eine Entfernung von rund zehn Kilometern, Ratten riechen räumlich, Schlangen riechen mit der Zunge. All diese Fähigkeiten der Geruchswahrnehmung sind für Tiere, die Nahrung suchen, Paarungspartner finden und/oder natürliche Feinde meiden müssen, lebenswichtig. In ihrer Evolution hat sich eine Empfindlichkeit für flüchtige Stoffe entwickelt, die ihnen verrät, dass solche Ressourcen oder Gefahren in der Luft oder im Wasser in der Nähe sind. Für das Überleben von Tieren ist der Geruchssinn so wichtig, dass Verhaltensreaktionen auf Gerüche offenbar bei zahlreichen Arten fest verdrahtet sind. In Experimenten mit Wühlmäusen auf den Orkneyinseln konnte man nachweisen, dass sie Fallen meiden, die mit den Ausscheidungen räuberischer Wiesel präpariert waren, und das, obwohl es auf der Insel schon seit 5.000 Jahren keine Wiesel mehr gibt!

Wir Menschen haben angeblich einen viel schlechteren Geruchssinn als unsere Verwandten. Als der Homo erectus vor einigen Millionen Jahren seinen Oberkörper vom Waldboden erhob und aufrecht ging, erhob er auch die Nase über den Erdboden und seinen Duftreichtum. Danach wurden Sehen und Hören, die beide von einem höheren Standpunkt aus effizienter sind, zu den wichtigsten Informationsquellen. Die Schnauze der Menschen wurde kürzer, die Nasenöffnungen schrumpften, und in den meisten der rund tausend uralten Säugetiergene, die Geruchsrezeptoren codieren (später mehr darüber), sammelten sich Mutationen an. Was vielleicht traurig ist: Unsere Vorfahren verloren auch einen unterstützenden Geruchssinn, den andere Tiere aufgrund ihres Jacobson-Organs (auch Vomeronasalorgan oder kurz VMO genannt) besitzen: Dieses Organ hat die Aufgabe, Sexualpheromone wahrzunehmen.

Aber trotz unseres verringerten genetischen Repertoires von nur rund 300 Geruchsrezeptorgenen und unserer veränderten Anatomie ist auch bei uns ein überraschend guter Geruchssinn erhalten geblieben. Wir sind vielleicht nicht in der Lage, einen Partner oder eine Mahlzeit aus mehreren Kilometern Entfernung zu riechen, aber wir können immerhin rund 10.000 verschiedene Düfte unterscheiden, und wie Nietzsche feststellte, übertreffen wir »selbst das Spektroskop« beim Erkennen von Duftstoffen. Unsere Fähigkeit, Düfte zu beurteilen, gab Anlass zu einigen der größten Dichtungen (»Was uns Rose heißt, wie es auch hieße, würde lieblich duften!«, Shakespeare) und ist für unser Gefühl des Wohlbefindens und der Zufriedenheit von entscheidender Bedeutung.

Eine überraschend große Rolle hat unser Geruchssinn auch in der Menschheitsgeschichte gespielt. Schon die ältesten Texte sprechen von einer Wertschätzung für angenehme Aromen und von der Abscheu gegenüber fauligem Gestank. Orte der Anbetung und der inneren Einkehr wurden häufig mit Parfüms und Kräutern in einen angenehmen Duft gehüllt. Im Alten Testament erhält Mose von Gott den Befehl, einen Ort der Anbetung zu bauen: »Nimm dir Spezerei: Balsam, Stakte, Galbanum und reinen Weihrauch, vom einen so viel wie vom anderen, und mache Räucherwerk daraus, gemengt nach der Kunst des Salbenbereiters, gesalzen, rein, zum heiligen Gebrauch.«[1] Die alten Ägypter hatten sogar einen Gott der Parfüms: Nefertum war gleichzeitig auch der Gott der Heilkunst, also eine Art mystischer Aromatherapeut.

Der Zusammenhang zwischen Gesundheit und angenehmen Düften, und umgekehrt zwischen Krankheit, Vergänglichkeit und fauligem Gestank, verleitete vielfach zu der Annahme, es gebe einen kausalen Zusammenhang vom Geruch zur Gesundheit oder Krankheit, und nicht umgekehrt. So lehrte der große römische Arzt Galen, schlecht riechende Bettlaken, Matratzen und Decken könnten die Verunreinigung der Körperflüssigkeiten beschleunigen. Übelkeiterregende Ausdünstungen (Miasmen) aus Abwasserkanälen, Leichenhäusern, Jauchegruben und Sümpfen galten als Ursache vieler tödlicher Krankheiten. Umgekehrt glaubte man, dass angenehme Düfte die Krankheit abwehren; wenn Ärzte im mittelalterlichen Europa das Haus eines Pestkranken betraten, bestanden sie darauf, dass die Behausung gründlich gelüftet wurde und dass man Feuer entzündete, die mit Weihrauch, Myrrhe, Rosen, Gewürznelken und anderen aromatischen Kräutern angereichert wurden. Sogar das Gewerbe der Parfümhersteller widmete sich ursprünglich nicht der verschönernden Körperpflege, sondern der Desinfektion von Häusern.

Die Bedeutung des Geruchssinns beschränkt sich natürlich nicht auf die Wahrnehmung von Duftstoffen, die wir mit der Nase einatmen. Interessanterweise herrscht allgemein die Auffassung, dass auch unser Geschmackssinn in Wirklichkeit zu 90 Prozent Geruch ist. Wenn wir Lebensmittel schmecken, nehmen die Geschmacksrezeptoren auf Zunge und Gaumen die im Speichel gelösten chemischen Substanzen wahr; es gibt aber nur fünf Formen solcher Rezeptoren, die Kombinationen von nur fünf grundlegenden Geschmacksrichtungen erkennen: süß, sauer, salzig, bitter und umami (ein japanisches Wort, das so viel wie »angenehmer Geschmack« bedeutet). Flüchtige Duftstoffe jedoch, die aus Lebensmitteln und Getränken verdunsten, finden vom hinteren Teil unseres Rachens den Weg in die Nasenhöhle und aktivieren dort in den verschiedensten Kombinationen mehrere Hundert verschiedene Geruchsrezeptoren. Diese versetzen uns im Vergleich zu den Geschmacksrezeptoren weit besser in die Lage, zwischen Tausenden verschiedener Aromen zu unterscheiden und uns an den reichhaltigen Geschmacksnoten (die vorwiegend Düfte sind) von Wein, gewürztem Essen, Kräutern, Gewürzen oder Kaffee zu erfreuen. Und auch wenn wir im Gegensatz zu den meisten anderen Säugetieren nicht über den vomeronasalen Sinn verfügen, ist die große Parfümbranche ein Beleg dafür, dass Düfte für Partnerwerbung und Sexualität der Menschen weiterhin eine wichtige Rolle spielen. Freud erkannte sogar bei den meisten Menschen einen Zusammenhang zwischen sexueller Unterdrückung und der Sublimation von Gerüchen; dennoch behauptete er, es gebe »selbst in Europa«[3] Menschen, »die den starken Geruch der Genitalien besonders zu schätzen wissen«.[2]

Warum also nehmen Menschen, Hunde, Bären, Schlangen, Nachtfalter, Haie, Ratten und Clownfische solche Nachrichten »aus der materiellen Realität« wahr? Wie unterscheiden wir zwischen einer derart großen Vielfalt von Duftstoffen?

Die physikalische Realität der Düfte

Im Gegensatz zum Seh- und zum Hörsinn, die Informationen indirekt auf dem Weg der von einem Objekt zu uns dringenden elektromagnetischen Wellen oder Schallwellen aufnehmen, stammt die Information des Geschmacks- und des Geruchssinns aus dem unmittelbaren Kontakt zu dem wahrgenommenen Objekt (einem Molekül), das heißt, wir erhalten eine Nachricht »aus der materiellen Realität«. Geschmack und Geruch funktionieren offenbar nach ähnlichen Prinzipien. Die wahrgenommenen Moleküle sind entweder im Speichel gelöst oder schweben durch die Luft und werden dann von Rezeptoren auf der Zunge (Geschmack) oder im Riechepithel des Nasenhöhlendaches (Geruch) aufgenommen. Da Geruchsstoffe also flüchtig sein müssen, handelt es sich bei ihnen meist um recht kleine Moleküle.

Die Nase als solche spielt für den Geruch keine unmittelbare Rolle; sie leitet die Luft nur in Richtung des Geruchsepithels, das sich auf der Rückseite der Nasenhöhle befindet (Abbildung 5.1). Bei Menschen ist das ein recht kleines Gewebestück von rund drei Quadratzentimetern (ungefähr die Größe einer Briefmarke), es ist aber von Schleimdrüsen und Millionen olfaktorischer Neuronen bedeckt. Diese besonderen Nervenzellen sind für den Geruchssinn das, was die Stäbchen und Zapfen in der Netzhaut des Auges für das Sehen sind. Das Vorderende eines olfaktorischen Neurons erinnert ein wenig an einen Besen: Die Zellmembran an seinem Kopfende ist zu zahlreichen haarähnlichen Cilien gefaltet. Dieser Besen mit seinem Cilienbusch ragt aus der Zellschicht heraus und kann vorüberkommende Duftstoffmoleküle einfangen. Das Hinterende der Zelle gleicht dem Besenstiel: Es bildet das Axon der Zelle, das heißt die Nervenfaser, die sich durch einen kleinen Knochen auf der Rückseite der Nasenhöhle bis ins Gehirn erstreckt und dort mit einer als Riechkolben bezeichneten Region verknüpft ist.

Abb. 5.1: Die Anatomie der Geruchswahrnehmung.

Den Rest dieses Kapitels sollte man am besten mit einer Orange auf dem Tisch lesen, vielleicht bereits in Stücke geschnitten, so dass ihre würzigen Düfte freigesetzt werden und durch die Nase bis zum Geruchsepithel wandern. Vielleicht stecken Sie sich auch ein Stück in den Mund, damit die flüchtigen Duftstoffe den Weg durch den hinteren Teil des Rachens zum gleichen Gewebe finden. Wie alle natürlichen Gerüche, so ist auch der Duft einer Orange sehr komplex: Er entsteht durch Hunderte von flüchtigen Verbindungen, zu den am stärksten duftenden gehört aber das Limonen[4] (mit langem »e« gesprochen), und seinen Weg werden wir jetzt vom Molekül bis zur Duftwahrnehmung verfolgen.

Wie der Name schon andeutet, ist Limonen in großen Mengen in Zitrusfrüchten wie Orangen und Zitronen enthalten; es ist der wichtigste Träger ihres würzigen Duftes und Geschmacks. Die Substanz gehört zur Verbindungsklasse der Terpene, den duftenden Bestandteilen in den Essenzen vieler Pflanzen und Blüten; sie erzeugen beispielsweise die reichhaltigen Aromen von Kiefern, Rosen, Weintrauben und Hopfen. Wer mag, kann also die Orange auch gegen ein Glas Bier oder Wein austauschen. Limonen wird in vielen Teilen der Zitruspflanze gebildet, die größten Mengen befinden sich aber in den Schalen der Früchte. Wenn man die Schalen auspresst, erhält man nahezu reines Limonen.

Limonen ist eine flüchtige Flüssigkeit, die bei Raumtemperatur allmählich verdunstet; die Orange gibt also Millionen Limonenmoleküle in die umgebende Luft ab. Die meisten davon schweben durch den Raum und durch Tür oder Fenster nach draußen, einige treiben aber mit den Luftströmungen auch in die Nähe unserer Nase. Beim nächsten Atemzug saugen wir mehrere Liter dieser duftstoffbeladenen Luft ein; sie strömt durch die Nasenöffnungen und am Nasenepithel vorüber, das mit ungefähr zehn Millionen olfaktorischen Neuronen besetzt ist.

Einige der Limonenmoleküle, die an den Besen des Geruchsepithels vorüberwehen, werden von den olfaktorischen Neuronen eingefangen. Schon ein einziges festgehaltenes Limonenmolekül reicht aus, damit sich in der Zellmembran des Neurons ein winziger Kanal öffnet, der positiv geladene Calciumionen aus der Umgebung in die Zelle strömen lässt. Wenn ungefähr 35 Limonenmoleküle eingefangen wurden, summiert sich der nachfolgende Strom der Ionen in die Zelle zu einem winzigen elektrischen Strom von insgesamt ungefähr einem Picoampere[5]. Dieser Strom wirkt wie ein Schalter, der ein elektrisches Signal einschaltet, das sogenannte Aktionspotential (Näheres darüber werden wir in Kapitel 8 erfahren), das nun durch den Stiel der besenförmigen Zelle läuft, das Axon. Das Signal wandert bis zum Riechkolben im Gehirn. Nach weiterer Verarbeitung erleben wir dann die »Nachricht aus einer materiellen Realität« als würzigen Orangenduft.

Das entscheidende Ereignis in dem ganzen Ablauf ist natürlich das Einfangen des Duftstoffmoleküls durch das Geruchsneuron. Wie funktioniert das? In Analogie zum Sehen und den lichtempfindlichen Stäbchen und Zapfen im Auge (die ebenfalls spezielle Neuronentypen sind) rechnete man damit, dass der Geruchssinn ebenfalls durch Geruchsrezeptoren an der Zelloberfläche vermittelt wird. In den 1970er Jahren jedoch waren Wesen und Identität der Geruchsrezeptoren noch völlig unbekannt.

Richard Axel wurde 1948 im New Yorker Stadtteil Brooklyn geboren. Er war das älteste Kind polnischer Einwanderer, die vor den Nazis geflohen waren. Seine Kindheit war für das Stadtviertel typisch: Er erledigte Botengänge für seinen Vater, der Schneider war, und spielte auf den Straßen und Höfen der Gegend Stickball (eine Art Straßen-Baseball mit Kanaldeckeln als Base und einem Besenstiel als Schläger) oder Basketball. Mit elf Jahren trat er seine erste Tätigkeit als Bote an: Er lieferte Gebisse an Zahnärzte aus; mit zwölf verlegte er Teppichböden, und mit 13 servierte er in einem benachbarten Feinkostgeschäft Corned Beef und Pastrami. Sein Chef, ein Russe, rezitierte Shakespeare, während er die Kohlköpfe schnippelte, und brachte den kleinen Richard damit erstmals in Kontakt zur Welt der Kultur jenseits von Delikatessen und Basketball; damit weckte er bei dem Jungen eine tiefe, anhaltende Liebe zur großen Literatur. Axels intellektuelle Begabung fiel auch einem örtlichen Highschool-Lehrer auf, und der ermutigte ihn, sich an der New Yorker Columbia University um ein Stipendium für ein Literaturstudium zu bewerben. Die Bewerbung hatte Erfolg.

Als Studienanfänger stürzte sich Axel in das intellektuelle Chaos des universitären Lebens der 1960er Jahre. Aber um seine feierfreudige Lebensweise zu finanzieren, jobbte er in einem molekularbiologischen Labor in der Spülküche für Glasgeräte. Die Wissenschaft, die damals gerade aufblühte, faszinierte ihn, aber im Spülen von Glasgeräten war er ein hoffnungsloser Fall, also wurde er in dem Job gefeuert. Stattdessen stellte man ihn als Forschungsassistenten wieder an. Hin- und hergerissen zwischen Literatur und Naturwissenschaft, entschloss er sich schließlich, sich in einem Fortgeschrittenenkurs für Genetik einzuschreiben, dann aber wechselte er zum Medizinstudium, um der Einberufung für den Vietnamkrieg zu entgehen. Als Arzt war er offenbar ebenso schlecht wie als Glasgerätewäscher. Er konnte weder Herzgeräusche hören, noch sah er jemals die Netzhaut; einmal fiel ihm seine Brille in einen aufgeschnittenen Bauch, und es gelang ihm sogar, einen Finger des Chirurgen am Patienten festzunähen. Am Ende bestand er sein Examen nur unter der Bedingung, dass er versprach, nie als Mediziner an lebenden Patienten zu praktizieren. Er kehrte an die Columbia University zurück und studierte Pathologie, aber nach einem Jahr bestand der Institutsleiter darauf, dass er auch nicht an toten Patienten praktizierte.

Als Axel klargeworden war, dass die Medizin außerhalb seiner Begabungen lag, gelang es ihm schließlich, an der Columbia University die Forschung wiederaufzunehmen. Von jetzt an machte er schnelle Fortschritte und erfand sogar ein neuartiges Verfahren, um fremde DNA in Säugetierzellen einzuschleusen. Seine Methode wurde gegen Ende des 20. Jahrhunderts zu einer tragenden Säule der Gentechnik-Biotechnologie-Revolution und brachte der Columbia University Hunderte Millionen Dollar an Lizenzeinnahmen – eine üppige Rendite des Betrages, den die Hochschule in seine Ausbildung investiert hatte.

In den 1980er Jahren stellte sich Axel die Frage, ob die Molekularbiologie dazu beitragen könnte, das größte aller Rätsel – Wie funktioniert das Gehirn des Menschen? – zu lösen. Von nun an untersuchte er nicht mehr das Verhalten von Genen, sondern Gene für das Verhalten; langfristig verfolgte er damit das Ziel, »zu analysieren, wie die höheren Gehirnzentren ein ›Wahrnehmungsobjekt‹ erzeugen, beispielsweise den Duft des Flieders, des Kaffees oder eines Stinktiers …«[3] Sein erster Ausflug in die Neurowissenschaft bestand darin, dass er das Eierlegeverhalten einer Spezies von Meeresschnecken untersuchte. Ungefähr zur gleichen Zeit kam Linda Buck in sein Institut, eine höchst begabte Wissenschaftlerin. Sie hatte zuvor an der Universität Dallas Immunologie studiert und war fasziniert von dem neuen Fachgebiet der molekularen Neurowissenschaft. Um dort an der vordersten Front mitzuarbeiten, wechselte sie in Axels Labor. Gemeinsam entwickelten Axel und Buck eine geniale Versuchsreihe, mit der sie die molekularen Grundlagen der Geruchswahrnehmung aufklären wollten. Als Erstes gingen sie der Frage nach, worum es sich bei den Rezeptormolekülen handelt, die vermutlich auf der Oberfläche der olfaktorischen Neuronen liegen und verschiedene Duftstoffmoleküle einfangen und identifizieren können. In Analogie zu dem, was man über andere Sinneszellen wusste, gingen sie von der Vermutung aus, dass es sich bei den Rezeptoren um Proteine handelt, die aus der Zellmembran ragen und vorüberkommende Duftstoffmoleküle binden können. Damals hatte aber noch niemand einen solchen Geruchsrezeptor isoliert, und deshalb hatte auch niemand eine Ahnung, wie diese Proteine aussehen oder wie sie funktionieren könnten. Als einzigen Ausgangspunkt hatte das Team die Vermutung, dass die schwer fassbaren Rezeptoren zu einer Proteinfamilie gehören könnten, die man als »G-Protein-gekoppelte Rezeptoren« bezeichnet; solche Proteine waren bekanntermaßen auch an der Wahrnehmung anderer chemischer Signale beteiligt, zum Beispiel der Hormone.

Linda Buck gelang es, eine ganz neue Familie von Genen zu identifizieren, die derartige Rezeptoren codieren; exprimiert[6] wurden sie nur in den Geruchsrezeptorneuronen. Anschließend konnte sie nachweisen, dass diese Gene tatsächlich die schwer fassbaren duftstofffangenden Rezeptoren codieren. Wie sich bei weiteren Analysen herausstellte, codiert das Genom der Ratte ungefähr tausend der neu identifizierten Rezeptoren; dabei unterscheidet sich jeder ein wenig von den anderen, und jeder ist vermutlich auf die Wahrnehmung eines einzigen Duftstoffes abgestimmt. Menschen besitzen eine ähnliche Zahl von Geruchsrezeptorgenen, aber zwei Drittel davon sind zu sogenannten Pseudogenen degeneriert, einer Art genetischer Fossilien, in denen sich so viele Mutationen angesammelt haben, dass sie nicht mehr funktionieren.

Aber ob es nun 300 oder 1.000 Rezeptorgene sind, beide Zahlen liegen weit von den 10.000 verschiedenen Düften entfernt, die selbst ein Mensch identifizieren kann. Ganz offensichtlich bestand keine Eins-zu-eins-Beziehung zwischen den Typen der Geruchsrezeptoren und den Gerüchen selbst. Wie die Signale, die das Gehirn von den Geruchsrezeptoren empfängt, in eine Duftwahrnehmung verwandelt werden, blieb also ein Rätsel. Ebenso war nicht klar, wie verschiedene Zellen die Aufgabe, die gesamte Vielfalt der Duftstoffmoleküle wahrzunehmen, untereinander aufteilen. Im Genom jeder Zelle liegt die vollständige Ausstattung mit Geruchsrezeptorgenen, das heißt, sie könnte potentiell jeden Geruch wahrnehmen. Oder gibt es eine Art Arbeitsteilung? Um solche Fragen zu beantworten, entwickelte die Arbeitsgruppe an der Columbia University ein noch genialeres Experiment. Die Wissenschaftler nahmen an Mäusen genetische Veränderungen vor, die dazu führten, dass sich alle Geruchsneuronen, die einen bestimmten Geruchsrezeptor produzierten, blau färbten. Wurden alle Zellen blau, war das ein Hinweis, dass alle diesen Rezeptor exprimierten. Als das Team die Geruchszellen der gentechnisch veränderten Mäuse untersuchte, zeigte sich ein klares Ergebnis: Nur ungefähr jeweils eine von 1.000 Zellen war blau gefärbt. Offensichtlich war jedes einzelne Geruchsneuron kein Generalist, sondern ein Spezialist.

Wenig später verließ Linda Buck die Columbia University und baute an der Harvard University ein eigenes Labor auf. Die beiden Teams arbeiteten weiterhin parallel daran, die verbliebenen Geheimnisse der Geruchswahrnehmung aufzuklären. Schon nach kurzer Zeit entwickelten sie Verfahren, mit denen man einzelne Geruchsneuronen isolieren und ihre Empfindlichkeit für bestimmte Duftstoffe wie das Limonen aus unserer Orange gezielt messen konnte. Wie sich dabei herausstellte, aktiviert jeder Duftstoff nicht nur ein Neuron, sondern mehrere; außerdem sprechen einzelne Neuronen auf mehrere verschiedene Duftstoffe an. Mit diesen Befunden war offensichtlich das Rätsel gelöst, wie nur 300 Geruchsrezeptoren 10.000 verschiedene Düfte identifizieren können. Genau wie man 26 Buchstaben auf viele verschiedene Arten kombinieren und so jedes Wort in diesem Buch schreiben kann, so können auch einige Hundert Geruchsrezeptoren in Billionen verschiedenen Kombinationen aktiviert werden und liefern so das breite Spektrum der Duftwahrnehmungen.

Für ihre bahnbrechenden Entdeckungen der »Geruchsrezeptoren und der Organisation des olfaktorischen Systems« erhielten Richard Axel und Linda Buck 2004 gemeinsam den Nobelpreis.

Ein Schlüssel für das Geruchsschloss

Die Wahrnehmung eines Duftes, beispielsweise einer Orange, eines Korallenriffs, eines Paarungspartners, eines Raub- oder Beutetiers, beginnt nach heutiger Kenntnis mit der Bindung eines einzigen Duftstoffmoleküls an einen einzigen Duftrezeptor auf der Oberfläche des »Besen«-Endes eines olfaktorischen Neurons. Aber wie erkennt jeder Rezeptor »seine« Gruppe von Duftstoffmolekülen wie das Limonen, während er alle anderen aus dem chemischen Ozean der möglichen Duftstoffe, die am Geruchsepithel vorüberschweben, nicht einfängt und bindet?

Das ist das zentrale Rätsel der Geruchswahrnehmung.

Die herkömmliche Erklärung geht von einem Schlüssel-Schloss-Mechanismus aus. Man nimmt an, dass die Duftstoffmoleküle zu den Geruchsrezeptoren passen wie ein Schlüssel zu einem Schlüsselloch. Das Limonenmolekül zum Beispiel, so glaubte man, gleitet in einen genau passenden, spezialisierten Geruchsrezeptor. Durch einen unbekannten Prozess sollte dieser Bindungsvorgang das Schloss des Rezeptors öffnen und die Freisetzung eines sogenannten G-Proteins in Gang setzen, das normalerweise auf der Membraninnenseite an den Rezeptor gebunden ist wie ein Torpedo an den Rumpf eines Schiffes. Nachdem das Torpedoprotein in die Zelle abgeschossen wurde, findet es den Weg zur Zellmembran und öffnet dort einen Kanal, der elektrisch geladene Moleküle in die Zelle fließen lässt. Dieser elektrische Strom durch die Membran veranlasst das Neuron, zu »feuern« (mehr darüber in Kapitel 9) und ein Nervensignal zu senden, das den Weg vom Riechepithel zum Gehirn zurücklegt.

Der Schlüssel-Schloss-Mechanismus setzt voraus, dass die Rezeptormoleküle in ihrer Form genau den Duftstoffmolekülen entsprechen, so dass diese in sie hineinpassen. Eine einfache Analogie sind die Passform-Spiele, an denen Kleinkinder ihren Spaß haben: Ein Klotz, der eine bestimmte Form hat (beispielsweise ein Kreis, ein Quadrat oder ein Dreieck) muss in ein Holzbrett gesteckt werden, in dem die entsprechende Form ausgeschnitten ist. Unser Duftstoffmolekül können wir uns wie einen solchen Klotz vorstellen: Dann ist beispielsweise der Orange-Duftstoff Limonen ein Kreis, der Apfel-Duftstoff ein Quadrat und der Bananen-Duftstoff ein Dreieck. Man kann sich vorstellen, dass jeder Geruchsrezeptor über eine Duftstoff-Bindungsstelle verfügt, in deren Form das Duftstoffmolekül genau hineinpasst.

Natürlich haben echte Moleküle nur selten derart hübsch ordentliche Formen; deshalb nimmt man an, dass die echten Rezeptorproteine viel kompliziertere Öffnungen haben, damit sie zu den komplizierteren Formen der echten Duftstoffmoleküle passen. In den meisten Fällen handelt es sich dabei wahrscheinlich um komplexe Formen ähnlich den aktiven Zentren der Enzyme, die die Substratmoleküle binden. Man nimmt sogar an, dass die Duftstoffmoleküle mit ihrer Bindungsstelle auf ganz ähnliche Weise in Wechselwirkung treten wie Enzymsubstrate mit den aktiven Zentren der Enzyme (Abbildung 3.4, S. 97) oder auch wie Medikamente mit Enzymen. Einige Forscher sind sogar der Ansicht, bessere Kenntnisse über die Bedeutung der Quantenmechanik für die Interaktionen zwischen Duftstoffen und ihren Rezeptoren würden irgendwann zur gezielten Konstruktion effizienterer Medikamente (»drug design«) führen.

In jedem Fall sagt die Theorie der passenden Formen voraus, dass es irgendeinen Zusammenhang zwischen der Molekülform eines Duftstoffs und seinem Geruch geben sollte: Ähnlich geformte Duftstoffmoleküle sollten ähnlich riechen, und sehr unterschiedlich gestaltete Moleküle sollten sich auch in ihrem Duft stark unterscheiden.

Zu den am meisten gefürchteten Gerüchen der Menschheitsgeschichte gehören die von Senf oder verfaultem Heu in den Schützengräben des Ersten Weltkrieges. Unsichtbare Gase trieben über das Niemandsland, und wenn ein Soldat auch nur einen Anflug von Senf (Senfgas) oder verfaultem Heu (Phosgen) in die Nase bekam, wusste er, dass ihm nur noch wenige Sekunden blieben, um seine Gasmaske aufzusetzen, bevor die tödliche Verbindung in seine Lunge eindrang. Der Chemiker Malcolm Dyson überlebte einen Senfgasangriff, das heißt, er hatte den lebensrettenden Wert einer empfindlichen Nase erfahren, und vielleicht veranlasste ihn das, intensiver über die Natur der Düfte nachzudenken: Nach dem Krieg synthetisierte er viele Industriechemikalien und schnupperte an den Produkten seiner Synthesereaktionen. Zu Dysons Verblüffung fand er aber keinen erkennbaren Zusammenhang zwischen der Form eines Moleküls und seinem Geruch. So riechen viele Moleküle mit ganz unterschiedlicher Form, beispielsweise die Verbindungen in Abbildung 5.2 a–d, gleich – nämlich in diesem Fall nach Moschus.[7] Umgekehrt riechen Verbindungen mit sehr ähnlichen Molekülstrukturen (wie die Verbindungen e und f in der Abbildung) häufig sehr unterschiedlich – in diesem Fall riecht die Verbindung f wie Urin, die Verbindung e dagegen riecht überhaupt nicht.[4]

Dass zwischen der Form eines Moleküls und seinem Geruch kein einfacher Zusammenhang besteht, war und ist bis heute ein großes Problem für die industriellen Hersteller von Parfüms, Aromen und Düften. Sie können ein Parfüm nicht auf die gleiche Weise gestalten wie die Parfümflasche, sondern müssen drauflos synthetisieren und dann Chemiker wie Dyson den Geruchstest machen lassen. Aber Dyson fiel auf, dass bestimmte Duftgruppen (also Substanzen, die gleich riechen) häufig aus Verbindungen bestehen, in denen die gleichen chemischen Gruppen vorkommen, beispielsweise das Sauerstoffatom, das in den nach Moschus riechenden Verbindungen in Abbildung 5.2 immer über eine C=O-Doppelbindung an ein Kohlenstoffatom gebunden ist. Solche chemischen Gruppen sind Bestandteile aller großen Moleküle und bestimmen viele ihrer Eigenschaften, offensichtlich auch, wie Dyson feststellte, den Geruch. Eine andere Gruppe von Verbindungen mit ähnlichem Geruch sind die vielen in ihrer Molekülform ganz unterschiedlichen Substanzen, die eine Schwefelwasserstoffgruppe (S-H) enthalten, das heißt eine Gruppe, in der ein Wasserstoffatom an ein Schwefelatom gebunden ist: Sie alle haben den charakteristischen Geruch von faulen Eiern. Daraufhin äußerte Dyson die Vermutung, dass unsere Nase nicht die Form der ganzen Moleküle wahrnimmt, sondern ein ganz anderes physikalisches Merkmal, nämlich die Frequenz, mit der die Molekülbindungen zwischen ihren Atomen schwingen.

Abb. 5.2: Die Moleküle (a) bis (d) sind sehr unterschiedlich geformt, riechen jedoch mehr oder weniger gleich. Die Moleküle (e) und (f) haben fast die gleiche Form, aber einen sehr unterschiedlichen Geruch.

Als Dyson Ende der 1920er Jahre erstmals solche Behauptungen aufstellte, hatte niemand eine Ahnung, wie man Molekülschwingungen nachweisen soll. Bis der indische Physiker Chandrasekhara Venkata Raman während einer Europareise Anfang der 1920er Jahre begeistert von »dem wunderschönen blauen Leuchten des Mittelmeeres« spekulierte, dieses Phänomen könne »seinen Ursprung der Lichtstreuung durch die Wassermoleküle verdanken«. Wenn Licht von einem Atom oder Molekül abprallt, geschieht das normalerweise »elastisch«, das heißt ohne Energieverlust wie bei einem Hartgummiball, der von einer festen Oberfläche abprallt. Raman äußerte die Vermutung, Licht könne in seltenen Fällen »inelastisch« gestreut werden, das heißt wie ein harter Ball, der auf einen hölzernen Schläger trifft und einen Teil seiner Energie auf diesen und den Schlagmann überträgt (denken Sie an den Zeichentrickhasen Bugs Bunny, der einen Baseball so hart schlägt, dass er sowohl den Schläger als auch sich selbst in Schwingungen versetzt). Auf ähnliche Weise verlieren die Photonen bei der inelastischen Streuung einen Teil ihrer Energie an die molekularen Bindungen, mit denen sie zusammenstoßen, und versetzen sie in Schwingungen; deshalb kommt das gestreute Licht mit weniger Energie wieder heraus. Vermindert sich die Energie von Licht, sinkt auch seine Frequenz, und seine Farbe verschiebt sich zum blauen Ende des Spektrums – die Ursache für Ramans »wunderschönes blaues Leuchten«.

Chemiker nutzen dieses Prinzip, um Molekülstrukturen zu analysieren. Dazu lässt man das Licht auf eine Probe der fraglichen Verbindung fallen, der Unterschied der Farbe oder Frequenz (und damit der Energie) zwischen einfallendem und austretendem Licht wird als Raman-Spektrum der jeweiligen Verbindung aufgezeichnet und stellt eine Art Signatur ihrer chemischen Bindungen dar. Die Methode wird nach ihrem Erfinder als Raman-Spektroskopie bezeichnet und brachte ihm einen Nobelpreis ein. Als Dyson von Ramans Arbeiten hörte, erkannte er, dass dies vielleicht der Mechanismus sein könnte, mit dem die Nase die molekularen Schwingungen der Geruchsmoleküle wahrnimmt. Vielleicht, so mutmaßte er, sei die Nase ein Spektroskop, das in der Lage ist, die charakteristischen Schwingungsfrequenzen der verschiedenen chemischen Bindungen wahrzunehmen. Er identifizierte in den Raman-Spektren verschiedener Verbindungen sogar häufig wiederkehrende Sequenzen, die mit ihrem Geruch in Zusammenhang stehen. So findet man beispielsweise bei allen Mercaptanen (Verbindungen, die eine endständige Schwefel-Wasserstoff-Bindung enthalten) einen charakteristischen Raman-Gipfel mit einer Frequenz von 2.567 bis 2.580. Und alle stinken nach faulen Eiern.

Dysons Theorie lieferte zumindest eine Erklärung für den analytischen Aspekt der Gerüche, aber niemand hatte auch nur die geringste Ahnung, wie unsere Nase sich so etwas wie die Raman-Spektroskopie zunutze machen kann, um Geruchsempfindungen zu liefern. Schließlich müsste dazu das gestreute Licht nicht nur eingefangen und durch eine Art biologisches Spektroskop analysiert werden, sondern es müsste auch überhaupt erst einmal eine Lichtquelle geben.

Eine noch schwerwiegendere Schwäche von Dysons Theorie wurde deutlich, als man entdeckte, dass die Nase ohne weiteres zwischen Molekülen unterscheiden kann, die genau die gleiche chemische Struktur und identische Raman-Spektren haben, sich zueinander aber verhalten wie Bild und Spiegelbild. Das Limonen zum Beispiel, das im Wesentlichen für den Geruch unserer Orange verantwortlich ist, kann man als rechtshändiges Molekül bezeichnen. Es gibt aber ein nahezu identisches Molekül namens Dipenten, das ein »linkshändiges« Spiegelbild des Limonens darstellt (siehe Abbildung 5.3; der spitz zulaufende, graue Bereich im unteren Teil repräsentiert jeweils eine Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindung, die entweder nach unten (a) oder nach oben (b) aus der Papierebene herausragt). Dipenten enthält dieselben molekularen Bindungen wie Limonen und liefert deshalb dasselbe Raman-Spektrum, hat aber einen ganz anderen Geruch: Es riecht wie Terpentin. Moleküle, von denen es eine solche links- und rechtshändige Form gibt, nennt man chiral[8], und häufig haben sie ganz unterschiedliche Gerüche. Eine andere chirale Verbindung ist das Carvon, das in den Samen von Dill und Kümmel vorkommt und für den typischen Kümmelgeruch verantwortlich ist; sein Spiegelbild dagegen riecht wie Pfefferminze. Mit der Raman-Spektroskopie kann man zwischen den beiden Verbindungen nicht unterscheiden, mit einem kurzen Schnuppern dagegen gelingt es leicht. Der Geruch kann also eindeutig nicht oder zumindest nicht ausschließlich auf der Wahrnehmung von Molekülschwingungen beruhen.

Abb. 5.3: Die Moleküle von Limonen (a) und Dipenten (b) sind spiegelbildlich gebaut, riechen aber sehr unterschiedlich. Die Moleküle unterscheiden sich nur durch die Orientierung der unteren Gruppe, die in dieser Darstellung beim Limonen unter die Papierebene (Bindung zeigt nach unten) und beim Dipenten über sie hinaus (Bindung zeigt nach oben) ragt. Natürlich könnte man das Dipentenmolekül umdrehen, so dass seine chemische Bindung unter die Papierebene weist, aber dann liegt die Doppelbindung nicht rechts, sondern links – das Molekül wäre also immer noch anders gebaut. Die Moleküle verhalten sich wie ein rechter und ein linker Handschuh.

Wegen dieser scheinbar tödlichen Schwächen wurde die Schwingungstheorie der Geruchswahrnehmung während der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts weitgehend von der Schlüssel-Schloss-Theorie verdrängt, obwohl ein paar begeisterte Anhänger der Molekülschwingungstheorie, darunter der kanadische Chemiker Robert H. Wright, für das Problem der links- und rechtshändigen Moleküle, die trotz gleicher Bindungen unterschiedlich riechen, eine Lösungsmöglichkeit anboten. Wright wies darauf hin, dass die Geruchsrezeptoren selbst möglicherweise ebenfalls chiral sind und demnach in einer links- oder rechtshändigen Form vorkommen; dann könnten sie ein Duftstoffmolekül links oder rechts orientiert festhalten, so dass es seine Bindungen dem Schwingungsdetektor unterschiedlich anbietet. Um wieder auf einen Vergleich aus der Musik zurückzugreifen: Der Linkshänder Jimi Hendrix (der den Geruchsrezeptor repräsentiert) hielt seine Gitarre (das chirale Duftstoffmolekül) mit dem Hals nach rechts; Eric Clapton dagegen war Rechtshänder und hielt die Gitarre (das spiegelbildliche Molekül) mit dem Hals nach links.[9] Beide Musiker konnten auf den spiegelbildlichen Gitarren das gleiche Riff spielen (die gleichen Schwingungen erzeugen); ein feststehendes Mikrophon jedoch (die Entsprechung zum Schwingungsdetektor im Geruchsrezeptor), das beispielsweise jeweils links vom Musiker aufgebaut ist, würde einen geringfügig unterschiedlichen Klang aufnehmen, weil sich die Saiten (die Molekülbindungen) relativ zum Mikrophon an unterschiedlichen Stellen befinden. Wright äußerte die Vermutung, dass chirale Geruchsrezeptoren die Schwingungsfrequenzen der chemischen Bindungen aufnehmen, aber nur dann, wenn sich diese Bindungen an der richtigen Stelle befinden: Er behauptete, es gebe nicht nur links- und rechtshändige Gitarrespieler, sondern auch links- und rechtshändige Rezeptoren. Da man aber immer noch keine Ahnung hatte, wie der biologische Schwingungsdetektor eigentlich funktioniert, blieb die Schwingungstheorie eine Randerscheinung der Geruchsforschung.

Aber auch die Passformtheorie hat ihre Probleme. Wie bereits erwähnt, kann man mit ihr kaum erklären, warum Duftstoffmoleküle mit ganz unterschiedlichen Formen gleich riechen und umgekehrt. Als Lösungsvorschlag für diese Zwickmühle formulierten Gordon Shepherd und Kensaki Mori 1994 die Theorie der Odotope oder »schwachen Formen«, wie sie manchmal genannt wird.[5] Ihr wichtigster Unterschied zur klassischen Passformtheorie liegt in der Vermutung von Shepherd und Mori, dass nicht die Form des gesamten Moleküls von den Geruchsrezeptoren erkannt wird, sondern dass die Rezeptoren nur die Form der in ihm enthaltenen chemischen Gruppen identifizieren müssen. Was das für die nach Moschus duftenden Verbindungen in Abbildung 5.2 bedeutet, haben wir bereits erfahren: In allen ist ein Sauerstoffatom über eine Doppelbindung mit einem Kohlenstoffatom verknüpft. Nach der Theorie der Odotope werden solche chemischen Unterstrukturen und nicht der Aufbau des gesamten Moleküls von den Geruchsrezeptoren erkannt. Diese Theorie erklärt die analytischen Aspekte des Duftes besser, wirft aber ähnliche Probleme auf wie die Schwingungstheorie, wenn es um Moleküle mit den gleichen chemischen Gruppen geht, die nur unterschiedlich angeordnet sind. Deshalb kann weder die Odotop- noch die Schwingungstheorie erklären, warum Paare von Verbindungen unterschiedlich riechen können, obwohl sie die gleichen chemischen Gruppen enthalten, die an dem gleichen Molekülgerüst unterschiedlich angeordnet sind. So bestehen beispielsweise sowohl Vanillin (das den wichtigsten Geruchsträger der natürlichen Vanille darstellt) als auch Isovanillin aus einem Ring mit sechs Kohlenstoffatomen, an dem in unterschiedlichen Positionen drei identische chemische Gruppen angeheftet sind (Abbildung 5.4). Die Odotoptheorie würde voraussagen, dass die gleichen chemischen Gruppen auch gleich riechen. In Wirklichkeit aber riecht Vanillin – nun ja – nach Vanille, Isovanillin dagegen hat einen unangenehmen süßlich-medizinischen Phenolgeruch.

Einen möglichen Ausweg aus diesem Dilemma sehen die Vertreter der Passformtheorie in der Kombination aus der Odotoptheorie und einem allgemeinen Mechanismus zur Erkennung chiraler Formen. Damit ist aber immer noch nicht die ebenso häufige Situation erklärt, dass spiegelbildliche Moleküle doch den gleichen Geruch haben.[10] Dies lässt darauf schließen, dass beide von dem gleichen Rezeptor erkannt werden. Das wäre die molekulare Entsprechung zu einer Hand, die sowohl in einen linken als auch in einen rechten Handschuh passt. Völlig plausibel erscheint es nicht.

Abb. 5.4: Moleküle mit den gleichen chemischen Grundbausteinen – wie hier Vanillin und Isovanillin – können dennoch einen ganz unterschiedlichen Geruch haben.

Riechen mit der Quantennase

Die Erkennung von Formen ist intuitiv leicht zu verstehen: Mit komplementären Formen haben wir es ständig zu tun, wenn wir einen Handschuh anziehen, einen Schlüssel im Schloss umdrehen oder mit einem Schraubenschlüssel eine Schraube anziehen. Auch Enzyme (deren Tätigkeit wir in Kapitel 3 beobachtet haben), Antikörper, Hormonrezeptoren und andere biologische Moleküle interagieren bekanntermaßen vorwiegend über die geometrische Anordnung ihrer Atome und Moleküle; deshalb ist es nicht verwunderlich, dass die Formerkennungstheorie für die Geruchswahrnehmung von vielen Biologen nachdrücklich unterstützt wurde, so auch von den Geruchsrezeptor-Nobelpreisträgern Richard Axel und Linda Buck.

Kommunikation auf der Basis von Schwingungen ist uns viel weniger vertraut, obwohl sie für mindestens zwei unserer Sinne, das Sehen und das Hören, von grundlegender Bedeutung ist. Aber während die physikalischen Gesetzmäßigkeiten, nach denen das Auge die Schwingungsfrequenz des Lichtes und das Ohr die Schwingungsfrequenz der Luft wahrnimmt, recht gut aufgeklärt sind, hatte bis vor kurzem niemand eine Idee, wie die Nase die Frequenz einer Molekülschwingung registrieren könnte.

Luca Turin wurde 1953 im Libanon geboren und studierte am University College in London Physiologie. Nachdem er seinen Abschluss gemacht hatte, zog er nach Frankreich und arbeitete dort am Centre National de la Recherche Scientifique. In Nizza erlebte er bei einem Besuch des Kaufhauses Galeries Lafayette eine Offenbarung der Geruchswahrnehmung. In einer Ecke in der Parfümabteilung hatte das japanische Unternehmen Shiseido einen schwarz schimmernden Stand für sein neues Parfüm »Nombre Noir« aufgebaut. Turin beschreibt es so: »Die blumige Herznote lag in der Mitte zwischen einer Rose und einem Veilchen, aber ohne eine Spur der Süße von beiden, und stand stattdessen vor einem herben, fast schon feierlichen Hintergrund aus Zigarrenkisten-Zedernnoten. Gleichzeitig war es nicht trocken, es schien in einer flüssigen Frische zu glitzern, die seine intensiven Farben leuchten ließ wie ein Kirchenfenster.«[6] Für Turin wurde die Begegnung mit dem japanischen Duft zur Anregung für lebenslange Bemühungen, das Geheimnis zu lüften, wie Moleküle, die in die Nase schweben, solche bildhaften Erlebnisse auslösen können.

Wie vor ihm schon Dyson, so war auch Turin überzeugt, dass die Zusammenhänge zwischen Schwingungsspektren und Geruch kein reiner Zufall sein können. Aufgrund von Dysons Argumentation war auch er der Ansicht, dass die Geruchsrezeptoren irgendwie die Molekülschwingungen wahrnehmen müssen. Anders als Dyson unterstellte Turin jedoch einen spekulativen, wenn auch plausiblen molekularen Mechanismus, durch den Biomoleküle die Schwingungen chemischer Bindungen registrieren können: den Quanten-Tunneleffekt der Elektronen.[7]

Der Tunneleffekt ist uns in Kapitel 1 schon begegnet: die seltsame quantenmechanische Eigenschaft, die aus der Fähigkeit von Teilchen wie Elektronen oder Protonen erwächst, sich als Wahrscheinlichkeitswellen zu verhalten und auf diese Weise Barrieren zu durchdringen, die auf dem üblichen Weg unpassierbar sind. In Kapitel 3 haben wir erfahren, welche entscheidende Rolle der Tunneleffekt für viele Enzymreaktionen spielt. Während Turin noch über das Geheimnis der Düfte rätselte, stieß er auf einen Fachartikel, in dem ein neues Verfahren der analytischen Chemie beschrieben wurde: die inelastische Elektronen-Tunnelspektroskopie (IETS). Dabei werden zwei Metallplatten dicht nebeneinander angeordnet, so dass sie nur durch eine winzige Lücke getrennt sind. Legt man zwischen den Platten eine elektrische Spannung an, sammeln sich auf einer von ihnen (dem Donor) die Elektronen, so dass sie negativ geladen ist und von der anderen, positiv geladenen Platte (dem Akzeptor) angezogen wird. Bei klassischer Betrachtungsweise fehlt den Elektronen die Energie, um die isolierende Lücke zwischen den Platten zu überspringen; aber Elektronen sind Quantenobjekte, und wenn die Lücke klein genug ist, können sie durch einen Quantentunnel vom Donor zum Akzeptor gelangen. Diesen Prozess bezeichnet man als »elastischen« Tunneleffekt, weil die Elektronen dabei weder Energie gewinnen noch verlieren.

Es gibt aber eine entscheidende zusätzliche Bedingung: Ein Elektron kann nur dann durch den Tunneleffekt elastisch von der Donor- zur Akzeptorseite gelangen, wenn dort eine leere Stelle mit genau der gleichen Energie zur Verfügung steht. Hat die nächste verfügbare Lücke im Akzeptor eine geringere Energie, muss das Elektron einen Teil seiner Energie verlieren, um den Sprung vollziehen zu können. Diesen Prozess bezeichnet man als »inelastischen« Tunneleffekt. Die abgegebene Energie muss aber irgendwo bleiben, sonst kann das Elektron den Tunnel nicht passieren. Bringt man eine chemische Substanz in den Raum zwischen den Platten, kann das Elektron die Lücke überwinden, wenn es in der Lage ist, seine überschüssige Energie an diese Substanz abzugeben – und das kann immer dann geschehen, wenn die Moleküle in der Lücke über Bindungen verfügen, die exakt mit der Frequenz schwingen, die der der abgegebenen Energie entspricht. Wenn die »inelastisch« übertragenen Elektronen ihre überschüssige Energie auf diese Weise weitergegeben haben, kommen sie mit geringfügig geringerer Energie auf der Akzeptorplatte an. Analysiert man also die Energieunterschiede zwischen den Elektronen, die die Donorseite verlassen und an der Akzeptorseite ankommen, kann man mit der inelastischen Elektronen-Tunnelspektroskopie Aufschlüsse über die Bindungen in den Molekülen der fraglichen Substanz gewinnen.

Kehren wir noch einmal zu unserem Vergleich mit der Musik zurück: Wer schon einmal ein Saiteninstrument gespielt hat, der weiß, dass man der Saite einen Ton entlocken kann, ohne sie zu berühren – einfach durch Resonanz. Den Kunstgriff kann man sogar nutzen, um eine Gitarre zu stimmen. Legt man auf jede Saite ein winziges Stückchen leichtes, zusammengefaltetes Papier und zupft dann den gleichen Ton auf der Nachbarsaite, kann man das Papier von der Saite springen lassen, ohne diese überhaupt zu berühren. Der Grund: Wenn man das Instrument genau richtig gestimmt hat, versetzt die angerissene Saite die Luft in Schwingungen, die Luft gibt die Schwingungen an die nicht gezupfte Saite weiter und setzt deren Schwingung als Resonanz mit der angezupften Saite in Gang. Ganz ähnlich bei der IETS. Hier springt das Elektron nur dann von der Donorseite, wenn eine Bindung in der Substanz zwischen den beiden Platten genau mit der richtigen Frequenz schwingt und ihm den Sprung ermöglicht. Letztlich verliert das Elektron beim Passieren des Tunnels Energie, indem es auf seiner quantenmechanischen Reise von einer Platte zur anderen eine Molekülbindung anzupft.

Turin äußerte die Vermutung, dass Geruchsrezeptoren nach einem ganz ähnlichen Prinzip arbeiten, nur dass hier ein einziges Molekül – der Geruchsrezeptor – die Stelle von Platten und Lücke bei der IETS einnimmt. Er malte sich aus, dass sich ein Elektron zunächst an einer Donorstelle des Rezeptormoleküls befindet. Dieses Elektron kann wie bei der IETS potentiell durch den Tunneleffekt zu einer Akzeptorstelle in demselben Molekül gelangen, wird aber durch einen Energieunterschied zwischen den beiden Stellen daran gehindert. Fängt der Rezeptor dagegen ein Duftstoffmolekül ein, in dem eine Bindung genau auf die richtige Schwingungsfrequenz abgestimmt ist, springt das Elektron durch den Tunneleffekt vom Donor zum Akzeptor, und gleichzeitig wird genau der richtige Energiebetrag auf den Duftstoff übertragen, so dass dort eine Molekülbindung angezupft wird. Dieses Elektron, so Turin, befindet sich nun an der Akzeptorstelle und sorgt für die Freisetzung des dort befestigten G-Protein-Molekültorpedos, so dass das olfaktorische Neuron ein Signal in Richtung des Gehirns abfeuert und wir den Duft der Orange »erleben«.

Turin konnte für seine Quantenschwingungstheorie eine Fülle indirekter Indizien sammeln. So riechen beispielsweise Schwefelwasserstoffverbindungen, wie bereits erwähnt, in der Regel stark nach faulen Eiern, und alle enthalten eine Schwefel-Wasserstoff-Molekülbindung, die mit ungefähr 76 Terahertz (76 Billionen Schwingungen pro Sekunde) schwingt. Seine Theorie macht dazu eine konkrete Voraussage: Jede andere Verbindung, in deren Bindungen eine Schwingungsfrequenz von 76 Terahertz vorliegt, sollte unabhängig von ihrer Form ebenfalls den Geruch von faulen Eiern ausströmen. Leider kennt man nur sehr wenige andere Verbindungen, in deren Spektren die gleiche Schwingungsbande auftritt. Turin suchte in der wissenschaftlichen Literatur nach Molekülen mit einer solchen Frequenz. Schließlich entdeckte er, dass die endständigen Bor-Wasserstoff-Bindungen in Verbindungen aus der Gruppe der Borane Schwingungsfrequenzen in der Gegend von 78 Terahertz aufweisen, einem Wert, der sehr dicht bei den 76 Terahertz der S-H-Schwingung liegt. Aber wie riechen Borane? Diese Information stand nicht in der Literatur über Spektroskopie, und die Verbindungen waren so exotisch, dass er keiner davon habhaft werden konnte, um selbst einmal zu schnuppern. Er fand aber einen alten Artikel, in dem ihr abstoßender Geruch beschrieben wurde – eine Formulierung, mit der häufig ein Schwefelgeruch gemeint ist. Tatsächlich stellte sich heraus, dass Borane die einzigen bekannten Moleküle sind, die keinen Schwefel enthalten und dennoch den gleichen Gestank von faulen Eiern verströmen wie Schwefelwasserstoff: Ein Beispiel ist das Decaboran, das ausschließlich aus Bor- und Wasserstoffatomen besteht (chemische Formel B_10H_14).

Unter den buchstäblich Tausenden von Chemikalien, an denen man geschnuppert hatte, riecht also nur eines wie Schwefelwasserstoff, und dessen Moleküle weisen die gleiche Schwingungsfrequenz auf; diese Entdeckung sprach nachdrücklich für die Schwingungstheorie des Geruchs. Wie gesagt: Parfümeure bemühen sich schon seit Jahrzehnten, den molekularen Schlüssel zum Duft zu finden. Turin hatte geschafft, was noch keinem Chemiker gelungen war: Er hatte einen Geruch allein aufgrund theoretischer Überlegungen vorausgesagt. Es war die chemische Entsprechung zu der Leistung, aus der Form einer Parfümflasche auf den Duft zu schließen. Gleichzeitig formulierte Turin mit seiner Theorie auch einen biologisch plausiblen quantenmechanischen Mechanismus, durch den ein Biomolekül eine Molekülschwingung wahrnehmen kann. Aber ein »plausibler Mechanismus« reicht nicht. Stimmt die Theorie?

Kampf der Nasen

Die Schwingungstheorie hatte also einige ermutigende Erfolge wie den mit dem Decaboran zu verzeichnen, sie litt aber immer noch an ähnlichen Problemen wie die Theorie der Passformen, beispielsweise dem, dass spiegelbildliche Moleküle (wie Limonen und Dipenten) unterschiedlich riechen, obwohl sie die gleichen Schwingungsspektren aufweisen. Turin entschloss sich, eine andere Voraussage seiner Theorie zu überprüfen. Erinnern wir uns: Die Tunneleffekt-Theorie der Enzymwirkung (Kapitel 3) wurde auf den Prüfstand gestellt, indem man die häufigste Form des Wasserstoffs gegen eines seiner schwereren Isotope wie Deuterium austauschte, um so den kinetischen Isotopeneffekt zu nutzen. Einen ähnlichen Kunstgriff probierte Turin mit einem Duftstoff namens Acetophenon aus, der den Beschreibungen zufolge einen »stechend süßen Geruch hat, … der an Weißdorn oder eine herbe Orangenblüte erinnert«. Er kaufte eine sehr teure Charge der Verbindung, in der alle acht Wasserstoffatome in den Kohlenstoff-Wasserstoffbindungen gegen Deuterium ausgetauscht waren. Die schwereren Atome schwingen wie dickere Gitarrensaiten mit niedrigerer Frequenz: Eine normale Kohlenstoff-Wasserstoff-Bindung vibriert mit 85 bis 93 Terahertz, ersetzt man den Wasserstoff aber durch Deuterium, sinkt die Schwingungsfrequenz der Kohlenstoff-Deuterium-Bindung auf ungefähr 66 Terahertz. Die »deuterierte« Verbindung hat also ein ganz anderes Schwingungsspektrum als ihr Gegenstück mit normalem Wasserstoff. Aber riecht sie auch anders? Bevor Turin vorsichtig an beiden Verbindungen schnupperte, schloss er die Tür seines Labors ab. Er kam zu der Überzeugung, dass sie »unterschiedlich riechen, dass die deuterierte Form weniger süß und mehr nach Lösungsmittel riecht«.[8] Selbst nachdem er beide Verbindungen sorgfältig gereinigt hatte, war er überzeugt, dass die wasserstoff- und die deuteriumhaltige Form unterschiedlich riechen. Er behauptete, seine Theorie sei bestätigt.

Turins Forschungsarbeiten weckten auch die Aufmerksamkeit von Investoren, und die statteten ihn mit den finanziellen Mitteln zur Gründung einer neuen Firma aus. Das Unternehmen Flexitral sollte seine Erkenntnisse über Quantenschwingungen zur Herstellung neuer Düfte nutzen. Der Autor Chandler Burr schrieb sogar ein Buch, in dem er Turins Suche nach den molekularen Mechanismen des Geruchs schilderte,[9] und die BBC drehte einen Dokumentarfilm über seine Arbeit.

Viele andere jedoch, insbesondere die Anhänger der Passformtheorie, waren noch längst nicht überzeugt. Leslie Vosshall und Andreas Keller von der Rockefeller University wiederholten den Schnuppertest mit normalem und deuteriertem Acetophenon, aber statt sich auf Turins guttrainierte Nase zu verlassen, fragten sie 24 unvoreingenommene Versuchspersonen, ob sie die beiden Verbindungen am Geruch unterscheiden konnten. Das Ergebnis war eindeutig: kein Unterschied. Ihr Artikel, der 2004 in dem Fachblatt Nature Neuroscience[10] erschien, war von einem Leitartikel begleitet, in dem es hieß, der Schwingungstheorie des Geruchs schenke man »in wissenschaftlichen Kreisen keinen Glauben«.

Aber wie jeder Medizinforscher bestätigen wird, können Experimente mit Versuchspersonen durch alle möglichen Randbedingungen beeinflusst werden, so durch die Erwartungen der Probanden und ihre Erfahrungen vor dem Experiment. Um solche Probleme zu umgehen, entschloss sich ein Team unter Leitung von Efthimios Skoulakis vom Alexander Fleming Institute in Griechenland, in dem auch Luca Turin und andere Wissenschaftler vom MIT mitarbeiteten, eine leichter handhabbare Spezies einzusetzen: Taufliegen, die sie im Labor gezüchtet hatten. Die Arbeitsgruppe entwickelte eine für Taufliegen geeignete Entsprechung zu Gabriele Gerlachs Zweikanal-Auswahlexperiment mit Rifffischen, das weiter vorne in diesem Kapitel beschrieben wurde, und bezeichnete den Versuch als »Fliegen-T-Labyrinth«-Experiment. Die Fliegen wurden in das untere Ende eines T-förmigen Rohrsystems gebracht und sollten an die Gabelung fliegen, wo sie sich dann für rechts oder links entscheiden mussten. In die beiden Arme des »Labyrinths« wurde duftstoffhaltige Luft gepumpt, und wenn die Wissenschaftler dann zählten, wie viele Fliegen sich für die jeweilige Richtung entschieden, konnten sie herausfinden, ob die Insekten zwischen den Duftstoffen unterschieden, mit denen die Luft im rechten oder linken Rohr angereichert war.

Zuerst untersuchte die Gruppe, ob die Fliegen überhaupt Acetophenon riechen können. Das war tatsächlich der Fall: Ein winziger Klecks der Substanz im rechten Arm des Labyrinths reichte aus, damit sich fast alle Fliegen in Richtung des fruchtigen Geruchs in Bewegung setzten. Nun tauschte das Team die Wasserstoffatome im Acetophenon gegen Deuterium aus; als neuen Dreh ersetzten sie aber drei, fünf oder alle acht Wasserstoffatome durch Deuterium und testeten jede Form der Substanz einzeln, wobei sich im anderen Arm des Labyrinths jeweils die Verbindung ohne Deuterium befand. Die Ergebnisse waren bemerkenswert. Bei nur drei Deuteriumatomen verloren die Fliegen die Vorliebe für den rechten Arm und wandten sich an der Gabelung nach dem Zufallsprinzip nach rechts oder links. Beluden die Wissenschaftler aber den rechten Arm mit der Verbindung, in der fünf oder acht Wasserstoffatome ausgetauscht waren, orientierten sich die Fliegen entschlossen nach links und weg von dem deuterierten Duftstoff. Offensichtlich konnten sie den Unterschied zwischen der normalen und der stark deuterierten Form des Acetophenons riechen, und die deuterierte Form mochten sie nicht. Die Arbeitsgruppe machte das Experiment noch mit zwei weiteren Duftstoffen. Wie sich dabei herausstellte, konnten die Fliegen leicht zwischen der wasserstoff- und der deuteriumhaltigen Form von Octanol unterscheiden, nicht aber zwischen den entsprechenden Formen von Benzaldehyd. Um nachzuweisen, dass die Fliegen die Bindungen des Deuteriums tatsächlich mit dem Geruchssinn wahrnahmen, machten die Wissenschaftler das Experiment auch mit einem mutierten Fliegenstamm, der keine funktionsfähigen Geruchsrezeptoren besaß. Erwartungsgemäß waren diese anosmischen[11] Mutanten ganz und gar unfähig, zwischen wasserstoff- und deuteriumhaltigen Duftstoffen zu unterscheiden.

Mit einer Versuchsanordnung nach dem Vorbild der Pawlow’schen Konditionierung gelang es den Wissenschaftlern sogar, die Fliegen so zu trainieren, dass sie bestimmte chemische Verbindungen mit Bestrafung in Verbindung brachten: Sie erhielten an den Füßen einen schwachen elektrischen Schlag. Anschließend konnte das Team die Schwingungstheorie auf noch interessantere Weise testen. Zuerst wurden Fliegen darauf trainiert, Verbindungen mit der Kohlenstoff-Deuterium-Bindung und ihrer charakteristischen Frequenz von 66 Terahertz zu meiden. Dann wollte man herausfinden, ob sich dieses Vermeidungsverhalten auf ganz unterschiedliche Verbindungen verallgemeinern lässt, die zufällig ebenfalls eine Bindung mit der gleichen Schwingungsfrequenz beinhalten. Es gelang tatsächlich. Wie das Team entdeckte, vermieden Fliegen, die auf die Vermeidung von Verbindungen mit der Kohlenstoff-Deuterium-Bindung trainiert waren, auch Verbindungen aus der Klasse der Nitrile, deren Kohlenstoff-Stickstoff-Bindung mit der gleichen Frequenz schwingt, obwohl sie chemisch ganz anders gebaut sind. Die Studie sprach nachdrücklich dafür, dass die Schwingungen zumindest bei Fliegen ein Bestandteil der Geruchswahrnehmung sind; sie wurde 2011 in der angesehenen wissenschaftlichen Fachzeitschrift Proceedings of the National Academy of Sciences veröffentlicht.[11]

Im folgenden Jahr taten sich Skoulakis und Turin mit Wissenschaftlern des Londoner University College zusammen, und gemeinsam gingen sie der heiklen Frage nach, ob auch Menschen den Geruch aufgrund von Schwingungen wahrnehmen. Statt sich ausschließlich auf Turins höchst empfindlichen Geruchssinn zu verlassen, rekrutierte das Team elf Versuchspersonen. Zunächst bestätigte sich das Ergebnis von Vosshall und Keller: Die Versuchspersonen konnten die Kohlenstoff-Deuterium-Bindungen im Acetophenon nicht erschnuppern. Das Team vermutete, dass das Signal der deuterierten Form angesichts von nur acht Kohlenstoff-Wasserstoff-Bindungen vielleicht zu schwach und deshalb für eine durchschnittliche Nase nicht zu unterscheiden war. Also entschlossen sie sich, ihre Forschungen mit komplizierter gebauten, nach Moschus riechenden Molekülen (wie denen in Abbildung 5.2) fortzusetzen; diese enthalten bis zu 28 Wasserstoffatome, die man alle durch Deuterium ersetzen kann. Dieses Mal konnten alle elf Versuchspersonen ohne weiteres zwischen dem normalen und dem vollständig deuterierten Moschus unterscheiden. Vielleicht riechen Menschen also doch Moleküle, die auf verschiedene Frequenzen gestimmt sind.

Wenn Physiker schnuppern

Gegen die Theorie der Quantenschwingungen wurde unter anderem eingewandt, dass sie auf recht vagen theoretischen Grundlagen beruhte. Mit diesem Thema beschäftigt sich mittlerweile ein Physikerteam des University College in London, das 2007 die »harten« quantentheoretischen Berechnungen durchführte und dabei zu dem Schluss gelangte, dass die Theorie des Tunneleffekts »sowohl mit den dahinterstehenden physikalischen Gesetzmäßigkeiten als auch mit den beobachteten Eigenschaften des Geruchs übereinstimmt, vorausgesetzt, der Rezeptor besitzt gewisse allgemeine Eigenschaften«.[12] Jenny Brokes, ein Teammitglied, kam sogar auf eine Lösung für das quälende Problem der spiegelbildlichen Moleküle wie Limonen und Dipenten (Abbildung 5.3), die trotz gleicher Schwingungsfrequenzen ganz unterschiedlich riechen.

Eigentlich formulierte Jennys Vorgesetzter und Mentor, der mittlerweile verstorbene Professor Marshall Stoneham, als Erster das »Durchzugleser«-Modell, wie es manchmal genannt wird. Stoneham war in Großbritannien einer der führenden Physiker seiner Generation; seine Interessen reichten von der Sicherheit in Kernkraftwerken bis zu Quantencomputern, Biologie und – was zu diesem Kapitel besonders gut passt – zur Musik: Er spielte Horn. Die Theorie von Stoneham und Brokes ist eine quantenmechanische Weiterentwicklung der Idee von Robert H. Wright, wonach sowohl die Form des Geruchsrezeptors als auch die Bindungsschwingungen in den Duftstoffmolekülen für die Geruchswahrnehmung eine Rolle spielen. Sie gingen davon aus, dass die Bindungstasche des Geruchsrezeptors ähnlich funktioniert wie ein Apparat, durch den man Kreditkarten hindurchzieht. Solche Karten haben einen Magnetstreifen, der gelesen wird und in dem Lesegerät einen elek trischen Strom erzeugt. Aber in einen solchen Durchzugleser passt nicht alles: Die Karte muss die richtige Form und Dicke haben, und der Magnetstreifen muss sich an der richtigen Stelle befinden; nur dann kann man sie überhaupt benutzen und prüfen, ob die Karte von dem Gerät erkannt wird. Brookes und ihre Kollegen gingen davon aus, dass die Geruchsrezeptoren ganz ähnlich funktionieren. Ein Duftstoffmolekül, so postulierte die Arbeitsgruppe, muss zunächst in eine rechts- oder links-chirale Tasche passen wie eine Kreditkarte in den Schlitz des Lesegeräts. Duftstoffe, die zwar die gleichen Bindungen enthalten, aber unterschiedlich geformt sind wie die links- und rechtshändige Form des gleichen Moleküls, werden von unterschiedlichen Rezeptoren aufgenommen. Erst nachdem der Duftstoff an seinen komplementären Rezeptor gebunden hat, kann er den schwingungsinduzierten Elektronen-Tunneleffekt anregen, der das Rezeptorneuron veranlasst, einen Impuls abzugeben; da aber das linkshändige Molekül seine Wirkung an einem linkshändigen Rezeptor entfaltet, riecht es anders als ein rechtshändiges Molekül, das einen rechtshändigen Rezeptor »feuern« lässt.

Kehren wir nun noch ein letztes Mal zu unserem Vergleich mit der Musik zurück: Wenn die Gitarre das Duftstoffmolekül ist und die Gitarrensaiten den Molekülbindungen entsprechen, die angezupft werden müssen, gibt es die Rezeptoren in einer Jimi-Hendrix- und in einer Eric-Clapton-Form. Beide können die gleichen molekularen Töne spielen, aber die rechts- oder linkshändigen Moleküle müssen von rechts- oder linkshändigen Rezeptoren aufgenommen werden, ganz ähnlich wie eine rechtshändige Gitarre, deren Spieler ebenfalls Rechtshänder sein muss. Obwohl also Limonen und Dipenten die gleichen Schwingungen haben, müssen sie von rechts- oder linkshändigen Geruchsrezeptoren festgehalten werden. Die verschiedenen Rezeptoren sind mit verschiedenen Gehirnabschnitten verdrahtet und erzeugen deshalb unterschiedliche Geruchseindrücke. Diese Kombination aus Passform und Erkennung von Quantenschwingungen ist endlich ein Modell, das zu nahezu allen experimentellen Befunden passt.

Aber die Tatsache, dass das Modell zu den Daten passt, ist allein natürlich noch kein Beweis, dass die Geruchswahrnehmung quantenmechanische Grundlagen hat. Die Ergebnisse der Experimente sprechen stark für jede Theorie, wonach an der Geruchswahrnehmung sowohl die Formerkennung als auch Schwingungen beteiligt sind. Aber bisher konnte man mit keinem Experiment unmittelbar überprüfen, ob dabei auch Quanten-Tunneleffekte eine Rolle spielen. Bisher allerdings kennt man außer dem inelastischen Quanten-Tunneleffekt von Elektronen keinen Mechanismus, der eine plausible Erklärung dafür liefern könnte, wie Proteine die Schwingungen in den Duftstoffmolekülen wahrnehmen.

Der entscheidende Puzzlestein, der im Bild der Geruchswahrnehmung noch fehlt, ist die Struktur der Geruchsrezeptoren. Würde man sie kennen, wären viele entscheidende Fragen einfacher zu beantworten: Wie genau sind die Bindungsstellen auf die einzelnen Duftstoffmoleküle zugeschnitten? Binden spiegelbildliche Moleküle an die gleichen Rezeptoren? Und besitzen die Rezeptormoleküle an geeigneten Stellen die Elektronendonor- und -akzeptorstellen, die für den inelastischen Elektronen-Tunneleffekt sorgen können? Obwohl sich führende Arbeitsgruppen von Strukturbiologen auf der ganzen Welt seit Jahren darum bemühen, ist es bisher niemandem gelungen, Geruchsrezeptormoleküle zu isolieren und mit den gleichen Methoden zu untersuchen, mit denen man quantenmechanische Mechanismen in Enzymen (Kapitel 3) oder in den Pigmentproteinen der Photosynthese (Kapitel 4) aufklären konnte. Problematisch ist vor allem, dass der Geruchsrezeptor in seinem natürlichen Zustand in die Zellmembran eingebettet ist und ein wenig einer Qualle ähnelt, die an der Meeresoberfläche treibt. Das Rezeptorprotein aus der Membran zu entfernen, ist so, als würde man eine Qualle aus dem Ozean heben: Sie behält schlicht und einfach nicht ihre Form. Und bisher hat niemand einen Weg gefunden, um die Struktur von Proteinen aufzuklären, die noch in Zellmembranen eingebettet sind.

Es bleiben also immer noch beträchtliche Meinungsverschiedenheiten, aber die einzige Theorie, die eine Erklärung dafür liefert, wie Fliegen und Menschen zwischen dem Geruch normaler und deuterierter Verbindungen unterscheiden können, gründet sich auf den quantenmechanischen Mechanismus des inelastischen Elektronen-Tunneleffekts. Wie man kürzlich mit Experimenten zeigen konnte, riechen nicht nur Fliegen und Menschen, sondern auch andere Insekten und sogar Fische den Unterschied zwischen Wasserstoff- und Deuteriumbindungen. Wenn sich der Quanten-Geruchssinn in einem so breiten Spektrum verschiedener Tierarten findet, ist er wahrscheinlich ganz allgemein weit verbreitet. Menschen, Taufliegen, Clownfische und viele andere Tiere machen sich wahrscheinlich die Fähigkeit eines Elektrons zunutze, an einem Punkt im Raum zu verschwinden und sofort an einem anderen wieder aufzutauchen. Sie nehmen damit die »Botschaft aus der materiellen Realität« auf und finden Nahrung oder einen Paarungspartner – oder auch den Heimweg.

6. Der Monarch und das Quantenrotkehlchen

Fred Urquhart wurde 1912 im kanadischen Toronto geboren und besuchte eine Schule, die an einen Sumpf voller Rohrkolben grenzte. Dort verbrachte er endlose Stunden damit, die Insekten zu beobachten, insbesondere die Schmetterlinge, die sich im Röhricht herumtrieben. Seine liebste Jahreszeit war der Frühsommer, wenn dort Tausende von Monarchfaltern eintrafen, der Inbegriff des nordamerikanischen Schmetterlings mit seinem charakteristischen orange-schwarzen Muster auf den Flügeln. Die Monarchfalter blieben den ganzen Sommer, ernährten sich von den Seidenpflanzen und flogen im Herbst wieder davon. Damit warfen sie eine Frage auf, die Fred besonders faszinierte: Wohin fliegen die Schmetterlinge?

Paulus soll angeblich gesagt haben, Erwachsene legten ihre kindlichen Gewohnheiten ab. Fred tat das nicht: Auch als er heranwuchs, fragte er sich weiterhin, wo die Monarchfalter den Winter verbringen. Nachdem er an der Universität Toronto sein Zoologiestudium abgeschlossen hatte und schließlich in dem Fachgebiet zum Professor aufgestiegen war, kehrte er zu der großen Frage seiner Kindheit zurück. Mittlerweile hatte er Norah Patterson geheiratet, auch sie Zoologin und Schmetterlingsliebhaberin.

Mit den klassischen Methoden zur Markierung von Tieren machten sich Fred und Norah nun daran, das Geheimnis der verschwindenden Monarchfalter zu ergründen. Einfach war das nicht. Markierungen, die man an den Füßen von Rotkehlchen oder an den Flossen von Walen befestigt, erfüllen ihre Aufgabe gut, aber sie an den empfindlichen, hauchdünnen Flügeln eines Schmetterlings anzubringen, stellt eine ganz andere Herausforderung dar. Die Eheleute experimentierten mit klebrigen Etiketten oder klebten Markierungen an die Flügel der Insekten; aber entweder fielen die Etiketten wieder ab, oder die markierten Schmetterlinge konnten nicht mehr richtig fliegen. Erst 1940 stießen sie auf die Lösung: ein winziges Klebeetikett ähnlich denen, die sich von neuerworbenen Trinkgläsern nur so schwer abkratzen lassen. Mit diesem Hilfsmittel ausgestattet, markierten sie schließlich Hunderte von Monarchfaltern und ließen sie frei; jeder Schmetterling trug eine Nummer und die Aufforderung, sie »an das Zoologische Institut der Universität Toronto« zu schicken, wenn sie gefunden wurde.

Aber es gab in Amerika Millionen Monarchfalter und nur zwei Schmetterlingsliebhaber namens Urquhart. Also machte sich das Paar daran, Freiwillige zu rekrutieren, und in den 1950er Jahren hatten sie ein Netzwerk aus mehreren Tausend Schmetterlingsfreunden aufgebaut, die Hunderttausende von Schmetterlingen markiert, freigelassen, wieder eingefangen und die Fundorte aufgezeichnet hatten. Fred und Norah aktualisierten ihre Landkarte immer und immer wieder, bis sich allmählich eine Gesetzmäßigkeit herauskristallisierte. Die Schmetterlinge, die in der Region Toronto aufbrachen, wurden meist entlang einer diagonalen Flugstrecke gefangen, die die Vereinigten Staaten von Nordosten nach Südwesten durchquerte und dabei auch Texas passierte. Aber trotz zahlreicher Forschungsexkursionen fanden die Urquharts in den südlichen US-Bundesstaaten nie den endgültigen Zielort der überwinternden Schmetterlinge.

Schließlich richteten die beiden ihren Blick noch weiter nach Süden; Norah, die schon ziemlich frustriert war, machte 1972 einige Zeitungen in Mexiko auf ihr Projekt aufmerksam und bat, Freiwillige sollten jede Sichtung aufzeichnen und bei der Markierung helfen. Im Februar 1973 erhielt sie einen Brief, in dem ein gewisser Kenneth C. Brugger aus Mexico City seine Hilfe anbot. Mit seinem Hund Kola machte sich Ken auf die Suche: Er fuhr mit seinem Wohnmobil spätabends in Mexiko aufs Land und suchte nach Schmetterlingen. Über ein Jahr später, im April 1974, berichtete er über eine große Zahl von Monarchfaltern in dem Gebirge der Sierra Madre in Zentralmexiko. Später im gleichen Jahr meldete Ken, er habe entlang der Straßen in den Sierras viele zerfetzte, tote Schmetterlinge gesehen. Norah und Fred schrieben zurück, nach ihrer Ansicht müssten sich Vogelschwärme an den großen Wolken vorüberkommender Monarchfalter gütlich getan haben.

Am Abend des 9. Januar 1975 rief Ken in einer gewissen Erregung bei den Urquharts an und teilte ihnen mit, er habe »die Kolonie gefunden! … Millionen Monarchfalter – in den Tannen neben einer Lichtung im Gebirge«. Weiter erzählte Ken, er habe einen Tip von mexikanischen Holzfällern erhalten: Diese hätten behauptet, sie hätten Schwärme von roten Schmetterlingen gesehen, als sie mit ihren beladenen Eseln durch das Gebirge zogen. Mit Unterstützung der National Geographic Society organisierten Norah und Fred eine Expedition, um das so schwer fassbare Winterquartier der Monarchfalter zu finden und zu dokumentieren. Im Januar 1976 trafen sie in Mexiko ein. Am nächsten Tag fuhren sie in ein Dorf, und von dort aus machten sie sich zu Fuß zum »Berg der Schmetterlinge« auf, was einen Aufstieg von 3.000 Metern bedeutete. Eine anstrengende Bergtour in großer Höhe war keine einfache Unternehmung für zwei Menschen, die mittlerweile das Seniorenalter erreicht hatten (Fred war 64), und sie hatten Bedenken, ob sie es überhaupt bis zum Gipfel schaffen würden. Aber mit klopfendem Herzen und den Erinnerungen an farbenprächtige Schmetterlinge im Sonnenschein von Toronto kamen sie am höchsten Punkt an, einer Hochebene, die nur spärlich mit Wacholder und Stechpalmen bewachsen war. Schmetterlinge waren nicht zu sehen. Enttäuscht und erschöpft stiegen sie ab und gelangten zu einer Lichtung voller Oyamel-Tannen, ein Nadelbaum, der in den Gebirgen Zentralmexikos heimisch ist. Hier endlich fanden Fred und Norah, wonach sie fast ihr ganzes Leben lang gesucht hatten: »Massen von Schmetterlingen – überall. In der Ruhe des Halbschlafes verzierten sie die Zweige der Bäume, hüllten die Stämme der Tannen ein, bedeckten den Boden in ungeheurer Zahl.« Als die beiden staunend vor dem unglaublichen Schauspiel standen, brach von einem Baum ein Zweig ab, und dort, zwischen den Überresten der von ihrem Sitzplatz vertriebenen Schmetterlinge, erkannte Fred das weiße Etikett mit der Aufforderung: »An das Zoologische Institut der Universität Toronto schicken«. Dieser Schmetterling war von einem Freiwilligen namens Jim Gilbert markiert worden, und zwar in Chaska in Minnesota, mehr als 3.000 Kilometer vom Fundort entfernt.[1]

Der Zug der Monarchfalter gilt heute als eine der großartigsten Tierwanderungen der Welt. Jedes Jahr zwischen September und November machen sich Millionen Schmetterlinge im Südosten Kanadas auf eine Reise, die sie mehrere Tausend Kilometer in südwestlicher Richtung führt. Über Wüsten, Prärien, Felder und Gebirge hinweg finden sie ihren Weg durch das geographische Nadelöhr einer nur 80 Kilometer breiten Lücke aus kühlen Flusstälern zwischen dem Eagle Pass und Del Rio in Texas, und schließlich lassen sie sich auf den Gipfeln von nur rund einem Dutzend hoher Berge in Zentralmexiko nieder. Nachdem die Monarchfalter im kühlen mexikanischen Gebirge überwintert haben, unternehmen sie im Frühjahr die umgekehrte Reise und kehren in ihre Sommerquartiere zurück. Was noch bemerkenswerter ist: Kein einzelner Schmetterling legt die ganze Strecke zurück. Sie paaren sich vielmehr unterwegs, und die Schmetterlinge, die nach Toronto zurückkehren, sind die Enkel derer, die Kanada ursprünglich verlassen haben.

Wie schaffen es diese Insekten, ein so winziges Ziel, das Tausende von Kilometern von ihrem Ausgangsort entfernt ist und nur von ihren Vorfahren schon einmal besucht wurde, so präzise anzusteuern? Das ist wieder einmal eines jener großen Geheimnisse der Natur, die erst jetzt allmählich gelüftet werden. Wie alle wandernden Tiere, so bedienen sich auch die Schmetterlinge mehrerer Sinne, darunter Sehen und Schmecken, aber sie besitzen auch einen Sonnenkompass, der die wechselnde Position der Sonne im Lauf des Tages auf dem Weg über eine circadiane Uhr berücksichtigt. Dieser biochemische Prozess, der in allen Tieren und Pflanzen abläuft, wiederholt sich alle 24 Stunden und folgt damit dem Kreislauf von Tag und Nacht.

Auch wir kennen circadiane Uhren: Sie sind der Grund, warum wir uns nachts müde und morgens ausgeschlafen fühlen. Wird ihr Rhythmus durch einen Langstreckenflug gestört, leiden wir am Jetlag. Was ihre Funktionsweise angeht, haben wir in den letzten Jahrzehnten eine ganze Reihe faszinierender Entdeckungen erlebt. Besonders überraschend war die Erkenntnis, dass auch Versuchspersonen, die isoliert und unter konstanten Lichtverhältnissen leben, einen ungefähr 24-stündigen Zyklus aus Aktivität und Ruhe aufrechterhalten, obwohl sie keine äußeren Anhaltspunkte haben. Anscheinend ist unsere circadiane Uhr fest in uns eingebaut. Dieser »Schrittmacher« des Organismus ist im Hypothalamus angesiedelt, einer Region tief im Inneren des Gehirns. Aber auch wenn der 24-Stunden-Zyklus bei Versuchspersonen unter konstanten Lichtverhältnissen einigermaßen erhalten bleibt, entfernt sich die circadiane Uhr allmählich immer weiter von der tatsächlichen Tageszeit, so dass ihre Wach- und Schlafperioden nicht mehr mit denen der Menschen in der Außenwelt übereinstimmen. Werden solche Versuchspersonen aber wieder natürlichem Licht ausgesetzt, stellt sich ihre innere Uhr sehr schnell neu auf den tatsächlichen Hell-dunkel-Zyklus ein, ein Vorgang, der als Entrainment (Mitführung) bezeichnet wird.

Der Sonnenkompass der Monarchfalter vergleicht den Sonnenstand mit der Tageszeit – eine Beziehung, die sich sowohl mit der geographischen Breite als auch mit der geographischen Länge verändert. Der Schmetterling muss also über eine innere Uhr verfügen, die wie unsere eigene automatisch vom Licht synchronisiert wird und damit während der langen Reise einen Ausgleich für die wechselnden Zeiten des Sonnenauf- und -untergangs schafft. Aber wo ist diese innere Uhr im Monarchfalter angesiedelt?

Wie die Urquharts sehr schnell bemerkten, ist die Arbeit mit Schmetterlingen nicht unbedingt einfach. Ein viel bequemeres Insekt für die Laborarbeit ist die Taufliege Drosophila, die uns im letzten Kapitel bereits begegnet ist, als sie mit dem Geruchssinn den Weg durch ein Labyrinth fand. Sie vermehrt sich sehr schnell und kann leicht mutieren. Wie wir, so stellen auch Taufliegen ihren Tagesrhythmus auf den Kreislauf von hell und dunkel ein. Im Jahr 1998 fanden Genetiker eine Mutante, deren Tagesrhythmus sich durch die Einwirkung von Licht nicht mehr beeinflussen lässt.[2] Wie sie entdeckten, lag die Mutation in dem Gen für ein Protein namens Cryptochrom, dass in den Augen angesiedelt ist. Ganz ähnlich wie die Proteingerüste in den Photosynthesekomplexen, die die Chlorophyllmoleküle zusammenhalten (siehe Kapitel 4), so ist auch das Cryptochromprotein um ein Pigmentmolekül namens FAD (Flavin-Adenin-Dinucleotid) gewickelt, das blaues Licht absorbiert. Wie bei der Photosynthese schlägt das absorbierte Licht ein Elektron aus dem Pigment heraus, und daraufhin entsteht ein Signal, das zum Gehirn der Fliege wandert und die innere Uhr mit dem täglichen Hell-dunkel-Zyklus synchronisiert. Die 1998 entdeckten mutierten Fliegen hatten dieses Protein verloren, so dass sich ihre innere Uhr nicht mehr auf den Wechsel zwischen Licht und Dunkelheit einstellte: Sie hatten keinen Sinn für den Tagesrhythmus mehr.

Ähnliche Cryptochrompigmente fand man später auch in den Augen vieler anderer Tiere einschließlich des Menschen, ja sogar in Pflanzen und photosynthetisch aktiven Mikroorganismen. Dort helfen sie vorherzusagen, welche Tageszeit sich am besten für die Photosynthese eignet. Wahrscheinlich stellen sie einen sehr alten Sinn der Lichtwahrnehmung dar, der sich in der Evolution der Mikroorganismen schon vor Jahrmilliarden entwickelt hat, um die Aktivität der Zellen mit dem Tagesrhythmus in Einklang zu bringen.

Cryptochrom kommt auch in den Antennen der Monarchfalter vor. Das war anfangs rätselhaft: Was hatte ein Augenpigment in den Antennen zu suchen? Aber die Antennen von Insekten sind wahrhaft erstaunliche Organe: In ihnen sind mehrere Sinnesorgane angesiedelt, darunter die für Riechen und Hören, aber auch für die Wahrnehmung des Luftdrucks und sogar der Schwerkraft. Konnten sie auch für die circadiane Wahrnehmung der Insekten verantwortlich sein? Um diese Hypothese zu überprüfen, malten Wissenschaftler die Antennen einiger Schmetterlinge schwarz an, so dass sie keine Lichtsignale mehr aufnehmen konnten. Die Folge: Schmetterlinge mit geschwärzten Antennen konnten ihren Sonnenkompass nicht mehr auf den Tag-Nacht-Zyklus abstimmen – sie hatten ihren circadianen Sinn verloren. Offensichtlich beherbergen die Antennen also tatsächlich die biologische Uhr der Schmetterlinge. Bemerkenswerterweise konnte man diese Uhr selbst dann mit Licht synchronisieren, wenn die Antennen vom Körper des Insekts abgetrennt waren.

War das Cryptochrom bei den Monarchfaltern für die Synchronisation verantwortlich? Leider kann man in den Genen von Schmetterlingen nicht so einfach Mutationen herbeiführen wie in denen von Taufliegen; deshalb taten Steven Reppert und seine Kollegen von der University of Massachusetts 2008 das Zweitbeste: Sie tauschten das defekte Cryptochromgen der Taufliegen gegen das gesunde Gen des Monarchfalters aus und konnten nachweisen, dass damit die Fähigkeit der Fliege, den Tagesrhythmus auf das Licht abzustimmen, wiederhergestellt war.[3] Wenn das Cryptochrom des Schmetterlings es schaffte, Taufliegen zeitlich zu eichen, erfüllte es die gleiche Aufgabe wahrscheinlich auch bei Schmetterlingen: Es stellte ihre innere Uhr so ein, dass sie den ganzen Weg von Toronto bis nach Mexiko fliegen konnten, ohne sich zu verirren.

Aber was hat das alles mit Quantenmechanik zu tun? Um diese Frage zu beantworten, müssen wir uns mit einem anderen Aspekt von Tierwanderungen beschäftigen, nämlich mit dem »Magnetsinn«, wie wir ihn nennen: der Fähigkeit, das Erdmagnetfeld wahrzunehmen. Dass viele Tiere, darunter Taufliegen und Schmetterlinge, über diese Fähigkeit verfügen, ist schon länger bekannt, und insbesondere der Magnetsinn von Rotkehlchen ist geradezu zum Aushängeschild der Quantenbiologie geworden. Im Jahr 2008 wusste man bereits, dass auch das Licht für den Magnetsinn der Rotkehlchen eine Rolle spielt (später mehr darüber), aber die Natur des Lichtrezeptors blieb rätselhaft. Steven Reppert ging der Frage nach, ob das Cryptochrom, das bei den Fliegen für die Lichtempfindlichkeit und damit für die Abstimmung des Tagesrhythmus sorgt, auch am Magnetsinn beteiligt sein könnte. Um seine Theorie zu überprüfen, führte er ein Zweikanal-Auswahlexperiment durch, ganz ähnlich dem, mit dem Gabriele Gerlach bei Clownfischen die Navigation mittels des Geruchssinnes nachgewiesen hatte (siehe Kapitel 5): Dabei wird das Tier gezwungen, sich mit Hilfe sensorischer Wahrnehmungen zwischen zwei Wegen zur Nahrung zu entscheiden.

Wie die Wissenschaftler feststellten, konnte man die Fliegen so trainieren, dass sie eine Belohnung in Form von Zucker mit einem Magnetfeld in Verbindung brachten. Wenn sie die Wahl hatten, in einen magnetisierten oder einen nicht magnetisierten Arm eines Labyrinths zu fliegen (das dieses Mal keine Nahrung und damit auch keine Geruchsreize enthielt), entschieden sie sich für den magnetisierten Weg. Offensichtlich spürten die Fliegen also das Magnetfeld. War daran das Cryptochrom beteiligt? Die Wissenschaftler beobachteten, dass mutierte Taufliegen, die aufgrund gentechnischer Eingriffe kein Cryptochrom besaßen, mit gleicher Häufigkeit in beide Arme des Labyrinths hineinflogen. Damit war gezeigt, dass das Cryptochrom für den Magnetsinn unentbehrlich ist.

In ihrem 2010 erschienenen Fachartikel wies Repperts Gruppe außerdem nach, dass die Fliegen ihren Magnetsinn behalten, wenn man ihr Cryptochromgen gegen das Gen austauscht, das Cryptochrom in Monarchfaltern codiert;[4] damit war gezeigt, dass auch der Monarchfalter dieses Protein durchaus zur Wahrnehmung des Erdmagnetfeldes nutzen könnte. In einem Artikel derselben Arbeitsgruppe aus dem Jahr 2014 wurde sogar nachgewiesen, dass der Monarchfalter genau wie das Rotkehlchen einen lichtempfindlichen Neigungskompass besitzt, mit dem er seinen Weg von den Großen Seen bis auf einen Berggipfel in Mexiko findet; und erwartungsgemäß sieht es so aus, als wäre dieser Kompass in den Antennen angesiedelt.[5]

Aber wie kann ein Lichtpigment auch ein unsichtbares Magnetfeld wahrnehmen? Um diese Frage zu beantworten, müssen wir noch einmal zu unserem Rotkehlchen zurückkehren.

Der Kompass der Vögel

Wie in Kapitel 1 dargelegt, ist unser Planet ein riesiger Magnet mit einem Magnetfeld, das sich von seinem innersten Kern über Tausende von Kilometer in den Weltraum erstreckt. Diese magnetisierte Blase, auch »Magnetosphäre« genannt, schützt alles Leben auf der Erde, denn ohne sie hätte der Sonnenwind – der Strom energiereicher Teilchen, der von der Sonne ausgeht – unsere Atmosphäre schon längst zerstört. Und anders als der Magnetismus eines typischen Stabmagneten verändert sich das Magnetfeld der Erde im Laufe der Zeit, weil seine Ursprünge im geschmolzenen Eisenkern der Erde liegen. Im Einzelnen ist seine Entstehung kompliziert, aber nach heutiger Kenntnis hat es seine Ursache im sogenannten Geodynamo-Effekt: Durch die Zirkulation flüssiger Metalle im Erdkern entstehen elektrische Ströme, die ihrerseits ein Magnetfeld erzeugen.

Das Leben auf der Erde verdankt seine Existenz also dem schützenden Magnetfeld, aber das ist nicht sein einziger Nutzen für die Lebewesen. In der Wissenschaft ist schon seit über einem Jahrhundert bekannt, dass viele biologische Arten raffinierte Wege entwickelt haben, um das Magnetfeld für sich nutzbar zu machen; genau wie Seeleute, die es schon seit Jahrtausenden für die Navigation auf den Ozeanen nutzen. Aber anders als Seefahrer haben diese Lebewesen, darunter Meeres- und Landsäugetiere, Vögel (wie unser Rotkehlchen) und Insekten, im Laufe der Jahrmillionen einen eigenen Sinn hervorgebracht, der das Magnetfeld der Erde wahrnimmt und zur Orientierung nutzt.

Erste Belege für solche Fähigkeiten lieferte der russische Zoologe Alexander von Middendorf (1815–1894): Er zeichnete für mehrere Arten von Zugvögeln die Ankunftsorte und -zeiten auf. Auf der Grundlage dieser Daten zeichnete er auf einer Landkarte mehrere Kurven ein, die er als Isepiptesen (Linien der gleichzeitigen Ankunft) bezeichnete. Diese zeigten, aus welcher Richtung die Vögel ankamen, und daraus leitete er die Erkenntnis ab, dass es eine »allgemeine Konvergenz nach Norden« in Richtung des magnetischen Nordpols gebe. Als er in den 1850er Jahren seine Befunde veröffentlichte, äußerte er die Vermutung, dass sich Zugvögel am Erdmagnetfeld orientieren. Middendorf bezeichnete sie als »Seeleute der Lüfte«, die »dem Wind, dem Wetter, der Nacht und der Bewölkung zum Trotz« ihren Weg finden.[6]

Die meisten anderen Zoologen des 19. Jahrhunderts blieben skeptisch. Paradoxerweise mochten selbst Forscher, die eher exotische, pseudowissenschaftliche Vorstellungen wie die von paranormaler Aktivität anzuerkennen bereit waren – was im späten 19. Jahrhundert viele prominente Wissenschaftler taten – nicht glauben, dass Magnetfelder Einfluss auf Lebewesen hätten. Joseph Jastrow zum Beispiel, ein amerikanischer Psychologe und Parapsychologe, veröffentlichte 1886 in der Zeitschrift Science einen Brief mit der Überschrift »The existence of a magnetic sense« (Die Existenz eines Magnetsinns). Darin beschrieb er Experimente, mit denen er untersucht hatte, ob Menschen sich in irgendeiner Form von einem Magnetfeld beeinflussen lassen. Er musste einräumen, dass er keine entsprechende Empfindlichkeit irgendeiner Art gefunden hatte.

Springen wir nun ins 20. Jahrhundert: Hier stoßen wir auf die Arbeiten des amerikanischen Physikers Henry Yeagley, der während des Zweiten Weltkrieges im Auftrag des US Army Signal Corps forschte. Die Navigation der Vögel war für das Militär von Interesse, weil man für den Transport von Nachrichten immer noch Brieftauben benutzte; die Ingenieure hofften darauf, mehr über deren Orientierungsvermögen zu erfahren. Aber wie es den Vögeln gelingt, so zielsicher den Weg nach Hause zu finden, blieb ein Rätsel. Yeagley entwickelte eine Theorie, wonach Brieftauben sowohl die Drehung als auch das Magnetfeld der Erde wahrnehmen. Das, so behauptete er, schaffe im Gehirn der Vögel ein »Navigations-Gitternetz« mit Koordinaten für die geographische Länge und Breite. Zur Überprüfung seiner Theorie befestigte er sogar kleine Magneten an den Flügeln von zehn Tauben und nichtmagnetische Kupferstreifen des gleichen Gewichts an zehn anderen. Acht der zehn Vögel, an deren Flügeln die Kupferstreifen befestigt waren, fanden den Heimweg, aber von den zehn Tauben mit den an den Flügeln befestigten Magneten erreichte nur eine das Nest. Daraus zog Yeagley den Schluss, dass die Vögel zur Navigation einen Magnetsinn benutzen, der sich durch magnetische Metallstreifen stören lässt.[7]

Anfangs wurden Yeagleys experimentelle Befunde als an den Haaren herbeigezogen abgetan; mittlerweile haben jedoch mehrere Wissenschaftler jeden vernünftigen Zweifel ausgeräumt und nachgewiesen, dass die verschiedensten Tiere über eine natürliche Sensibilität für das Erdmagnetfeld verfügen, die ihnen einen sehr genauen Richtungssinn verleiht. Meeresschildkröten zum Beispiel können ohne jegliche sichtbare Orientierungsmarke zu demselben Strand zurückkehren, an dem sie geschlüpft sind, selbst wenn dieser Tausende von Kilometern von ihren Fressgründen im Ozean entfernt ist. Und wie die Wissenschaftler nachweisen konnten, wird ihre Navigationsfähigkeit gestört, wenn man starke Magneten an ihrem Kopf befestigt. Im Jahr 1997 äußerte ein Team der Universität im neuseeländischen Auckland in dem Fachblatt Nature die Vermutung, dass Regenbogenforellen sich der in ihrer Nase vorhandenen Magnetrezeptorzellen bedienen.[8] Wenn sich diese Behauptung als richtig erweisen sollte, wäre es das erste Beispiel für eine Spezies, die in der Lage ist, die Richtung des Erdmagnetfeldes zu riechen! Mikroorganismen finden mit Hilfe des Erdmagnetfeldes in trübem Wasser ihre Richtung, und sogar bei Lebewesen, die nicht wandern, beispielsweise bei Pflanzen, hat sich offenbar ein Magnetsinn erhalten.

Dass Tiere das Erdmagnetfeld wahrnehmen können, ist heute nicht mehr zu bezweifeln. Die Frage ist nur, wie sie es tun – schließlich ist das Erdmagnetfeld außerordentlich schwach, und normalerweise würde man nicht damit rechnen, dass es irgendwelche chemischen Reaktionen im Organismus beeinflussen kann. Es gibt dazu zwei wichtige Theorien, und wahrscheinlich haben beide bei verschiedenen Tierarten ihre Gültigkeit. Nach der ersten funktioniert der Magnetsinn wie ein herkömmlicher Magnetkompass, während die zweite davon ausgeht, dass die Wahrnehmung durch einen chemischen Kompass vermittelt wird.

Die erste Idee, dass eine Art konventioneller Kompassmechanismus irgendwo im Körper eines Tieres angesiedelt ist, erhielt Unterstützung durch die Entdeckung, dass in vielen Tieren und Mikroorganismen, die offensichtlich einen Magnetsinn besitzen, winzige Kristalle aus Magnetit vorhanden sind, einem natürlich vorkommenden magnetischen Eisenoxid-Mineral. So sind beispielsweise Bakterien, die sich mit Hilfe eines Magnetsinns in schlammigen Meeressedimenten orientieren, häufig voller pistolenkugelförmiger Magnetitkristalle.

Bis Ende der 1970er Jahre hatte man Magnetit im Körper verschiedener Tierarten entdeckt, die bekanntermaßen mit Hilfe des Erdmagnetfeldes ihren Weg finden. Insbesondere kommt das Mineral offenbar in Neuronen im oberen Teil des Schnabels der berühmtesten navigierenden Vögel vor: der Brieftauben.[9] Man kann also vermuten, dass diese Neuronen auf magnetische Signale ansprechen, die sie von den Magnetitkristallen aufnehmen, und diese Signale dann ans Gehirn des Tiers weiterleiten. In neueren Forschungsarbeiten zeigte sich, dass Brieftauben die Orientierung verlieren und das Erdmagnetfeld nicht mehr wahrnehmen, wenn man am oberen Teil des Schnabels, in dem die mit Magnetit gefüllten Neuronen liegen, kleine Magnete anbringt.[10] Damit sah es so aus, als hätte man endlich den Sitz der magnetempfindlichen Sinneswahrnehmung lokalisiert.

Dann aber, im Jahr 2012, stand plötzlich wieder alles auf Anfang: Damals wurde in einem weiteren Artikel in Nature eine detaillierte 3D-Untersuchung des Taubenschnabels veröffentlicht. Man hatte dazu einen MRT-Scanner benutzt und war zu der Erkenntnis gelangt, dass die magnetithaltigen Zellen im Schnabel der Vögel mit ziemlicher Sicherheit überhaupt nichts mit der Magnetwahrnehmung zu tun haben, sondern vielmehr eisenreiche Makrophagen sind: Zellen, die an der Immunabwehr von Krankheitserregern mitwirken, nach derzeitigem Kenntnisstand aber nichts mit Sinneswahrnehmung zu tun haben.[11]

An dieser Stelle sollten wir noch einmal auf den bemerkenswerten deutschen Ornithologen Wolfgang Wiltschko zurückkommen, den wir in Kapitel 1 kennengelernt haben. Wiltschkos Interesse am Orientierungssinn der Vögel erwachte 1958, als er sich in Frankfurt einer Forschergruppe anschloss, die von dem Ornithologen Fritz Merkel geleitet wurde. Merkel war zu jener Zeit einer der wenigen Wissenschaftler, die sich mit dem Magnetsinn der Tiere beschäftigten. Hans Fromme, einer seiner Studenten, hatte bereits nachgewiesen, dass sich manche Vögel auch im Inneren gesichtsloser, geschlossener Räume orientieren können; damit war gezeigt, dass ihre Navigationsfähigkeit nicht auf optischen Anhaltspunkten beruht. Fromme hatte zwei mögliche Mechanismen vorgeschlagen: Entweder empfingen die Vögel irgendeine Art von Funksignalen aus dem All, oder sie konnten das Magnetfeld der Erde wahrnehmen. Wolfgang Wiltschko hatte den Verdacht, dass die zweite Möglichkeit zutrifft.

Im Herbst 1963 begann Wiltschko mit Rotkehlchen zu experimentieren, die, wie erwähnt, normalerweise zwischen Nordeuropa und Nordafrika hin- und herwandern. Er fing die Vögel während der Wanderung ein, brachte sie in magnetisch abgeschirmte Kammern und setzte sie dann einem schwachen, künstlichen, unveränderlichen Magnetfeld aus. Dieses wurde von einer sogenannten Helmholtz-Spule erzeugt, einer Vorrichtung, mit der man das Magnetfeld der Erde nachahmen kann, wobei sich aber seine Stärke und Orientierung verändern lassen. Dabei stellte er fest, dass die Vögel, die er im Herbst oder Frühjahr während des Vogelzuges eingefangen hatte, unruhig wurden und sich auf der Seite der Kammer sammelten, die im Verhältnis zu dem künstlichen Magnetfeld ihrer Wanderungsrichtung entsprach. Nach zweijährigen, peinlich genauen Arbeiten veröffentlichte er 1965 seine Befunde: Er wies nach, dass die Vögel auf die Richtung des angelegten Magnetfeldes ansprechen; deshalb, so seine Vermutung, spüren sie auf ganz ähnliche Weise auch das Magnetfeld der Erde.

Die Experimente verschafften der Vorstellung vom Magnetsinn der Vögel ein gewisses Ansehen und gaben Anlass zu weiteren Forschungsarbeiten. Zu jener Zeit hatte aber niemand auch nur die geringste Idee, wie ein solcher Sinn funktionieren könnte. Wie konnte das extrem schwache Magnetfeld der Erde einen Einfluss auf den Körper von Tieren haben? Nicht einmal in der Frage, wo das Magnetsinnesorgan im Körper der Tiere liegt, waren sich die Wissenschaftler einig. Selbst nachdem man bei mehreren Tierarten die Magnetitkristalle gefunden hatte, die auf einen herkömmlichen Kompassmechanismus schließen ließen, blieb die Navigationsfähigkeit des Rotkehlchens ein Rätsel, denn im Körper dieser Tiere konnte man nirgendwo Magnetit nachweisen. Außerdem hatte der Magnetsinn der Rotkehlchen mehrere rätselhafte Eigenschaften, die nicht zu einem Magnetkompass passten – nicht zuletzt deshalb, weil die Vögel ihre Fähigkeit verloren, wenn man ihnen die Augen verband; dies ließ darauf schließen, dass sie das Magnetfeld der Erde »sehen« müssen. Aber wie kann ein Tier ein Magnetfeld sehen?

Im Jahr 1972 entdeckte das Ehepaar Wiltschko (Wolfgang arbeitete jetzt mit seiner Frau Roswitha zusammen), dass der Kompass des Rotkehlchens anders war als alles, was man bis dahin studiert hatte. Ein normaler Kompass hat eine Magnetnadel, deren eines Ende (der Südpol) vom magnetischen Nordpol der Erde angezogen wird, während das andere Ende in Richtung des Südpols zeigt. Es gibt aber noch eine andere Art Kompass, und die unterscheidet nicht zwischen den Magnetpolen. Erinnern wir uns noch einmal an Kapitel 1: Ein solcher Neigungskompass zeigt immer zum nächstgelegenen Pol; er sagt also nur etwas darüber aus, ob man sich in Richtung dieses Pols oder von ihm wegbewegt, unabhängig davon, um welchen Pol es sich handelt. Um solche Informationen zu gewinnen, kann man den Winkel zwischen den magnetischen Feldlinien der Erde und der Erdoberfläche messen (Abbildung 6.1). Dieser Neigungswinkel (daher der Name für einen solchen Kompass) beträgt in der Nähe der Pole nahezu 90 Grad (das heißt, er weist senkrecht zur Erde), am Äquator dagegen verlaufen die Linien parallel zum Äquator. Zwischen Äquator und Pol treffen die magnetischen Feldlinien in einem Winkel von weniger als 90 Grad auf die Erde, und dabei weisen sie in Richtung des nächstgelegenen Pols. Jede Vorrichtung, die diesen Winkel misst, kann also als Neigungskompass dienen und Informationen über die Richtung liefern.

Abb. 6.1: Die magnetischen Feldlinien der Erde und der Neigungswinkel.

Für die Experimente, die das Ehepaar Wiltschko 1972 anstellte, hielten sie die Versuchsvögel wiederum in einer abgeschirmten Kammer und setzten sie einem künstlichen Magnetfeld aus. Dieses Mal kehrten sie die Polarität des Feldes um, indem sie den Magneten um 180 Grad drehten, aber das hatte auf das Verhalten der Vögel keine Auswirkungen: Die Tiere orientierten sich nach wie vor in Richtung des nächstgelegenen Magnetpols, ganz gleich, welcher es war; einen herkömmlichen Magnetkompass besaßen sie also nicht. In dem Artikel von 1972 wurde nachgewiesen, dass es sich bei dem Magnetsinn der Rotkehlchen tatsächlich um einen Neigungskompass handelt. Wie er allerdings funktioniert, war nach wie vor ein Rätsel.

Im Jahr 1974 wurden Wolfgang und Roswitha von Steve Emlen, einem amerikanischen Experten für den Vogelzug, in die Vereinigten Staaten an die Cornell University eingeladen. Emlen hatte in den 1960er Jahren zusammen mit seinem Vater – auch er ein angesehener Ornithologe – eine besondere Kammer für Vögel entwickelt, die unter dem Namen Emlen-Trichter bekannt wurde. Der Trichter ist wie ein kopfstehender Kegel geformt und trägt am Boden ein Stempelkissen sowie Löschpapier an den inneren, abschüssigen Seiten (Abbildung 6.2). Wenn ein Vogel an den schrägen Wänden in die Höhe hüpft oder flattert, hinterlässt er Fußabdrücke, und die liefern Informationen darüber, in welcher Richtung er fliegen würde, wenn er entkommen könnte. Die Wiltschkos studierten an der Cornell University die Indigofinken, eine Spezies kleiner nordamerikanischer Singvögel, die wie das europäische Rotkehlchen für ihre Wanderungen eine Art inneren Kompass benutzen. Ihre jahrelangen Untersuchungen am Verhalten der Vögel im Emlen-Trichter wurden 1976 veröffentlicht;[12] darin wiesen sie zweifelsfrei nach, dass die Indigofinken wie die Rotkehlchen das Erdmagnetfeld wahrnehmen können. Wolfgang Wiltschko hält die Veröffentlichung dieses ersten Artikels aus seiner Zeit an der Cornell University für den Durchbruch der Arbeitsgruppe: Mit ihm war zum ersten Mal eindeutig gezeigt, dass Zugvögel über einen eingebauten Magnetkompass verfügen, und damit weckte er auf der ganzen Welt die Aufmerksamkeit vieler weiterer führender Ornithologen.

Abb. 6.2: Der Emlen-Trichter.

Mitte der 1970er Jahre konnte sich niemand vorstellen, wie ein solcher biologischer Magnetkompass funktionieren soll. Doch wie bereits erwähnt, schlug der deutsche Chemiker Klaus Schulten im gleichen Jahr, in dem die Wiltschkos und Emlen ihre Ergebnisse veröffentlichten, einen chemischen Mechanismus vor, der eine Verbindung zwischen dem Licht- und dem Magnetsinn herstellt. Schulten hatte kurz zuvor an der Harvard University in physikalischer Chemie promoviert und war dann nach Europa zurückgekehrt, um in Göttingen eine Stelle am Max-Planck-Institut für Biophysikalische Chemie anzutreten. Dort interessierte er sich für die Frage, ob Elektronen, die in der schnellen Triplettreaktion durch die Einwirkung von Licht entstehen, quantenmechanisch verschränkt sein könnten. Seine Berechnungen legten die Vermutung nahe, dass sich ein äußeres Magnetfeld auf die Geschwindigkeit chemischer Reaktionen auswirken kann, vorausgesetzt, an diesen Reaktionen ist tatsächlich die Verschränkung beteiligt. Außerdem schlug er einen Weg vor, auf dem man seine Theorie beweisen könnte.

Da Schulten so freimütig über seine Gedanken redete, erwarb er sich am Max-Planck-Institut den Ruf, ein wenig verrückt zu sein. Er hatte das Problem, dass er kein Chemiker war, sondern theoretischer Physiker, der mit Papier, Bleistift und Computern arbeitete, und erst recht war er kein experimenteller Chemiker, der einen Labormantel anziehen und die Experimente anstellen konnte, die seine Ideen beweisen würden. Damit war er in der gleichen Lage wie viele Theoretiker, die eine hübsche Idee haben, dann aber einen freundlichen, experimentell arbeitenden Kollegen finden müssen, der bereit ist, in seinem vollen Laborzeitplan die Zeit abzuzweigen und eine Theorie zu überprüfen, die sich in der Mehrzahl der Fälle als falsch erweisen wird. Schulten hatte Pech: Er konnte keinen seiner Chemikerkollegen überreden, es mit seinen Gedanken zu probieren, denn keiner glaubte, dass das von ihm vorgeschlagene Experiment auch nur die geringsten Erfolgsaussichten hatte.

Wie Schulten bemerkte, lag der Ausgangspunkt der Skepsis bei Hubert Staerk, dem Geschäftsführer des Instituts. Schließlich nahm Schulten seinen Mut zusammen und stellte Staerk in dessen Büro zur Rede; nun erfuhr er endlich den Grund für die tiefverwurzelte Skepsis: Staerk hatte das Experiment bereits gemacht und keine Wirkung des Magnetfeldes gefunden. Schulten war wie vom Donner gerührt. Anscheinend sollte seine Hypothese das Schicksal erleiden, das der Evolutionsbiologe Thomas Huxley so beschrieben hatte: Sie sei wieder einmal eine »wunderschöne Theorie – die von einer hässlichen Tatsache zunichtegemacht wird«.

Nachdem der entmutigte Schulten sich bei Staerk für die Durchführung des Experiments bedankt hatte, wollte er dessen Büro schon verlassen, wandte sich dann aber noch einmal um und bat darum, die enttäuschenden Daten sehen zu dürfen. Als Staerk ihm die Akte zeigte, besserte Schultens Laune sich schlagartig. Ihm fiel etwas auf, was Staerk übersehen hatte: In den Daten gab es eine kleine, aber bedeutsame Unregelmäßigkeit, die er genau so vorausgesagt hatte. Wie er berichtet, war es »genau das, was ich erwartet hatte, und deshalb war ich sehr glücklich, als ich es sah. Eine Katastrophe verwandelte sich in einen Glücksmoment, denn nun wusste ich, wonach ich suchen musste. Er wusste es nicht.«[13]

Sofort setzte sich Schulten hin und schrieb einen wissenschaftlichen Artikel; er war sicher, dass ihm damit der Durchbruch gelingen würde – aber wenig später erlitt er den zweiten Schock. Als er auf einer Tagung mit der Kollegin Maria-Elisabeth Michel-Beyerle von der Technischen Universität München bei einem Drink zusammensaß, erfuhr er, dass Michel-Beyerle genau das gleiche Experiment angestellt hatte. Damit stürzte sie Schulten in ein ethisches Dilemma. Er konnte seine Entdeckung enthüllen und die Kollegin damit veranlassen, eilig nach München zurückzukehren und selbst einen Artikel zu schreiben, womit sie seiner Veröffentlichung zuvorkommen würde, oder er könnte unter einer Ausrede sofort nach Göttingen reisen und dort seine Befunde zu Papier bringen. Wenn er aber flüchtete, ohne ein Wort zu sagen, und dann als Erster veröffentlichte, konnte Michel-Beyerle ihm hinterher vorwerfen, er habe ihre Idee gestohlen. Er erinnert sich noch, was er damals dachte: »Wenn ich jetzt nicht sage, was ich weiß, wird sie später behaupten, ich sei nach Hause gegangen und hätte das Experiment gemacht.«[14] Am Ende schenkte Schulten der Kollegin reinen Wein ein und erklärte, er habe selbst ähnliche Arbeiten unternommen. Beide Wissenschaftler blieben bis zum Ende der Tagung und kehrten dann nach Hause zurück, um jeweils eigene Artikel zu schreiben (der von Schulten erschien ein wenig eher als der von Michel-Beyerle). Sie schilderten darin ihre Entdeckung, dass die seltsame Eigenschaft der Quantenverschränkung tatsächlich chemische Reaktionen beeinflussen kann.

In seinem 1976 erschienenen Artikel[15] äußerte Schulten die Vermutung, dass die Quantenverschränkung für die Geschwindigkeit der exotischen schnellen Triplettreaktion sorgt, die im Labor des Max-Planck-Instituts untersucht wurde. In seinem bahnbrechenden Aufsatz stellte er aber auch die experimentellen Befunde von Staerk dar, die eindeutig zeigten, dass die chemische Reaktion auf Magnetfelder anspricht. Mit zwei so bedeutsamen Ergebnissen »im Sack« wären viele Wissenschaftler zufrieden gewesen; Schulten dagegen besaß mit seinen knapp 30 Jahren die Unbekümmertheit der Jugend und war bereit, sich noch weiter aus dem Fenster zu lehnen. Er kannte die Arbeiten der Wiltschkos zur Orientierungsfähigkeit der Rotkehlchen und wusste, wie problematisch es war, einen plausiblen chemischen Mechanismus für einen biologischen Kompass zu finden; dabei wurde ihm klar, dass seine rotierenden Elektronen genau einen solchen Mechanismus liefern konnten. In einem 1978 erschienenen Artikel äußerte er die Vermutung, der Kompass der Vögel könne auf einem Mechanismus mit quantenmechanisch verschränkten Radikalpaaren beruhen.

Zu jener Zeit nahm kaum jemand seine Idee ernst. Schultens Kollegen am Max-Planck-Institut hielten sie wieder einmal für einen seiner verrückten Gedanken, und ebenso wenig beeindruckt waren die Redakteure von Science, der führenden Fachzeitschrift, an die er seinen Artikel als Erstes schickte. Sie schrieben: »Ein weniger kühner Wissenschaftler hätte diese Idee für den Papierkorb ausersehen.«[16] Seine Reaktion beschreibt Schulten so: »Ich habe mich am Kopf gekratzt und gedacht: ›Meine Idee ist entweder genial oder völlig idiotisch.‹ Dann bin ich zu der Entscheidung gelangt, dass es eine großartige Idee ist, und habe sie sehr schnell in einer deutschen Fachzeitschrift veröffentlicht!«[17] Als es so weit war, ordneten die meisten Wissenschaftler, die Schultens spekulative Theorie überhaupt kannten, sie in die Schublade der pseudowissenschaftlichen, paranormalen Erklärungen für den Magnetsinn ein.

Bevor wir uns klarmachen, wie Schultens Arbeiten und die der Eheleute Wiltschko vielleicht erklären können, wie Vögel ihren Weg rund um die Erde finden, müssen wir noch einmal auf die rätselhafte Quantenwelt zurückkommen und uns das Phänomen der Verschränkung, das wir im ersten Kapitel bereits kurz beschrieben haben, ein wenig genauer ansehen. Erinnern wir uns: Die Verschränkung ist so seltsam, dass sogar Einstein darauf beharrte, sie könne nicht existieren. Zuerst jedoch müssen wir uns mit einer weiteren speziellen Eigenschaft der Quantenwelt bekannt machen: dem »Spin«.

Quantenspin und gespenstische Vorgänge

In den meisten populärwissenschaftlichen Büchern über Quantenmechanik benutzt man den Begriff des »Quantenspins« dazu, die seltsamen Eigenschaften der subatomaren Welt zu verdeutlichen. Wir haben bis hierher darauf verzichtet, denn dieser Begriff ist wahrscheinlich weiter als jedes andere Phänomen von allem entfernt, was wir mit unserer Alltagssprache ausdrücken können. Jetzt aber können wir die Aufgabe nicht länger vor uns herschieben. Also los!

Genau wie die Erde, die sich auf ihrem Weg um die Sonne auch um die eigene Achse dreht, haben Elektronen und andere subatomare Teilchen eine Eigenschaft, die man als Spin bezeichnet und die sich von ihrer normalen Bewegung unterscheidet. Aber wie wir in Kapitel 1 bereits angedeutet haben, ist dieser »Quantenspin« mit nichts zu vergleichen, was wir uns auf der Grundlage unserer Alltagserfahrungen mit rotierenden Gegenständen wie Tennisbällen oder Planeten vor Augen führen können. Zunächst einmal hat es eigentlich keinen Sinn, von der Geschwindigkeit des Elektronenspins zu sprechen, denn dieser kann nur zwei Werte haben: Er ist in Quanten aufgeteilt wie die Energie, die auf der Quantenebene in festen Portionen vorkommt. Elektronen können, locker gesagt, nur einen Spin in Uhrzeiger- oder in Gegenuhrzeigerrichtung haben; dies bezeichnet man in der Regel als die Spinzustände »up« und »down«. Und da wir uns in der Quantenwelt befinden, kann sich ein Elektron in beiden Spinzuständen gleichzeitig befinden, solange es nicht beobachtet wird. Einen solchen Spinzustand bezeichnet man dann als Superposition (das heißt Kombination oder Mischung) aus Spin-up und Spin-down. In einem gewissen Sinn hört sich das fast noch seltsamer an, als wenn man sagt, ein Elektron könne sich an zwei Orten zur gleichen Zeit befinden – wie kann sich ein einzelnes Elektron gleichzeitig im Uhrzeigersinn und im Gegenuhrzeigersinn drehen?

Nur um noch einmal deutlich zu machen, wie stark der Begriff des Quantenspins der Intuition widerspricht: Mit einer Rotation, die wir als Drehung um 360 Grad betrachten würden, kehrt ein Elektron nicht wieder in seinen ursprünglichen Zustand zurück; zu diesem Zweck muss es zwei volle Umdrehungen durchlaufen. Auch das hört sich seltsam an, weil wir uns ein Elektron meist immer noch wie eine winzige Kugel vorstellen, die einem sehr kleinen Tennisball ähnelt. Aber Tennisbälle gehören zur makroskopischen Welt, Elektronen dagegen existieren in der subatomaren Quantenwelt, in der andere Regeln gelten. In Wirklichkeit sind Elektronen eben keine winzigen Kugeln, ja man kann noch nicht einmal davon sprechen, dass sie überhaupt eine Größe haben. Der Quantenspin ist also ebenso »real« wie die Rotation eines Tennisballs, es gibt zu ihm aber in der vertrauten Alltagswelt keine Entsprechung, und man kann ihn auch nicht bildlich darstellen.

Dennoch sollte man nicht glauben, dass wir es hier nur mit einem abstrakten mathematischen Konzept zu tun haben, das ausschließlich in Lehrbüchern und undurchschaubaren Physikvorlesungen vorkommt. Jedes Elektron in unserem Körper und überall sonst im Universum hat einen solchen seltsamen Spin. Wäre das nicht der Fall, könnte die Welt, wie wir sie kennen, schlicht und einfach nicht existieren, denn der Quantenspin spielt eine Schlüsselrolle für eine der wichtigsten Gesetzmäßigkeiten in der Wissenschaft: das Pauli-Ausschlussprinzip oder kurz Pauli-Prinzip, das die Grundlage der gesamten Chemie bildet.

Aus dem Pauli-Prinzip ergibt sich unter anderem die Folgerung, dass zwei Elektronen, die sich als Paar in einem Atom oder Molekül befinden und die gleiche Energie besitzen (wie in Kapitel 3 erwähnt, bestehen die chemischen Bindungen, die Moleküle zusammenhalten, aus gemeinsamen Elektronen zwischen Atomen), einen entgegengesetzten Spin haben müssen. Man kann sich vorstellen, dass ihr Spin sich gegenseitig aufhebt, und man spricht davon, dass sie sich in einem Spin-Singulettzustand befinden, da sie nur in einem einzigen Zustand vorliegen können. Dies ist der normale Zustand der Elektronenpaare in Atomen und den meisten Molekülen. Sind zwei Elektronen dagegen nicht auf dem gleichen Energieniveau gepaart, können sie einen Spin in die gleiche Richtung haben; diesen sogenannten Spin-Triplettzustand[1] hatten die Elektronen in der Reaktion, mit der Schulten sich beschäftigte.[2]

Manch einer hat sicher schon einmal die höchst zweifelhafte Behauptung gehört, eineiige Zwillinge seien in der Lage, den emotionalen Zustand des jeweils anderen auch dann zu spüren, wenn beide weit voneinander entfernt sind. Irgendwie, so der Gedanke, sind Zwillinge auf einer übersinnlichen Ebene verbunden, die die Wissenschaft noch nicht versteht. Mit ähnlichen Behauptungen hat man auch zu erklären versucht, wie ein Hund scheinbar spürt, wann sein Besitzer nach Hause kommt. Wir sollten klarstellen, dass keines dieser Beispiele auch nur ansatzweise wissenschaftlich begründet ist, selbst wenn manchmal fälschlich versucht wurde, sie mit quantenmechanischen Prinzipien zu erklären. Aber obwohl eine solche »Sofortwirkung aus der Entfernung« (wie sie häufig genannt wird) in unserer klassischen Alltagswelt nicht vorkommt, ist sie im Bereich der Quantenmechanik ein Schlüsselmerkmal. Der Fachbegriff lautet Nichtlokalität oder Verschränkung; er bezeichnet die Vorstellung, dass etwas, was »hier drüben« geschieht, sich augenblicklich »dort drüben« auswirken kann, ganz gleich, wie weit das »dort« entfernt ist.

Betrachten wir zwei Würfel. Die mathematische Wahrscheinlichkeit, dass man einen Pasch wirft, lässt sich leicht ausrechnen. Für jede Zahl, die der erste Würfel anzeigt, besteht eine Wahrscheinlichkeit von 1 zu 6, dass der zweite Würfel die gleiche Augenzahl zeigt. Die Wahrscheinlichkeit, dass der erste Würfel eine 4 zeigt, ist 1/6, und die Chance für einen Viererpasch beträgt 1 zu 36 (1/6 x 1/6 = 1/36). Und die Chance, mit einer beliebigen Zahl einen Pasch zu würfeln, liegt natürlich bei 1 zu 6. Multipliziert man 1/6 zehnmal mit 1/6, hat man die Wahrscheinlichkeit berechnet, dass man zehnmal hintereinander einen Pasch würfelt (wobei man die Zahl außer Acht lässt – beispielsweise zweimal die 4, dann zweimal die 1, und so weiter): Sie liegt ungefähr bei 1 zu 60 Millionen! Würde also jeder Einwohner Großbritanniens zehnmal hintereinander jeweils zwei Würfel werfen, hätte statistisch nur einer davon jedes Mal einen Pasch.

Aber stellen wir uns nun einmal vor, jemand würde uns zwei Würfel geben, die jedes Mal, wenn man sie zusammen wirft, einen Pasch zeigen. Um welche Zahl es sich dabei jeweils handelt, scheint Zufall zu sein, denn das ändert sich mit jedem Wurf, aber bei beiden Würfeln liegt am Ende immer die gleiche Zahl oben. Natürlich würden wir annehmen, dass ein Trick dahintersteckt. Enthalten die Würfel vielleicht in ihrem Inneren einen raffinierten Mechanismus, der ihre Bewegung steuert, so dass sie in einer immer gleichen, vorprogrammierten Reihenfolge bestimmte Zahlen zeigen? Um diese Theorie zu überprüfen, halten wir zunächst einen Würfel fest und werfen nur den anderen, danach aber wieder beide. Jetzt müsste jede vorprogrammierte Serie aus dem Tritt geraten sein, so dass der Trick nicht funktioniert. Aber trotz einer solchen Strategie landen die Würfel weiterhin auf der gleichen Zahl.

Eine andere mögliche Erklärung lautet: Die Würfel synchronisieren sich vor jedem Wurf, indem sie über die Entfernung ein Signal austauschen. Ein solcher Mechanismus wirkt zwar ziemlich raffiniert, man kann ihn sich aber zumindest im Prinzip vorstellen. Jeder derartige Trick würde aber einer Einschränkung unterliegen, die ihm durch Einsteins Relativitätstheorie auferlegt wird: Danach kann kein Signal schneller wandern als mit Lichtgeschwindigkeit. Also steht uns ein Mittel zur Verfügung, mit dem wir überprüfen können, ob zwischen den Würfeln ein Signal hin und her wandert: Wir müssen nur dafür sorgen, dass die Würfel ausreichend weit voneinander entfernt sind und dass für den Austausch eines Synchronisierungssignals zwischen den Würfeln nicht genügend Zeit zur Verfügung steht. Malen wir uns also aus, wir würden den gleichen Trick ausprobieren wie oben, es aber irgendwie so einrichten, dass ein Würfel hier auf der Erde geworfen wird, der andere aber zur gleichen Zeit auf dem Mars. Selbst bei seiner geringsten Entfernung von der Erde braucht Licht vier Minuten, um von einem Planeten zum anderen zu wandern; wir wissen also, dass jedes Synchronisierungssignal mit einer ähnlichen Verzögerung eintreffen würde. Um es unwirksam zu machen, müssen wir nur dafür sorgen, dass die beiden Würfel in kürzeren Zeitabständen geworfen werden. Dies sollte verhindern, dass irgendein Signal die Würfel zwischen den Würfen synchronisiert. Fallen sie dennoch weiter auf übereinstimmende Zahlen, muss zwischen ihnen eine enge Beziehung bestehen, für die Einsteins berühmte Einschränkung nicht gilt.

Das beschriebene Experiment hat man zwar noch nicht mit interplanetaren Würfeln gemacht, doch entsprechende Versuche mit quantenverschränkten Teilchen wurden auf der Erde bereits angestellt; die Ergebnisse zeigen, dass weit voneinander entfernte Teilchen zu dem gleichen Trick in der Lage sind, den wir uns für unsere Würfel ausgemalt haben: Zwischen ihren Zuständen besteht weiterhin eine Korrelation, ganz gleich, wie groß die Entfernung zwischen ihnen ist. Dieser bizarre Aspekt der Quantenwelt scheint Einsteins kosmische Geschwindigkeitsbegrenzung nicht zu respektieren: Ein Teilchen, das sich an einem Ort befindet, kann im gleichen Augenblick ein anderes beeinflussen, wie weit die beiden auch voneinander entfernt sein mögen. Den Begriff »Verschränkung« für dieses Phänomen prägte Schrödinger, der wie Einstein kein Anhänger der »gespenstischen Fernwirkung« war, wie Einstein sie nannte. Aber aller Skepsis zum Trotz wurde die Quantenverschränkung in vielen Experimenten nachgewiesen, und heute gilt sie als eine der wichtigsten Ideen der Quantenmechanik; es gibt für sie viele Anwendungsbereiche und Beispiele in Physik und Chemie – und, wie wir noch erfahren werden, wahrscheinlich auch in der Biologie.

Um zu verstehen, wie sich die Quantenverschränkung mit der Biologie verschränkt, müssen wir zwei Überlegungen zusammennehmen. Die erste ist die Verbindung zwischen zwei Teilchen über den Raum hinweg – eben die Verschränkung. Und die zweite ist die Fähigkeit eines einzelnen Quantenteilchens, sich in einer Superposition von zwei oder mehr Zuständen gleichzeitig zu befinden: Ein Elektron kann beispielsweise zweierlei Spin haben, wir würden also sagen, es befindet sich in einer Superposition des »Spin-up«- und des »Spin-down«-Zustandes. Beide Gedanken fließen zusammen, wenn wir in einem Atom zwei verschränkte Elektronen haben, von denen sich jedes in der Superposition seiner beiden Spinzustände befindet. Zwar hat keines von beiden eine eindeutige Spinrichtung, aber was es auch tut, es beeinflusst den Spin seines Partners und wird von ihm beeinflusst. Aber erinnern wir uns: Elektronenpaare in demselben Atom befinden sich immer in einem Singulettzustand, das heißt, sie müssen stets einen entgegengesetzten Spin haben: das eine den Spin-up, das andere den Spin-down. Obwohl sich also beide Elektronen gleichzeitig in einer Superposition von Up und Down befinden, müssen sie auf eine seltsame, quantenmechanische Weise zu jedem beliebigen Zeitpunkt einen entgegengesetzten Spin haben.

Trennen wir nun die beiden verschränkten Elektronen, so dass sie sich nicht mehr in demselben Atom befinden. Wenn wir uns nun entschließen, den Spinzustand eines der beiden zu messen, zwingen wir es, zu wählen, welchen Spinzustand es einnimmt. Angenommen, wir finden bei der Messung den Zustand Spin-up. Da sich die Elektronen in einem verschränkten Singulett-Spinzustand befinden, muss das andere Elektron demnach den Zustand Spin-down haben. Aber wie gesagt: Vor der Messung lagen beide in der Superposition von Spin-up und Spin-down vor. Nach der Messung haben sie unterschiedliche Zustände: das eine ist Spin-up, das andere Spin-down. Das zweite Elektron hat also augenblicklich und aus der Ferne seinen physikalischen Zustand gewechselt: von der Superposition mit beiden Spinzuständen zum Zustand Spin-down – und das, obwohl es nicht angefasst wurde. Wir haben nur den Zustand seines Partners gemessen. Und im Prinzip spielt es keine Rolle, wie weit dieses zweite Elektron entfernt ist. Es könnte sich auf der anderen Seite des Universums befinden, und doch wäre der Effekt der gleiche: Die Vermessung eines Partners in einem verschränkten Paar lässt sofort die Superposition des anderen zusammenbrechen, ganz gleich, wie weit er entfernt ist.

Vielleicht hilft uns hier ein Vergleich (wenigstens ein bisschen!) weiter. Stellen wir uns ein Paar Handschuhe vor. Die beiden Handschuhe befinden sich einzeln in je einer verschlossenen Kiste, aber die beiden Kisten sind viele Kilometer voneinander entfernt. Eine von beiden haben wir in unserem Besitz, aber bevor wir sie öffnen, haben wir keine Ahnung, ob sie den rechten oder den linken Handschuh enthält. Wenn wir die Kiste geöffnet haben und darin den rechten Handschuh finden, wissen wir augenblicklich, dass es sich bei dem anderen Handschuh in der nicht geöffneten Kiste um den linken handeln muss. Wie weit die andere Kiste entfernt ist, spielt dabei keine Rolle. Was dabei entscheidend ist: Das Einzige, was sich geändert hat, ist unser Wissensstand. In der weit entfernten Kiste hat sich immer der linke Handschuh befunden, ganz gleich, ob wir uns entschließen, unsere Kiste zu öffnen oder nicht.

Mit der Quantenverschränkung verhält es sich anders. Vor der Messung hat keines der beiden Elektronen eine eindeutige Spinrichtung. Erst der Akt der Messung (eines der beiden verschränkten Teilchen) zwingt beide Elektronen, ihren Zustand zu ändern: Sie gehen von der Quanten-Superposition von Up und Down in einen eindeutigen Zustand von Up oder Down über. Bei den Handschuhen dagegen wurde nur unser Unwissen über den bereits vorhandenen, eindeutigen Zustand der Handschuhe beseitigt. Die Quantenmessung eines Elektrons zwingt es nicht nur dazu, sich für den Up- oder für den Down- Spin zu »entscheiden«, sondern diese »Entscheidung« zwingt augenblicklich auch seinen Partner dazu, den entgegengesetzten Zustand einzunehmen, ganz gleich, wie weit er entfernt ist.

Nun müssen wir noch eine weitere Feinheit hinzufügen. Wie bereits beschrieben, befinden sich zwei Elektronen in einem kombinierten Singulettzustand, wenn sie gekoppelt sind und einen Spin in entgegengesetzter Richtung besitzen; hat dagegen der Spin von beiden die gleiche Richtung, befinden sie sich im Triplettzustand. Springt ein Elektron aus einem Singulettpaar, das sich in einem Atom befindet, hinüber zu seinem Nachbaratom, so kann sich auch sein Spin umkehren: Er hat nun die gleiche Richtung wie der des zurückgelassenen Partners, womit ein Triplett-Spinzustand entsteht. Aber obwohl sich die beiden Partner des Paares nun in verschiedenen Atomen befinden, können sie ihren empfindlichen verschränkten Zustand aufrechterhalten und demnach quantenmechanisch gekoppelt bleiben.

Aber wir befinden uns hier in der Quantenwelt, und nur weil das Elektron, das aus dem Atom herausgesprungen ist, seinen Spin umkehren kann, heißt das nicht, dass dies auch in jedem Fall geschieht. Beide Elektronen befinden sich nach wie vor in der Superposition und haben beide Spinzustände gleichzeitig, und in dieser Form existiert das Paar in einer Superposition, in der es sich gleichzeitig im Singulett- und im Triplettzustand befindet: Der Spin der beiden Elektronen weist in die gleiche Richtung und zugleich in entgegengesetzte Richtungen!

Nachdem wir uns nun ausreichend gerüstet haben und vermutlich gründlich verwirrt sind, ist es an der Zeit, dass wir den seltsamsten und zugleich am meisten gefeierten Gedanken der Quantenbiologie kennenlernen.

Ein radikaler Richtungssinn

Am Anfang dieses Kapitels haben wir uns mit der Frage befasst, wie das schwache Erdmagnetfeld genügend Energie bereitstellen kann, um eine chemische Reaktion zu beeinflussen und damit ein biologisches Signal entstehen zu lassen, das beispielsweise einem Rotkehlchen sagt, in welche Richtung es fliegen soll. Der in Oxford tätige Chemiker Peter Hore hat dafür eine schöne Analogie gefunden, die zeigt, wie eine solche extreme Empfindlichkeit möglich werden kann:

Stellen wir uns vor, wir hätten einen Granitblock, der ein Kilo wiegt, und fragen uns, ob eine Fliege ihn umkippen kann. Der gesunde Menschenverstand sagt uns, dass die Antwort mit Sicherheit Nein lautet. Aber angenommen, ich würde den Stein auf eine Kante stellen. In dieser Lage wäre er natürlich nicht stabil, sondern er würde nach links oder rechts fallen, wenn man ihn sich selbst überlässt. Jetzt stellen wir uns vor, dass der Block gerade auf diese Weise balanciert, und eine Fliege landet auf seiner rechten Seite. Obwohl die Fliege nur einen winzig kleinen Energiebetrag auf ihn überträgt, könnte er ausreichen, damit der Block nach rechts und nicht nach links fällt.[18]

Daraus können wir die Lehre ziehen, dass manchmal schon winzige Energiebeträge nennenswerte Auswirkungen haben – aber nur, wenn das System, in dem sie wirksam werden, fein zwischen zwei verschiedenen Möglichkeiten ausbalanciert ist. Damit sich also das schwache Magnetfeld der Erde bemerkbar machen kann, brauchen wir die chemische Entsprechung zu einem genau ausbalancierten Granitblock, einen Mechanismus, für den es dramatische Auswirkungen haben kann, wenn ein geringfügiger äußerer Einfluss, beispielsweise ein schwaches Magnetfeld, auf ihn einwirkt.

Kommen wir auf Klaus Schultens schnelle Triplettreaktion zurück. Wie bereits erwähnt, entstehen die Elektronenbindungen zwischen Atomen häufig dadurch, dass beide sich ein Elektronenpaar teilen. Dieses Paar ist immer verschränkt und befindet sich fast immer in einem Singulett-Spinzustand, das heißt, die Elektronen haben einen entgegengesetzten Spin. Interessanterweise können die beiden Elektronen aber selbst dann verschränkt bleiben, wenn die Bindung zwischen den Atomen aufgelöst wird. Die getrennten Atome, die man jetzt freie Radikale nennt, treiben auseinander, und es ergibt sich die Möglichkeit, dass der Spin des einen Elektrons sich umkehrt, so dass die verschränkten Elektronen – die sich jetzt in verschiedenen Atomen befinden – in der Superposition des Singulett- und Triplettzustandes vorliegen. Genau das ist in Schultens schneller Triplettreaktion der Fall.

Zu den wesentlichen Merkmalen dieser Quanten-Superposition gehört, dass sie nicht zwangsläufig gleichmäßig ausbalanciert ist: Die Wahrscheinlichkeit, dass wir das verschränkte Elektronenpaar im Singulett- oder im Triplettzustand zu fassen bekommen, ist nicht gleich. Was außerdem entscheidend ist: Das Gleichgewicht zwischen diesen beiden Wahrscheinlichkeiten reagiert auf jedes äußere Magnetfeld. Tatsächlich hat der Winkel des Magnetfeldes im Verhältnis zur Anordnung der getrennten Elektronen starken Einfluss auf die Wahrscheinlichkeit, diese im Singulett- oder im Triplettzustand dingfest zu machen.

Radikalpaare sind in der Regel sehr instabil: Ihre Elektronen finden häufig wieder zusammen und bilden die Produkte der chemischen Reaktion. Im Einzelnen hängt die chemische Natur dieser Produkte von dem Gleichgewicht zwischen Singulett- und Triplettzustand sowie seiner Empfindlichkeit für Magnetfelder ab. Um zu verstehen, wie das funktioniert, können wir uns den Zwischenzustand der Reaktion mit den freien Radikalen wie den ausbalancierten Zustand des metaphorischen Granitblocks vorstellen. In diesem Zustand steht die Reaktion derart auf der Kippe, dass schon ein schwaches Magnetfeld von weniger als 100 Mikrotesla – so stark ist das Magnetfeld der Erde – wie die Fliege in dem Vergleich ausreicht, um den Wurf der »Singulett-oder-Triplett-Münze« zu beeinflussen, der die Produkte der chemischen Reaktion entstehen lässt.[19] Damit hatte man endlich einen Mechanismus, durch den Magnetfelder chemische Reaktionen beeinflussen könnten und demnach, so behauptete Schulten, auch den Mechanismus für einen Magnetkompass der Vögel.

Allerdings hatte Schulten keine Ahnung, an welcher Stelle im Körper des Vogels diese postulierte Reaktion der Radikalpaare stattfindet; am plausibelsten war vermutlich, dass er im Gehirn angesiedelt ist. Damit er aber funktioniert, muss das Radikalpaar überhaupt erst geschaffen werden (der Granitblock muss auf die Kante gestellt werden). Schulten stellte seine Arbeiten 1978 an der Harvard University vor und schilderte, welche Experimente seine Arbeitsgruppe in Göttingen angestellt hatte: Sie hatte mit einem Laserpuls ein Radikalpaar mit verschränkten Elektronen erzeugt. Unter den Zuhörern war Dudley Herschbach, ein hervorragender Wissenschaftler, der später mit dem Nobelpreis für Chemie ausgezeichnet wurde. Am Ende des Vortrages fragte Herschbach mit gutmütiger Stichelei: »Aber, Klaus, wo ist denn in dem Vogel der Laser?« Angesichts der Notwendigkeit, dem berühmten Kollegen eine sinnvolle Antwort zu geben, äußerte Schulten eine Vermutung: Wenn tatsächlich Licht erforderlich war, um das Radikalpaar zu aktivieren, könnte der ganze Prozess vielleicht im Auge des Vogels ablaufen.

Im Jahr 1977, ein Jahr bevor Schultens Aufsatz über die Radikalpaare erschien, hatte der Physiker Mike Leask aus Oxford in einem anderen Nature-Artikel spekuliert, der Magnetsinn könne vielleicht tatsächlich in den Photorezeptoren des Auges angesiedelt sein.[20] Er hatte sogar die Vermutung geäußert, das Sehpigment Rhodopsin könne verantwortlich sein. Als Wolfgang Wiltschko den Artikel von Leask las, war er fasziniert, aber nichts an seinen eigenen experimentellen Befunden legte die Vermutung nahe, dass Licht für die Magnetwahrnehmung der Vögel eine Rolle spielen könnte. Also machte er sich daran, Leasks Idee zu überprüfen.

Wiltschko hatte zu jener Zeit mit Brieftauben experimentiert und war der Frage nachgegangen, ob sie auf dem Hinweg anhand des Magnetfeldes Informationen sammeln, die sie später nutzen, um den Rückweg zu finden. Er hatte die Tauben während des Abtransports von ihrem Standort einem störenden Magnetfeld ausgesetzt und dabei festgestellt, dass in diesem Fall ihre Fähigkeit, nach der Freilassung den Rückweg zu finden, beeinträchtigt war. Durch Leasks Theorie angeregt, entschloss er sich, das Experiment noch einmal zu machen, dieses Mal aber ohne Störung des Magnetfeldes. Stattdessen transportierte er die Tauben in völliger Dunkelheit in einer Kiste auf dem Dach seines VW-Busses. Auch diesmal hatten die Vögel anschließend Schwierigkeiten, den Heimweg zu finden. Damit war gezeigt, dass sie Licht brauchen, um auf dem Hinweg eine magnetische Landkarte zu erstellen, mit deren Hilfe sie dann den Rückweg finden.

1986, bei einer Tagung in den französischen Alpen, lernten die Wiltschkos und Klaus Schulten sich endlich kennen. Sie waren mittlerweile überzeugt, dass der Magnetsinn des Rotkehlchens auf das Licht angewiesen ist, das ins Auge fällt, aber wie fast alle, die sich für die biochemischen Auswirkungen von Magnetfeldern interessierten, waren sie noch nicht überzeugt, dass die Hypothese der Radikalpaare stimmte. Tatsächlich wusste niemand, wo im Auge sich das Radikalpaar bilden könnte. Erst 1998 entdeckte man dann in den Augen von Taufliegen das Protein Cryptochrom und wies nach – wie weiter vorne in diesem Kapitel beschrieben –, dass es für die lichtabhängige Justierung des Tagesrhythmus (Entrainment) verantwortlich ist. Was dabei entscheidend war: Man wusste, dass Cryptochrom zu den Proteinen gehört, die im Rahmen ihrer Interaktionen mit Licht freie Radikale bilden können. Schulten und seine Mitarbeiter griffen den Befund auf und erklärten nun, das Cryptochrom könne möglicherweise der gesuchte Rezeptor für den chemischen Kompass der Vögel sein. Sie veröffentlichten ihre Ergebnisse im Jahr 2000, und ihr Artikel wurde zu einem Klassiker der Quantenbiologie.[21] Der erstgenannte Autor war natürlich Thorsten Ritz, den wir ebenfalls bereits in Kapitel 1 kennengelernt haben und der zu jener Zeit bei Klaus Schulten an seiner Promotion arbeitete. Heute ist Thorsten Ritz am physikalischen Institut der University of California in Irvine tätig und gilt als einer der weltweit führenden Experten für den Magnetsinn.

Der Artikel von 2000 ist aus zwei Gründen wichtig. Erstens schlug er das Cryptochrom als Kandidaten für den chemischen Kompass vor, und zweitens beschrieb er in wunderschönen – allerdings spekulativen – Einzelheiten, wie die Orientierung des Vogels am Erdmagnetfeld Einfluss darauf haben könnte, was er sieht.

Der erste Schritt in dem postulierten Ablauf ist die Absorption eines Photons aus blauem Licht durch das lichtempfindliche Pigmentmolekül FAD, das im Cryptochrom sitzt – auch ihm sind wir in diesem Kapitel bereits begegnet. Wie dort beschrieben, dient die Energie des Photons dazu, aus einem der Atome im FAD-Molekül ein Elektron herauszuschlagen, so dass dort eine Elektronenlücke zurückbleibt. Diese kann durch ein anderes Elektron gefüllt werden, das von einem verschränkten Elektronenpaar aus der Aminosäure Tryptophan im Cytochrommolekül stammt. Entscheidend ist dabei aber, dass das derart gespendete Elektron mit seinem Partner weiterhin verschränkt ist. Die beiden verschränkten Elektronen bilden dann eine Superposition aus Singulett- und Triplettzustand, das chemische System, das nach den Befunden von Klaus Schulten so überaus empfindlich auf Magnetfelder reagiert. Auch hier spricht das Gleichgewicht zwischen Singulett- und Triplettzustand sehr sensibel auf Stärke und Winkel des Erdmagnetfeldes an, so dass sich die Flugrichtung des Vogels auf die Zusammensetzung der Endprodukte auswirkt, die sich in der chemischen Reaktion entwickeln. Irgendwie entsteht dabei (durch einen Mechanismus, der bisher noch überhaupt nicht geklärt ist) ein Signal, das ins Gehirn des Vogels weitergeleitet wird und ihm sagt, in welcher Richtung der nächste Magnetpol liegt.

Der von Ritz und Schulten formulierte Mechanismus mit den Radikalpaaren war sicher sehr elegant; aber entsprach er auch der Realität? Zu jener Zeit gab es nicht einmal Anhaltspunkte dafür, dass Cryptochrom tatsächlich freie Radikale erzeugen kann, wenn es dem Licht ausgesetzt ist. Dann aber, 2007, konnte eine andere Arbeitsgruppe in Deutschland – dieses Mal an der Universität Oldenburg unter Leitung von Henrik Mouritsen – Cryptochrommoleküle aus der Netzhaut von Gartengrasmücken isolieren und nachweisen, dass sie unter Einwirkung von blauem Licht tatsächlich langlebige Radikalpaare produzieren.[22]

Wir haben keine Ahnung, wie dieses magnetische »Sehen« für die Vögel aussieht, aber da das Cryptochrom ein Augenpigment ist und möglicherweise eine ähnliche Funktion erfüllt wie die Opsin- und Rhodopsinpigmente, die uns das Farbensehen ermöglichen, nimmt der Vogel vielleicht eine zusätzliche »Farbe« wahr, die (genau wie das UV-Licht, das nur manche Insekten sehen können) für uns andere unsichtbar ist und ihm das Magnetfeld der Erde anzeigt.

Als Thorsten Ritz im Jahr 2000 seine Theorie formulierte, gab es noch keine Anhaltspunkte dafür, dass Cryptochrom tatsächlich an der Magnetwahrnehmung mitwirkt; heute dagegen weiß man durch die Arbeiten von Steve Reppert und seinen Kollegen, dass das Pigment bei Taufliegen und Monarchfaltern an der Wahrnehmung äußerer Magnetfelder beteiligt ist. Im Jahr 2004 fanden Wissenschaftler in den Augen von Rotkehlchen dreierlei Cryptochrommoleküle, und 2013 wiesen die Wiltschkos (die immer noch aktiv sind, obwohl Wolfgang mittlerweile das Rentenalter erreicht hat) in einem Artikel nach, dass Cryptochrom, das man aus den Augen von Hühnern[3] isoliert hatte, Licht mit denselben Frequenzen absorbiert, die ihren eigenen Befunden zufolge auch für den Magnetsinn wichtig sind.[23]

Aber kann der Prozess ausschließlich mit Hilfe der Quantenmechanik funktionieren? Thorsten Ritz machte sich 2004 in Zusammenarbeit mit dem Ehepaar Wiltschko an die Aufgabe, zwischen einem herkömmlichen Magnetitkompass und einem chemischen Kompass, der auf dem Mechanismus der freien Radikale basiert, zu unterscheiden. Ein Kompass kann natürlich durch jeden magnetischen Gegenstand gestört werden: Man braucht ihn nur in die Nähe eines Magneten zu halten, dann weist er auf dessen Nordpol und nicht auf den der Erde. Ein üblicher Stabmagnet erzeugt ein sogenanntes statisches Magnetfeld, das heißt, das Feld ändert sich im Laufe der Zeit nicht. Man kann aber auch ein oszillierendes Magnetfeld erzeugen, beispielsweise indem man einen Stabmagneten rotieren lässt. An dieser Stelle wird es interessant. Ein herkömmlicher Kompass wird auch durch ein oszillierendes Magnetfeld gestört, aber das gilt nur dann, wenn die Schwankungen so langsam ablaufen, dass die Kompassnadel ihnen folgen kann. Handelt es sich um sehr schnelle Schwankungen, die sich beispielsweise in jeder Sekunde einige Hundert Mal abspielen, kommt die Kompassnadel nicht mehr nach, und der Einfluss ist im Durchschnitt gleich null. Ein konventioneller Kompass wird also von Magnetfeldern gestört, die bei niedriger Frequenz wechseln, nicht aber durch einen Wechsel mit hoher Frequenz.

Ein chemischer Kompass würde dagegen ganz anders reagieren. Wie bereits erwähnt, ist er darauf angewiesen, dass Radikalpaare sich in einer Superposition von Singulett- und Triplettzuständen befinden. Da sich die beiden Zustände in ihrem Energiegehalt unterscheiden und da Energie im Zusammenhang mit der Frequenz steht, wird das System mit einer Frequenz schwingen, die angesichts der beteiligten Energiebeträge voraussichtlich im Bereich von mehreren Millionen Schwingungen je Sekunde liegt. Leichter kann man sich den Vorgang mit der klassischen Denkweise ausmalen (auch wenn er streng genommen nicht ganz richtig ist): Danach wechselt das verschränkte Elektronenpaar in jeder Sekunde viele Millionen Mal zwischen dem Singulett- und dem Triplettzustand hin und her. In diesem Zustand kann das System mit einem oszillierenden Magnetfeld durch Resonanz in Wechselwirkung treten, allerdings nur dann, wenn das Feld mit der gleichen Frequenz oszilliert wie das Radikalpaar: wenn also beide, um noch einmal den Vergleich mit der Musik zu verwenden, gleich gestimmt sind. Die Resonanz führt dem System dann Energie zu, die das heikle Gleichgewicht zwischen Singulett- und Triplettzustand, auf dem der chemische Kompass beruht, verändert – sie lässt den metaphorischen Granitblock kippen, bevor er Zeit hat, das Magnetfeld der Erde wahrzunehmen. Im Gegensatz zu einem herkömmlichen Magnetitkompass wird ein Radikalpaar-Kompass also durch Magnetfelder, die mit sehr hoher Frequenz oszillieren, beeinträchtigt.

Die Arbeitsgruppe Ritz-Wiltschko entwarf ein Experiment, mit dem sie diese sehr eindeutige Voraussage der Radikalpaar-Theorie am Rotkehlchen überprüfen wollte: Würde sein Kompass auf oszillierende Magnetfelder mit niedriger oder hoher Frequenz ansprechen? Sie warteten bis zum Herbst, und als die Vögel ungeduldig die Reise in den Süden herbeisehnten, setzten sie einige von ihnen in Emlen-Trichter. Sie legten oszillierende Magnetfelder in verschiedenen Richtungen und mit verschiedenen Frequenzen an und beobachteten, ob diese die natürliche Orientierungsfähigkeit der Vögel beeinträchtigten.

Sie gelangten zu verblüffenden Ergebnissen: Ein Magnetfeld, das auf 1,3 Megahertz abgestimmt war (das also mit 1,3 Millionen Zyklen pro Sekunde oszilliert), konnte selbst dann, wenn es tausendmal schwächer war als das Erdmagnetfeld, die Orientierung der Vögel stören. Steigerte oder senkte man aber die Frequenz, war das Feld weniger wirksam. Es stand also offenbar in Resonanz mit irgendetwas, was im Kompass der Vögel mit sehr hoher Frequenz schwang, und das war eindeutig kein konventioneller Kompass auf Magnetitbasis, sondern es ließ sich mit einem verschränkten Radikalpaar in Superposition des Singulett- und Triplettzustandes vereinbaren. Dieses verblüffende Ergebnis[24] zeigt außerdem, dass das verschränkte Paar – wenn es denn existiert – auch angesichts der Dekohärenz mindestens eine Mikrosekunde (eine Millionstelsekunde) überleben muss, denn sonst wäre es so kurzlebig, dass es das Auf und Ab des angelegten, oszillierenden Magnetfeldes nicht miterleben könnte.

In jüngster Zeit wurde die Bedeutung dieses Befundes allerdings in Frage gestellt. Wie Henrik Mouritsens Arbeitsgruppe an der Universität Oldenburg zeigen konnte, stört auch von Menschen gemachtes magnetisches Hintergrundrauschen aus den verschiedensten elektronischen Geräten, das durch die Wände der nicht abgeschirmten Vogelhäuser auf dem Universitätsgelände dringt, die Orientierung mit dem Magnetkompass. Die Fähigkeit ist aber wieder da, wenn man die Vögel in Hütten bringt, die mit Aluminium abgeschirmt sind und ungefähr 99 Prozent des Rauschens aus der Stadt fernhalten. Was dabei entscheidend ist: Die Befunde legen die Vermutung nahe, dass der Störeffekt elektromagnetischer Felder bei Radiofrequenzen nicht auf ein schmales Frequenzband beschränkt ist.[25]

Manche Aspekte des Systems bleiben also immer noch rätselhaft: Warum sollte der Kompass des Rotkehlchens beispielsweise so überaus empfindlich auf oszillierende Magnetfelder ansprechen, und wie können freie Radikale so lange verschränkt bleiben, dass sie biologische Wirkungen haben? In einem 2011 erschienenen Artikel präsentierte das Labor von Vlatko Vedral in Oxford quantentheoretische Berechnungen, wonach das mutmaßliche Radikalpaar seine Superposition und Verschränkung mindestens einige Dutzend Mikrosekunden lang beibehalten kann, viel länger als in vergleichbaren, von Menschen hergestellten Molekülsystemen. Möglicherweise reicht ein solcher Zeitraum aus, damit das Rotkehlchen erfährt, wohin es fliegen muss.[26]

Diese bemerkenswerten Studien ließen das Interesse an der Magnetwahrnehmung explosionsartig wachsen. Heute ist sie bei einem breiten Spektrum verschiedener Tierarten nachgewiesen, darunter bei zahlreichen Vögeln, bei Langusten, Rochen, Haien, Finnwalen, Delphinen, Bienen und sogar Mikroorganismen. Die beteiligten Mechanismen sind in den meisten Fällen noch nicht untersucht, aber die an Cryptochrom gekoppelte Magnetwahrnehmung hat man mittlerweile bei vielen Lebewesen entdeckt, von unserem tapferen Rotkehlchen über die bereits erwähnten Hühner und Taufliegen bis hin zu anderen Tierarten und sogar zu Pflanzen.[27] In einer Studie, die eine tschechische Arbeitsgruppe 2009 veröffentlichte, wurde der Magnetsinn bei amerikanischen Küchenschaben nachgewiesen, und man konnte zeigen, dass er wie beim Rotkehlchen durch schnell oszillierende Magnetfelder beeinträchtigt wird.[28] Eine Nachfolgestudie ergab, dass der Kompass der Küchenschaben funktionsfähiges Cryptochrom erfordert.

Wenn man entdeckt, dass eine Fähigkeit und ein Mechanismus in der Natur so weit verbreitet sind, liegt die Vermutung nahe, dass sie von einem gemeinsamen Vorfahren ererbt wurden. Aber der gemeinsame Vorfahre von Hühnern, Rotkehlchen, Taufliegen, Pflanzen und Küchenschaben lebte vor sehr, sehr langer Zeit, nämlich vor mehr als 500 Millionen Jahren. Der Quantenkompass ist also vermutlich ein alter Mechanismus und ermöglichte wahrscheinlich schon den Reptilien und Dinosauriern, die zusammen mit unserem T. rex aus Kapitel 3 durch die Sümpfe der Kreidezeit streiften, die Orientierung (die heutigen Rotkehlchen und andere Vögel stammen von Dinosauriern ab), ebenso aber auch den Fischen, die durch die Meere der Permzeit schwammen, den vorzeitlichen Gliederfüßern, die über oder unter den Ozeanen des Kambriums ihre Gänge gruben, und vielleicht sogar den Mikroorganismen des Präkambriums, aus denen alle vielzelligen Lebensformen hervorgingen. Offensichtlich half Einsteins gespenstische Fernwirkung den Lebewesen während eines großen Teils der Erdgeschichte, ihre Wege rund um den Globus zu finden.

7. Quantengene

Der kälteste Ort der Erde liegt nicht am Südpol, wie Sie vielleicht glauben, sondern irgendwo mitten auf der ostantarktischen Eiskappe ungefähr 1.300 Kilometer vom Pol entfernt. Dort sinken die winterlichen Temperaturen regelmäßig um mehrere Dutzend Grad unter den Nullpunkt. Die niedrigste jemals auf der Erde gemessene Temperatur wurde dort am 21. Juli 1983 mit – 82,9 Grad Celsius registriert, was der Region den Titel »Kältepol« eingetragen hat. Bei derart niedrigen Temperaturen zersplittert Stahl, und Dieseltreibstoff muss man mit der Kettensäge zerteilen.

Die extreme Kälte lässt alle Feuchtigkeit aus der Luft ausfrieren, und das macht den Osten der Antarktis zusammen mit dem starken Wind, der unaufhörlich über die gefrorenen Ebenen fegt, zum unwirtlichsten Ort unseres Planeten.

So lebensfeindlich war er aber nicht immer. Die Landmasse der heutigen Antarktis gehörte früher zu dem Superkontinent Gondwana und lag in der Nähe des Äquators. Sie war dicht mit Ginkgobäumen, Samen- und Palmfarnen bewachsen, zwischen denen Dinosaurier und pflanzenfressende Reptilien wie der nashornähnliche Lystrosaurus grasten. Vor ungefähr 80 Millionen Jahren jedoch zerbrach die Landmasse, und ein Bruchstück trieb nach Süden, bis es schließlich über dem Südpol zum Stillstand kam und zur Antarktis wurde. Dann, vor rund 65 Millionen Jahren, traf ein großer Asteroid die Erde, löschte alle Dinosaurier und Riesenreptilien aus und hinterließ einen ökologischen Freiraum, in dem warmblütige Säugetiere zur beherrschenden Tiergruppe werden konnten. Obwohl die Antarktis sehr weit von der Einschlagstelle entfernt war, erlebte ihre Fauna und Flora einen radikalen Wandel: An die Stelle von Samen- und Palmfarnen traten sommergrüne Wälder. In ihnen lebten heute ausgestorbene Beuteltiere, Reptilien und Vögel, darunter auch Riesenpinguine. Schnell fließende Flüsse und tiefe Seen, in denen es von Knochenfischen und Gliederfüßern wimmelte, füllten die Täler.

Aber mit der Konzentration der Treibhausgase sank in der Antarktis auch die Temperatur. Vorbeiziehende Meeresströmungen begünstigten die Abkühlung weiter, und vor rund 35 Millionen Jahren froren die Oberflächen der Flüsse und Binnenseen erstmals im Winter zu. Dann, vor ungefähr 15 Millionen Jahren, taute das winterliche Eis auch im Sommer nicht mehr ab, so dass Seen und Flüsse nun unter einer permanenten Eisdecke lagen. Als der Planet weiter abkühlte, schoben sich riesige Gletscher über die Antarktis; alle Landsäugetiere, Reptilien und Amphibien starben aus, und Land, Seen und Flüsse verschwanden unter einer riesigen, mehrere Kilometer dicken Eiskappe. Seit jener Zeit befand sich die Antarktis immer im Kälteschlaf.

Soweit man weiß, setzte im 19. Jahrhundert der amerikanische Robbenfänger Captain John Davis als erster Mensch einen Fuß auf den Kontinent, und erst im 20. Jahrhundert begann die dauerhafte Besiedlung: Mehrere Länder wetteiferten darum, Territorialansprüche abzustecken, und bauten zu diesem Zweck Forschungsstationen auf dem Kontinent. Mirny, die erste sowjetische Antarktis-Station, wurde am 13. Februar 1956 in der Nähe der Küste eingerichtet, und von dort aus machte sich zwei Jahre später eine Expedition ins Innere des Kontinents auf den Weg. Ihr Ziel: eine Basis am Magnetpol aufzubauen. Die Expedition hatte mit Schneestürmen, lockerem Schnee, extremer Kälte (– 55 Grad Celsius) und Sauerstoffmangel zu kämpfen, traf aber am 16. Dezember, als auf der Südhalbkugel Sommer war, am magnetischen Südpol ein und begründete dort die Station Wostok.

Seit jener Zeit ist die Forschungsstation nahezu ununterbrochen bewohnt; das Team umfasst zwischen zwölf und 25 Wissenschaftler und Ingenieure, die das Magnetfeld und die Atmosphäre vermessen. Eine der Hauptaufgaben der Station besteht darin, Bohrungen in dem unter ihr liegenden Gletscher vorzunehmen und damit eine gefrorene Chronik früherer Klimaverhältnisse aufzustellen. In den 1970er Jahren förderten die Ingenieure eine Reihe von Bohrkernen aus Tiefen von bis zu 952 Metern zutage; damit hatten sie Eis erreicht, das in der letzten Eiszeit, vor zigtausend Jahren, abgelagert worden war. In den 1980er Jahren kam eine neue Bohrausrüstung hinzu, und nun konnten die Wissenschaftler bis in eine Tiefe von 2.202 Metern vordringen. Bis 1996 hatten sie eine Tiefe von 3.623 Metern erreicht; das Loch reichte jetzt in Schichten hinab, die vor 420.000 Jahren an der Oberfläche gelegen hatten.

Dann aber wurde die Bohrung eingestellt. Der Grund: Wenig unterhalb der Sohle des Bohrloches hatte man etwas Seltsames entdeckt. Dass sich unter der Wostok-Station etwas Ungewöhnliches befindet, hatte man schon einige Jahrzehnte früher bemerkt: 1974 hatte eine seismische Vermessung der Region durch britische Wissenschaftler für ein großes Gebiet, das ungefähr 10.000 Quadratkilometer umfasste und rund vier Kilometer unter dem Eis lag, anormale Werte ergeben. Der russische Geograph Andrej Petrowitsch Kapiza äußerte die Vermutung, die Ursache der anormalen Radarmessungen sei ein riesiger See, der unter dem Eis eingeschlossen sei und durch den extremen Druck sowie die von unten kommende geothermische Energie so warm gehalten werde, dass er flüssig bleibt. Kapizas Vermutung wurde 1996 schließlich durch Satellitenmessungen in dem Gebiet bestätigt: Sie zeigten, dass sich unter dem Gletscher ein See befindet, der (von seiner flüssigen Oberfläche bis zum Boden) bis zu 500 Meter tief ist und die Größe des Ontariosees hat. Das Team taufte ihn auf den Namen Wostoksee.

Nachdem man nun wusste, dass unter dem Eis ein uralter See begraben liegt, bekamen die Bohrarbeiten der Wostok-Station eine ganz andere Bedeutung: Das Bohrloch näherte sich einer einzigartigen Umwelt. Der Wostoksee war seit Hunderttausenden oder sogar Millionen von Jahren[1] von der Erdoberfläche abgeschnitten – eine vergessene Welt. Was widerfuhr den vielen Tieren, Pflanzen, Algen und Mikroorganismen, die in dem See gediehen, bevor er zugedeckt wurde und alle noch lebenden Organismen in absoluter Dunkelheit und Kälte einschloss? Wurde dort alles Leben ausgelöscht, oder konnten manche Organismen überleben und sich an eine Existenz mehrere Kilometer unter der Gletscheroberfläche anpassen? Solche widerstandsfähigen Organismen müssten mit einer extremen Umwelt zurechtkommen: eisige Kälte und völlige Dunkelheit in Wasser, das vom Gewicht der dicken Eisschicht zusammengepresst wird und einen mehr als 300-mal höheren Druck ausübt als jeder See an der Oberfläche. Aber erstaunlicherweise gelingt es überraschend vielen Lebensformen, auch in anderen unwahrscheinlichen Umfeldern zu überleben, so an den kochend heißen, schwefeligen Rändern von Vulkanen, in Säureseen und sogar in den dunklen Tiefseegräben, die Tausende von Metern unter der Oberfläche der Ozeane liegen. Ist vielleicht auch der Wostoksee die Heimat eines eigenen Ökosystems von Extremophilen[2]?

Eine noch größere Bedeutung erlangte der See unter dem Eis durch eine andere Entdeckung, die man 1980 in nahezu einer Milliarde Kilometern Entfernung machte: Damals photographierte die Raumsonde Voyager 2 die Oberfläche des Jupitermondes Europa. Die Aufnahmen zeigten eine vereiste Oberfläche mit charakteristischen Spuren eines darunterliegenden, flüssigen Ozeans. Wenn Lebensformen über Hunderttausende von Jahren in Wasser überleben konnten, das kilometertief unter einem Antarktisgletscher begraben ist, können vielleicht auch die Ozeane in der Tiefe von Europa fremdartigen Lebewesen eine Grundlage bieten. Damit wurde die Suche nach Leben im Wostoksee zu einer Generalprobe für die noch spannendere Suche nach Leben außerhalb unseres Planeten.

Im Jahr 1996 wurden die Bohrarbeiten eingestellt, nur 100 Meter über der Oberfläche des Sees. Man wollte verhindern, dass das unberührte Wasser mit dem kerosinverseuchten Bohrer in Berührung kam, der möglicherweise mit Pflanzen, Tieren, Mikroorganismen und Chemikalien von der Oberfläche verunreinigt war. Das Wasser des Wostoksees hatte man allerdings zuvor bereits anhand von Eisbohrkernen studiert. Es bewegt sich im See durch thermische Strömungen, so dass unmittelbar unter seiner eisigen Decke ein ständiger Kreislauf von Gefrieren und Abtauen abläuft. Dieser Prozess hat sich fortgesetzt, seit der See von der Außenwelt abgeschlossen wurde; sein Dach besteht also nicht aus Gletschereis, sondern aus gefrorenem Seewasser – sogenanntem Akkretionseis –, das mehrere Dutzend Meter über der flüssigen Oberfläche des Sees steht. Frühere Bohrungen waren bis in diese Schicht vorgedrungen, und 2013 wurde die erste detaillierte Untersuchung von Bohrkernen aus dem Akkretionseis des Wostoksees veröffentlicht.[1] Der Artikel gelangt zu dem Schluss, dass der im Eis eingeschlossene See eine komplexe Lebenswelt enthält, zu der einzellige Bakterien, Pilze und Protozoen ebenso gehören wie komplizierter gebaute Tiere, darunter Weichtiere, Würmer, Seeanemonen und sogar Gliederfüßer. Und neben ihren mutmaßlichen Lebensräumen und ökologischen Beziehungen konnte man sogar Eigenschaften ihres Stoffwechsels identifizieren.

In diesem Kapitel wollen wir uns aber nicht auf die zweifellos faszinierende Biologie des Wostoksees konzentrieren, sondern auf die Frage, mit welchen Mitteln ein völlig abgeschlossenes Ökosystem überhaupt Jahrtausende oder sogar Jahrmillionen überleben kann. Eigentlich kann man den Wostoksee als eine Art Mikrokosmos der gesamten Erde betrachten: Auch sie war, abgesehen von den Photonen der Sonne, seit vier Milliarden Jahren praktisch völlig von äußeren Einflüssen abgeschirmt und hat trotz aller Herausforderungen durch gewaltige Vulkanausbrüche, Asteroideneinschläge und Klimaschwankungen ein reichhaltiges, vielgestaltiges Ökosystem am Leben erhalten. Wie schafft es die ungeheure Komplexität des Lebendigen, auch dann zu gedeihen und zu überdauern, wenn sich über Jahrtausende oder sogar Jahrmillionen extreme Umweltveränderungen abspielen?

Ein Hinweis findet sich in Material, das von dem Biologenteam der Wostok-Station analysiert wurde, genauer gesagt in wenigen Mikrogramm einer Substanz, die man aus dem gefrorenen Seewasser gewinnen konnte. Diese Verbindung ist von entscheidender Bedeutung für die Kontinuität und Vielfalt alles Lebens auf unserem Planeten, und ihre Moleküle sind die ungewöhnlichsten im bekannten Universum. Wir nennen sie DNA.

Die Arbeitsgruppe, die sich mit der DNA aus dem Wostoksee beschäftigte, ist an der Bowling Green State University in den Vereinigten Staaten angesiedelt. Um die Sequenz der Millionen DNA-Molekülbruchstücke abzulesen, die man aus dem Seewasser gewonnen hatte, bedienten sich die Wissenschaftler der gleichen DNA-Sequenzierungstechnik, mit der man zuvor bereits das Genom des Menschen entschlüsselt hatte. Anschließend verglichen sie ihre DNA-Sequenzen aus dem Wostoksee mit den Datenbanken, in denen Gensequenzen aus den Genomen vieler Tausend Organismen aus der ganzen Welt gespeichert sind. Dabei entdeckte man, dass viele Sequenzen aus dem Wostoksee identisch oder nahezu identisch mit jenen aus Bakterien, Pilzen, Gliederfüßern und anderen Lebewesen waren, die oberhalb des Eises leben, insbesondere mit solchen, die in kalten Seen und dunklen Tiefseegräben zu Hause sind – Umgebungen, die vermutlich ein wenig dem Wostoksee ähneln. Aufgrund dieser genetischen Ähnlichkeiten konnte man begründete Vermutungen über Art und Lebensweise der Organismen anstellen, die unter dem Eis ihre DNA-Spuren hinterlassen hatten.

Aber wie gesagt: Im Wostoksee waren die Lebewesen über Hunderttausende von Jahren unter dem Eis eingeschlossen. Die Ähnlichkeit ihrer DNA-Sequenzen mit denen von Organismen, die über dem Eis leben, ist also auf ihre gemeinsame Abstammung von Lebewesen zurückzuführen, die zur Flora und Fauna der Antarktis gehört haben müssen, bevor der See mit seinen Bewohnern unter dem Eis verschwand. Die Gensequenzen dieser Vorfahren wurden dann über und unter dem Eis unabhängig voneinander über Tausende von Generationen hinweg kopiert. Aber trotz dieser langen Kette von Kopiervorgängen sind die Versionen der gleichen Gene nahezu gleich geblieben. Irgendwie wurde die komplexe genetische Information, die über Körperbau, Eigenschaften und Funktionen der Organismen über und unter dem Eis bestimmt, Hunderttausende Jahre lang nahezu ohne Fehler originalgetreu weitergegeben.

Diese Fähigkeit der genetischen Information, sich von einer Generation zur nächsten originalgetreu zu verdoppeln – wir sprechen von Vererbung –, ist natürlich ein zentraler Bestandteil des Lebendigen. Die in der DNA festgeschriebenen Gene codieren die Proteine und Enzyme, die auf dem Weg über den Stoffwechsel alle Biomoleküle aller lebenden Zellen herstellen, von den Photosynthesepigmenten der Pflanzen und Mikroorganismen bis zu den Geruchsrezeptoren der Tiere und dem rätselhaften Magnetkompass der Vögel und natürlich auch bis zu allen anderen Eigenschaften aller Lebewesen. Viele Biologen würden sogar die Ansicht vertreten, dass die Selbstverdoppelung das definierende Merkmal des Lebens ist. Aber Lebewesen könnten sich nicht fortpflanzen, wenn sie nicht zunächst in der Lage wären, die Anweisungen für ihre eigene Herstellung zu verdoppeln. Der Prozess der Vererbung – originalgetreues Kopieren der genetischen Information – macht Leben erst möglich. Erinnern wir uns noch einmal an Kapitel 2: Das Rätsel der Vererbung – die Frage, wie genetische Information so genau von einer Generation zur nächsten weitergegeben werden kann – überzeugte Erwin Schrödinger davon, dass es sich bei Genen um quantenmechanische Gebilde handelt. Aber hatte er recht? Brauchen wir die Quantenmechanik, um die Vererbung zu erklären? Zu dieser Frage wollen wir jetzt zurückkehren.

Originaltreue

Dass Lebewesen in der Lage sind, ihr Genom präzise zu verdoppeln, halten wir in der Regel für selbstverständlich; in Wirklichkeit ist es aber einer der bemerkenswertesten, unentbehrlichen Aspekte des Lebendigen. Kopierfehler – wir sprechen von Mutationen – ereignen sich bei der DNA-Verdoppelung gewöhnlich nur mit einer Häufigkeit von eins zu einer Milliarde. Um uns eine Vorstellung von dieser ungeheuren Genauigkeit zu machen, können wir die rund eine Million Buchstaben, Satzzeichen und Leerstellen in dem vorliegenden Buch betrachten. Jetzt stellen wir uns vor, wir hätten eine Bibliothek von tausend Büchern mit ähnlichem Umfang und sollten jeden einzelnen Buchstaben und jeden Wortzwischenraum exakt abschreiben. Wie viele Fehler würden wir wohl machen? Genau diese Aufgabe stellte sich den Schreibern im Mittelalter: Sie gaben sich vor der Erfindung der Druckerpresse größte Mühe, Texte mit der Hand abzuschreiben. Aber wie nicht anders zu erwarten, waren ihre Arbeiten voller Fehler – dies zeigt sich an den verschiedenen, voneinander abweichenden Kopien mittelalterlicher Texte. Natürlich sind auch Computer in der Lage, Informationen mit einem sehr hohen Maß an Genauigkeit zu kopieren, aber das tun sie mit den handfesten Mitteln der modernen Digitaltechnik. Stellen wir uns einmal vor, wir sollten ein Kopiergerät aus feuchtem, schwammigem Material bauen. Wie viele Fehler würde ein solches Gerät wohl machen, wenn es Information liest und wieder schreibt? Wenn es sich bei dem feuchten, schwammigen Material aber um eine Zelle unseres Körpers handelt und wenn die Information in DNA codiert ist, liegt die Zahl der Fehler bei weniger als einem auf einer Milliarde Zeichen.

Eine solche sehr präzise Form des Kopierens ist für das Leben unentbehrlich: Der außerordentlich komplexe Aufbau lebender Gewebe fordert ebenso komplexe Anweisungen, und schon ein einziger Fehler kann sich als tödlich erweisen. Das Genom in unseren Zellen besteht aus ungefähr drei Milliarden genetischen Buchstaben, die rund 15.000 Gene codieren, und schon die Genome der einfachsten sich selbst verdoppelnden Mikroorganismen, wie sie beispielsweise unter dem Eis im Wostoksee leben, setzen sich aus mehreren Tausend Genen zusammen, die mit einigen Millionen genetischen Buchstaben niedergeschrieben sind. Die meisten Lebewesen verkraften zwar in jeder Generation ein paar Mutationen, aber wenn mehr als eine Handvoll von ihnen in die nächste Generation gelangt, können schwere Probleme auftreten – unter denen wir Menschen dann in Form genetisch bedingter Erkrankungen oder nicht lebensfähiger Nachkommen leiden. Und jedes Mal, wenn sich die Zellen unseres Körpers – Blutzellen, Hautzellen und so weiter – teilen, muss ihre DNA sich ebenfalls verdoppeln und in die Tochterzellen gelangen. Fehler bei diesem Vorgang führen zu Krebs.[3]

Um aber zu verstehen, warum die Quantenmechanik für die Vererbung von entscheidender Bedeutung ist, müssen wir zunächst einen Besuch im Cambridge des Jahres 1953 machen: Am 28. Februar eilte Francis Crick dort in den »Eagle Pub« und erklärte, er und James Watson hätten »das Geheimnis des Lebens entdeckt«. Später im selben Jahr veröffentlichten sie ihren bahnbrechenden Artikel,[2] in dem sie eine Molekülstruktur präsentierten und eine Reihe einfacher Regeln beschrieben, in denen die Antwort auf zwei grundlegende Rätsel des Lebendigen steckte: auf die Frage, wie biologische Information codiert ist und wie sie weitervererbt wird.

Besonderes Schwergewicht wird in vielen Berichten über die Entdeckung des genetischen Codes auf einen Aspekt gelegt, der eigentlich nur von untergeordneter Bedeutung ist: dass die DNA die Struktur einer Doppelhelix hat. Das ist tatsächlich bemerkenswert, und die elegante Struktur der DNA ist zu Recht zu einem der bekanntesten Bilder aus der Wissenschaft geworden – sie wird auf T-Shirts und Websites, ja sogar in der Architektur wiedergegeben. Aber die Doppelhelix ist eigentlich nur ein Gerüst. Das wahre Geheimnis der DNA liegt in dem, was die Doppelhelix stützt.

Wie wir in Kapitel 2 bereits kurz skizziert haben, ist die spiralförmige Struktur der DNA (Abbildung 7.1) auf ein Zucker-Phosphat-Rückgrat zurückzuführen, das die eigentliche Information der DNA trägt: die Ketten aus den Nucleinsäurebasen Guanin (G), Cytosin (C), Thymin (T) und Adenin (A). Wie Watson und Crick erkannten, bildet diese lineare Abfolge oder Sequenz einen Code, und der, so ihre Vermutung, enthielt die Information.

In der letzten Zeile ihres historischen Artikels äußerten Watson und Crick die Vermutung, die Struktur der DNA könne auch eine Lösung für das zweite große Rätsel des Lebendigen bereithalten: »Es ist unserer Aufmerksamkeit nicht entgangen, dass die von uns postulierte spezifische Paarung sofort einen möglichen Kopiermechanismus für das genetische Material nahelegt.« Bei dem Aspekt, der ihrer Aufmerksamkeit nicht entgangen war, handelte es sich um ein entscheidendes Merkmal der Doppelhelix: Die Information in einem ihrer Stränge – seine Basensequenz – ist in Form einer umgekehrten Kopie auch auf dem anderen Strang vorhanden. Ein A in dem einen Strang paart sich immer mit einem T in dem anderen, und gegenüber von einem G steht immer ein C. Die spezifische Paarung zwischen den Basen der entgegengesetzten Stränge (ein AT-Paar oder ein GC-Paar) wird durch Wasserstoffbrücken zusammengehalten, eine schwache chemische Bindung. Der »Klebstoff«, der die beiden Moleküle verbindet, ist eigentlich ein gemeinsames Proton, und er ist für unsere Geschichte von zentraler Bedeutung, deshalb werden wir ihn in Kürze genauer betrachten. Die Tatsache, dass die Bindung zwischen den gepaarten DNA-Strängen so schwach ist, lässt sofort auf einen Kopiermechanismus schließen: Die Stränge können sich trennen, und jeder kann als Matrize dienen, an dem wiederum ein komplementärer Partnerstrang aufgebaut wird, so dass nun zwei Kopien des ursprünglichen Doppelstranges vorliegen. Genau das spielt sich ab, wenn die Gene bei der Zellteilung kopiert werden. Die beiden Stränge der Doppelhelix mit ihren komplementären Informationen werden auseinandergezogen, so dass ein Enzym namens DNA-Polymerase Zugang zu jedem der beiden Einzelstränge erhält. Das Enzym heftet sich an einen Strang an, gleitet an der Kette der Nucleotide entlang, liest jeden genetischen Buchstaben ab und baut mit nahezu fehlerloser Genauigkeit jeweils eine komplementäre Base in den wachsenden neuen Strang ein: Wenn es ein A sieht, fügt es ein T hinzu, trifft es auf ein G, sorgt es für den Einbau eines C, und so weiter, bis die gesamte komplementäre Kopie fertig ist. Der gleiche Vorgang wiederholt sich auch an dem anderen Strang, so dass zwei Kopien der ursprünglichen Doppelhelix entstehen – für jede Tochterzelle eine.

Abb. 7.1: Die Struktur der DNA: (a) die Doppelhelix nach Watson und Crick; (b) die gepaarten genetischen Buchstaben A und T aus der Nähe; (c) die gepaarten genetischen Buchstaben G und C aus der Nähe. In beiden Fällen sind die Wasserstoffbrücken – gemeinsame Protonen –, die beide Basen verbinden, als gestrichelte Linien dargestellt. Bei dieser Watson-Crick-Standardpaarung haben die Basen ihre normale (nichttautomere) Form.

Dieser täuschend einfache Prozess bildet die Grundlage für die Fortpflanzung alles Lebens auf unserem Planeten. Aber Schrödinger beharrte 1944 darauf, die außerordentlich hohe Genauigkeit der Vererbung lasse sich nicht allein mit klassischen Gesetzen erklären – Gene, so seine Behauptung, seien einfach zu klein, als dass sich ihre Regelmäßigkeit auf die Regeln der »Ordnung durch Unordnung« zurückführen ließe. Stattdessen vermutete er, die Gene müssten eine Art aperiodischer Kristall sein. Sind Gene aperiodische Kristalle?

Kristalle, beispielsweise Salzkörner, haben in der Regel eine charakteristische Form. Die Kristalle des Natriumchlorids (Kochsalz) sind Würfel, Wassermoleküle bilden im Eis sechseckige Prismen, die zu den berühmten, verschiedenartigen Formen der Schneeflocken heranwachsen können. Diese Formen sind darauf zurückzuführen, dass sich die Moleküle innerhalb des Kristalls unterschiedlich anordnen können; letztlich bestimmen darüber also die Quantengesetze, die auch die Form der Moleküle festlegen. Die normalen Kristalle sind zwar sehr geordnet, sie codieren aber kaum Information, denn jede Wiederholungseinheit sieht genauso aus wie alle anderen – das Ganze erinnert ein wenig an ein mosaikartiges Tapetenmuster. Entsprechend kann man den gesamten Kristall mit einer einfachen Regel beschreiben. Schrödinger vermutete, Gene könnten »aperiodische« Kristalle sein: dann hätten sie eine sich wiederholende Molekülstruktur ähnlich wie normale Kristalle, gleichzeitig wären sie aber auch in irgendeiner Form abgewandelt, beispielsweise durch unterschiedliche Abstände oder Perioden (daher die Bezeichnung »aperiodisch«) zwischen den Wiederholungseinheiten oder unterschiedliche Strukturen in den Einheiten – dann würden sie weniger einer Tapete als vielmehr einem komplexen Wandteppich gleichen. Er vermutete, diese abgewandelten Wiederholungsstrukturen könnten genetische Information codieren, und ihre Anordnung sei wie in Kristallen auf der Quantenebene codiert. Man muss daran denken, dass er seine Vermutungen zehn Jahre vor Watson und Crick anstellte, also lange bevor man die Struktur eines Gens kannte oder auch nur wusste, woraus Gene eigentlich bestehen.

Hatte Schrödinger recht? Zunächst einmal erkennt man sofort, dass der DNA-Code tatsächlich aus sich wiederholenden Strukturen – den DNA-Basen – besteht, und diese Strukturen sind aperiodisch in dem Sinn, dass es sich bei jeder Wiederholungseinheit um eine von vier Basen handeln kann. Gene sind tatsächlich aperiodische Kristalle, genau wie Schrödinger es prophezeit hatte. Aber aperiodische Kristalle codieren Informationen nicht zwangsläufig auf der Quantenebene: Die unregelmäßig angeordneten Körner auf einer photographischen Platte bestehen aus Silbersalzkristallen und gehören nicht zur Quantenwelt. Um zu erkennen, warum Schrödinger auch mit seiner Aussage recht hatte, Gene seien quantenmechanische Gebilde, müssen wir die Struktur der DNA-Basen und insbesondere die Natur der komplementären Basenpaarbindungen von T und A beziehungsweise C und G genauer betrachten.

Die Paarung, die in der DNA die Grundlage der genetischen Information bildet, hat ihre Wurzeln in den chemischen Bindungen, von denen die komplementären Basen zusammengehalten werden. Wie bereits erwähnt, werden diese als »Wasserstoffbrücken« bezeichneten Bindungen von einzelnen Protonen gebildet, das heißt eigentlich von Wasserstoff-Atomkernen, die sich zwischen zwei Atomen – eines in jeder der komplementären Basen auf den entgegengesetzten Strängen – aufteilen. Diese Bindungen halten die gepaarten Basen zusammen (Abbildung 7.1). Die Base A muss sich mit der Base T verbinden, weil jedes A genau an den richtigen Stellen die Protonen enthält, die Wasserstoffbrücken mit einem T ausbilden können. Mit einer C-Base kann A sich nicht paaren, weil die Protonen dort nicht in den richtigen Positionen stehen.

Diese von Protonen vermittelte Paarung der Nucleotidbasen ist die genetische Information, die in jeder Generation verdoppelt und weitergegeben wird. Es handelt sich dabei auch nicht um eine einmalige Übertragung von Informationen, wie man sie auf eine »Einmal-Schreibtafel« schreiben würde, die nach der Benutzung zerstört wird. Die genetische Information muss vielmehr während des gesamten Lebens einer Zelle ständig abgelesen werden und den Proteinproduktionsapparat anweisen, die Motoren des Lebendigen, das heißt die Enzyme, herzustellen und so alle anderen Tätigkeiten der Zelle zu koordinieren. Für diesen Vorgang sorgt ein Enzym namens RNA-Polymerase: Es liest wie die DNA-Polymerase die Positionen der codierenden Protonen entlang der DNA-Kette ab. Und genau wie der Inhalt einer Nachricht oder die Handlung eines Buches, die in Form der Buchstaben auf einer Seite niedergeschrieben ist, so wird auch die Story des Lebens durch die Positionen der Protonen in der Doppelhelix festgelegt.

Der schwedische Physiker Per-Olov Löwdin machte als Erster auf etwas aufmerksam, was im Rückblick auf der Hand zu liegen scheint: Über die Position der Protonen bestimmen keine klassischen Gesetze, sondern die Regeln der Quantenmechanik. Der genetische Code, der das Leben möglich macht, ist also zwangsläufig ein Quantencode. Schrödinger hatte recht: Gene sind in Quantenbuchstaben geschrieben, und für die Präzision der Vererbung sorgen keine klassischen, sondern Quantengesetze. Genau wie die Form eines Kristalls, die ebenfalls letztlich von Quantengesetzen abhängt, so werden auch die Form unserer Nase, die Farbe unserer Augen und Aspekte unseres Charakters von Quantengesetzen bestimmt, die in der Struktur eines einzigen, von Mutter oder Vater ererbten DNA-Moleküls wirksam sind. Wie Schrödinger vorausgesagt hatte, funktioniert das Leben aufgrund einer Ordnung, die sich von der Struktur und dem Verhalten vollständiger Lebewesen ganz hinunter bis zur Position von Protonen entlang der DNA-Stränge erstreckt. Es ist Ordnung aus Ordnung, und diese Ordnung ist der Grund für die originalgetreue Vererbung.

Aber selbst bei der Verdopplung mit Quanten kommt es hin und wieder zu Fehlern.

Ungenauigkeit

Das Leben hätte auf unserem Planeten keine Evolution durchmachen und sich auf seine verschiedenen Herausforderungen einstellen können, wenn das Kopieren der genetischen Information stets völlig fehlerfrei abgelaufen wäre. So waren zum Beispiel die Mikroorganismen, die vor vielen Jahrtausenden in den mäßig warmen Seen der Antarktis herumschwammen, wahrscheinlich an das Leben in einer relativ warmen, hellen Umgebung angepasst. Als das Eisdach ihre Welt abschloss, mussten Mikroorganismen, die ihre Genome hundertprozentig originalgetreu verdoppelten, mit ziemlicher Sicherheit untergehen. Vielen von ihnen unterliefen aber während des Kopierprozesses einige Fehler, und die dabei entstandenen, mutierten Tochterzellen unterschieden sich geringfügig von ihren Vorgängern. Diejenigen Tochterzellen, die aufgrund solcher Unterschiede besser geeignet waren, in einer kälteren, dunkleren Umwelt zu überleben, gediehen. Nach und nach, über Tausende von nicht ganz vollkommenen Kopierereignissen hinweg, entwickelten die Nachkommen der eingefangenen Mikroben Anpassungen an das Leben in dem See unter dem Eis.

Auch dieser Prozess der Anpassung durch Mutation (das heißt durch Fehler bei der DNA-Verdoppelung) im Wostoksee ist ein verkleinertes Abbild der Vorgänge, die sich auf der ganzen Erde seit Jahrmilliarden abspielen. Im Laufe seiner langen Geschichte hat unser Planet viele größere Katastrophen erlebt, von gewaltigen Vulkanausbrüchen über Eiszeiten bis zu Meteoriteneinschlägen. Hätte sich das Lebendige nicht durch Kopierfehler an den Wandel angepasst, es wäre schon längst zugrunde gegangen. Und was ebenso wichtig ist: Mutationen waren auch die Triebkraft für die genetischen Veränderungen, durch die sich einfache Mikroben zu der ungeheuer vielgestaltigen Biosphäre unserer Tage weiterentwickeln konnten. Wenn man genügend Zeit hat, kann man mit ein wenig Ungenauigkeit weit kommen.

In seinem 1944 erschienenen Buch What is Life? (Was ist Leben?) vermutete Erwin Schrödinger nicht nur, dass die Genauigkeit der Vererbung quantenmechanische Ursachen hat, sondern er äußerte auch einen anderen kühnen Gedanken. Mutationen, so seine Spekulation, könnten eine Art Quantensprung innerhalb des Gens darstellen. Ist das plausibel? Um diese Frage zu beantworten, müssen wir uns zunächst mit einer Kontroverse auseinandersetzen, die das Kernstück der Evolutionstheorie betrifft.

Die Giraffe, die Taufliege und der Erbsenzähler

Oft wird behauptet, die Evolution sei von Charles Darwin »entdeckt« worden. In Wirklichkeit war aber die Tatsache, dass sich Lebewesen in geologischen Zeiträumen verändern, den Naturforschern schon mindestens seit einem Jahrhundert vor Darwin durch die Untersuchung von Fossilien bekannt. Auch Charles’ Großvater Erasmus Darwin war ein eifriger Evolutionsforscher. Aber die wahrscheinlich berühmteste vordarwinistische Evolutionstheorie wurde von einem französischen Aristokraten mit dem eindrucksvollen Namen Jean-Baptiste Pierre Antoine de Monet, Chevalier de Lamarck, vertreten.

Der 1744 geborene Lamarck genoss eine Ausbildung an einem Jesuitenkolleg, erbte aber beim Tod seines Vaters gerade so viel Geld, dass er sich davon ein Pferd kaufen konnte; also ritt er davon, wurde Soldat und kämpfte während des Siebenjährigen Krieges in Pommern gegen Preußen. Dann aber wurde seine Soldatenlaufbahn durch eine Verwundung abgekürzt, und er kehrte nach Paris zurück. Dort arbeitete er als Bankangestellter, gleichzeitig studierte er aber in seiner Freizeit Botanik und Medizin. Schließlich fand er eine Stelle als botanischer Assistent am Jardin du Roi (dem Garten des Königs), bis die Revolution seinen Arbeitgeber den Kopf kostete. Lamarck dagegen ging es im nachrevolutionären Frankreich gut: Er bekam einen Lehrstuhl an der Universität Paris und verlagerte dort den Schwerpunkt seiner Studien von Pflanzen auf wirbellose Tiere.

Lamarck gehört – zumindest in der angelsächsischen Welt – zu den am stärksten unterschätzten großen Wissenschaftlern. Er prägte nicht nur den Begriff »Biologie« (vom griechischen bios, Leben), sondern formulierte auch ein halbes Jahrhundert vor Darwin eine Evolutionstheorie, die zumindest einen plausiblen Mechanismus für den entwicklungsgeschichtlichen Wandel beinhaltete. Lamarck erklärte, Lebewesen könnten ihren Körperbau zu Lebzeiten als Reaktion auf die Umwelt abwandeln. Bauern beispielsweise, die an harte körperliche Plackerei gewöhnt sind, entwickeln in der Regel einen muskulöseren Körperbau als Bankangestellte. Weiter behauptete Lamarck, solche erworbenen Veränderungen könnten an die Nachkommen vererbt werden und damit den evolutionären Wandel vorantreiben. Sein berühmtestes und am meisten verhöhntes Beispiel ist die imaginäre Antilope, die ihren Hals streckte, um die höchsten Blätter in den Bäumen abzufressen. Lamarck vermutete, die Nachkommen der Antilope hätten das erworbene Merkmal des verlängerten Halses geerbt, und ihre Nachkommen hätten immer wieder den gleichen Prozess durchgemacht, bis sie sich schließlich zu Giraffen entwickelt hatten.

Lamarcks Theorie der Vererbung erworbener Merkmale wurde in der angelsächsischen Welt allgemein verlacht, denn eine Fülle von Belegen sprach dafür, dass Eigenschaften, die ein Tier zu Lebzeiten erwirbt, in der Regel nicht vererbt werden. Die hellhäutigen Nordeuropäer zum Beispiel, die seit Ende des 18. Jahrhunderts in Australien leben, sind in der Regel sonnengebräunt, wenn sie viel Zeit im Freien verbringen, aber ihre Kinder sind bei der Geburt genauso blass wie ihre Vorfahren. Die braune Haut, eine anpassungsbedingte Veränderung als Reaktion auf starke Sonneneinwirkung, wird eindeutig nicht vererbt. Nachdem 1859 On the Origin of Species (Über die Entstehung der Arten) erschienen war, wurde die lamarckistische Evolutionstheorie deshalb durch Darwins Theorie der natürlichen Selektion in den Hintergrund gedrängt.[4]

Heute steht Darwins Version der Evolution im Mittelpunkt: Danach überlebt der Geeignetste, und eine erbarmungslose Natur trennt die gut angepassten von weniger vollkommenen Nachkommen. Aber die natürliche Selektion ist, was die Evolution angeht, nur die halbe Wahrheit. Damit Evolution gelingen kann, braucht die natürliche Selektion eine Quelle der Variationen, in die sie ihre Zähne schlagen kann. Für Darwin war das ein großes Rätsel, denn wie wir bereits erfahren haben, ist Vererbung durch ein bemerkenswert hohes Maß an Genauigkeit gekennzeichnet. Bei Lebewesen, die sich sexuell fortpflanzen und offensichtlich anders sind als ihre Eltern, mag das nicht sofort auf der Hand liegen, aber bei der sexuellen Fortpflanzung werden die vorhandenen Merkmale der Eltern in den Nachkommen nur neu gemischt. Anfang des 19. Jahrhunderts glaubte man sogar allgemein, die Vermischung der Merkmale bei der sexuellen Fortpflanzung verlaufe ganz ähnlich wie das Mischen von Farbe. Wenn man mehrere Hundert Dosen mit unterschiedlichen Farben nimmt, jeweils eine halbe Dose der einen Farbe mit einer halben Dose der anderen vermischt und den ganzen Vorgang Tausende von Malen wiederholt, hat man am Ende mehrere Hundert Dosen mit grauer Farbe: Die individuellen Variationen gehen im Bevölkerungsdurchschnitt auf. Darwin war aber darauf angewiesen, dass Variationen kontinuierlich erhalten bleiben und sich sogar addieren; nur so konnten sie zu einer Ursache des evolutionären Wandels werden.

Darwin glaubte, dass die Evolution ganz allmählich abläuft, weil natürliche Selektion auf winzige erbliche Abwandlungen einwirkt:

Die natürliche Zuchtwahl wirkt nur durch Erhaltung und Häufung kleiner vererbter Modifikationen, deren jede dem erhaltenen Wesen von Vorteil ist; und wie die neuere Geologie solche Ansichten, wie die Aushöhlung großer Täler durch eine einzige Diluvialwoge, fast ganz verbannt hat, so wird auch die natürliche Zuchtwahl den Glauben an eine fortgesetzte Schöpfung neuer organischer Wesen oder an große und plötzliche Modifikationen ihrer Struktur verbannen.[3]

Woher aber das Rohmaterial der Evolution stammt – wie die »kleinen vererbten Modifikationen« entstehen –, war ein großes Rätsel. Besonderheiten oder »Abarten« mit erblichen Merkmalen waren den Biologen im 19. Jahrhundert wohl bekannt: Auf einem Bauernhof in Neuengland wurde beispielsweise Ende des 18. Jahrhunderts ein Schaf mit sehr kurzen Beinen geboren, und mit seiner Hilfe züchtete man eine kurzbeinige Rasse, die als Ancon-Schaf bekannt wurde und leichter zu halten war, weil sie nicht über Zäune springen konnte. Darwin war aber überzeugt, solche Sonderformen könnten nicht die Triebkräfte der Evolution sein: Dazu waren die betreffenden Veränderungen zu groß, und häufig entstanden durch sie bizarre Lebewesen, die in freier Wildbahn höchstwahrscheinlich nicht überlebt hätten. Darwin musste eine Ursache kleinerer, weniger dramatischer erblicher Abwandlungen finden; nur sie konnte die kleinen Variationen hervorbringen, die er für seine Theorie brauchte. Dieses Problem vermochte er nicht zu lösen. In späteren Auflagen der Entstehung der Arten griff er sogar auf eine Art lamarckistische Evolutionstheorie zurück, um die kleinen erblichen Variationen zu erklären.

Teilweise war die Lösung allerdings schon zu Lebzeiten Darwins entdeckt worden, und zwar von Gregor Mendel, dem tschechischen Mönch und Pflanzenzüchter, der uns in Kapitel 2 bereits begegnet ist. Durch seine Experimente mit Erbsen konnte Mendel nachweisen, dass kleine Abwandlungen in Form oder Farbe der Erbsen tatsächlich stabil vererbt werden: Solche Merkmale – und das ist entscheidend – vermischen sich nicht, sondern bleiben von Generation zu Generation in reiner Form erhalten; oft ist eine solche Eigenschaft allerdings nicht dominant, sondern rezessiv, und dann überspringt sie eine Generation. Mendel war überzeugt, dass abgegrenzte erbliche »Faktoren« – wir sprechen heute von »Genen« – biologische Merkmale codieren und die Quelle der biologischen Variation sind. Man sollte sich also die sexuelle Fortpflanzung nicht wie das Mischen von Farben aus verschiedenen Dosen vorstellen, sondern eher wie einen Topf voller Murmeln mit einer unglaublichen Vielfalt von Farben und Mustern. In jeder Generation wird die Hälfte der Murmeln aus einem Topf mit der Hälfte der Murmeln aus einem anderen neu gemischt. Was dabei wichtig ist: Auch nach Tausenden von Generationen haben die einzelnen Murmeln noch ihre charakteristische Farbe, genau wie Merkmale, die ohne Veränderung über Hunderte oder Tausende von Generationen weitergegeben werden. Die Gene sind also eine stabile Quelle von Variationen, auf die die natürliche Selektion einwirken kann.

Mendels Arbeiten wurden zu seinen Lebzeiten kaum zur Kenntnis genommen und gerieten danach völlig in Vergessenheit; soweit wir wissen, kannte Darwin seine Theorie der »erblichen Faktoren« nicht, obwohl diese die Lösung für das Rätsel der Vermischung gewesen wäre. Deshalb führte das Problem, dass man die Quelle der erblichen Veränderungen und damit der Triebkraft für die Evolution nicht fand, gegen Ende des 19. Jahrhunderts dazu, dass die Unterstützung für Darwins Evolutionstheorie abnahm. Um die Jahrhundertwende jedoch wurden Mendels Gedanken von mehreren Botanikern wiederentdeckt: Sie erforschten die Hybridisierung von Pflanzen und entdeckten dabei Gesetze, die über die Vererbung von Variationen bestimmen. Wie alle guten Wissenschaftler, die glauben, sie hätten etwas Neues gefunden, durchsuchten sie die vorhandene Fachliteratur, bevor sie ihre Ergebnisse veröffentlichten; dabei stellten sie zu ihrer Verblüffung fest, dass Mendel ihre Vererbungsgesetze bereits mehrere Jahrzehnte zuvor beschrieben hatte.

Mit der Wiederentdeckung der Mendel’schen Faktoren, die man jetzt als »Gene« bezeichnete,[5] hatte man eine Lösung für Darwins Rätsel der Vermischung, aber die Frage nach der Ursache neuer genetischer Variationen, die den langfristigen evolutionären Wandel vorantreiben, war damit noch nicht sofort beantwortet. Es schien, als würden die Gene ohne jede Veränderung weitervererbt. Die natürliche Selektion kann zwar die Mischung der Genmurmeln in jeder Generation verändern, schafft aber allein keine neuen Murmeln. Aus dieser Sackgasse führte einer der Botaniker heraus, die die Mendel’schen Vererbungsgesetze wiederentdeckt hatten: Als Hugo de Vries durch ein Kartoffelfeld ging, bemerkte er eine völlig neue Variante der Rotkelchigen Nachtkerze (Oenothera lamarckiana): Sie war größer als die normale Pflanze und hatte nicht die bekannten herzförmigen, sondern ovale Blütenblätter. In dieser Pflanze erkannte er eine »Mutante«, und was noch wichtiger war: Er konnte nachweisen, dass die mutierten Eigenschaften an die Nachkommen der Pflanze weitergegeben wurden; sie waren also erblich.

Anfang des 20. Jahrhunderts verlegte der Genetiker Thomas Hunt Morgan die Untersuchung von de Vries’ Mutationen in sein Labor an der Columbia University, wo er mit den stets gefügigen Taufliegen arbeitete. Morgan und seine Mitarbeiter behandelten die Fliegen mit starken Säuren, Röntgenstrahlen und Giftstoffen, um so Mutanten zu erzeugen. Im Jahr 1909 schließlich schlüpfte aus einer Puppe eine Fliege mit weißen Augen, und die Arbeitsgruppe konnte nachweisen, dass dieses mutierte Merkmal – genau wie die seltsame Form von de Vries’ Nachtkerzen – wie ein Mendel’sches Gen vererbt wurde.

Die Vermählung der Darwin’schen natürlichen Selektion mit der Mendel’schen Genetik und der Mutationstheorie führte schließlich zur neodarwinistischen Synthese, wie sie häufig genannt wird. Man wusste jetzt, dass Mutationen der eigentliche Ursprung der vererblichen genetischen Variationen sind, die meist kaum Auswirkungen haben und manchmal auch schädlich sind, in seltenen Fällen aber Mutanten hervorbringen, die sich für ihre Umwelt besser eignen als ihre Eltern. Dann setzt der Prozess der natürlichen Selektion ein und beseitigt aus einer Population die weniger geeigneten Formen, während die erfolgreicheren Varianten überleben und sich fortpflanzen können. Am Ende werden die besser geeigneten Mutanten zum Normalfall, und die Evolution schreitet »durch Erhaltung und Häufung kleiner vererbter Modifikationen« weiter fort.

Ein wichtiger Bestandteil der neodarwinistischen Synthese ist das Prinzip, dass sich Mutationen zufällig ereignen. Wenn sich also die Umwelt verändert, muss eine Spezies darauf warten, dass – durch Zufallsprozesse – die richtige Mutation daherkommt; nur dann kann sich die Population auf den Wandel einstellen. Das steht im Gegensatz zu der lamarckistischen Vorstellung von der Evolution: Sie besagt, erbliche Anpassungen – der längere Hals der Giraffe – würden als Reaktion auf eine Herausforderung aus der Umwelt entstehen und von da an weiter vererbt.

Anfang des 20. Jahrhunderts war noch nicht klar, ob erbliche Mutationen tatsächlich nach dem Zufallsprinzip entstehen, wie die Neodarwinisten glaubten, oder ob sie sich als Reaktion auf umweltbedingte Probleme ereignen, wie es der lamarckistischen Ansicht entsprach. Wie bereits erwähnt, behandelte Morgan seine Fliegen mit giftigen Chemikalien oder mit Strahlung, um so Mutationen zu erzeugen. Vielleicht brachten die Fliegen als Reaktion auf solche äußeren Einflüsse neuartige Variationen hervor, mit denen sie die schwierigen Umweltbedingungen besser überleben konnten. Man konnte sich vorstellen, dass sie wie Lamarcks Giraffe im übertragenen Sinn »ihren Hals streckten« und dieses Anpassungsmerkmal als erbliche Mutation an ihre Nachkommen weitergaben.

Um die konkurrierenden Theorien zu überprüfen, nahmen James Watsons Doktorvater Salvador Luria und Max Delbrück 1943 an der University of Indiana ihre klassischen Experimente in Angriff. Als Lieblingsobjekte der Evolutionsforschung waren mittlerweile Bakterien an die Stelle der Taufliegen getreten, weil sie sich im Labor leicht züchten lassen und weil sie eine kurze Generationszeit haben. Man wusste, dass Bakterien von Viren infiziert werden können, aber wenn sie immer wieder einer solchen Behandlung ausgesetzt wurden, erwarben sie sehr schnell durch Mutationen eine Resistenz. Damit waren ideale Voraussetzungen gegeben, um die neodarwinistische und die lamarckistische Mutationstheorie zu überprüfen. Luria und Delbrück wollten herausfinden, ob Bakterienmutanten, die einer Virusinfektion widerstehen können, in der Population bereits vorhanden waren, wie es der Neodarwinismus voraussagte, oder ob sie erst als Reaktion auf die Gefährdung durch ein Virus entstanden, wie es dem Lamarckismus entsprach. Wie die beiden Wissenschaftler feststellten, kamen die Mutanten unabhängig davon, ob das Virus vorhanden war oder nicht, mehr oder weniger in der gleichen Häufigkeit vor. Oder, um es anders zu formulieren: Der Selektionsdruck aus der Umwelt wirkte sich nicht auf die Mutationsrate aus. Ihre Experimente brachten ihnen 1969 den Nobelpreis ein und klopften das Prinzip der Zufallsmutationen als Grundstein der modernen Evolutionsbiologie fest.

Aber 1943, als Luria und Delbrück ihre Experimente anstellten, wusste noch niemand, woraus diese Genmurmeln bestehen, und noch weniger hatte man eine Ahnung, welche physikalischen Mechanismen für die Entstehung von Mutationen verantwortlich sein könnten – wie sich also eine Murmel in eine andere verwandelt. Das alles änderte sich 1953, als Watson und Crick die Struktur der Doppelhelix aufklärten. Jetzt war klar, dass die Genmurmeln aus DNA bestehen, und das Prinzip, dass Mutationen sich zufällig ereignen, erschien vollkommen plausibel: Die überzeugend nachgewiesenen Ursachen für Mutationen, beispielsweise Strahlung oder mutagene Chemikalien, schädigen das DNA-Molekül nach dem Zufallsprinzip auf seiner gesamten Länge und erzeugen damit Mutationen in jedem betroffenen Gen, ganz gleich, ob die Veränderung dem Organismus einen Vorteil verschafft oder nicht.

In ihrem zweiten Artikel über die DNA-Struktur[4] äußerten Watson und Crick die Vermutung, dass ein Prozess namens Tautomerisierung, bei dem sich Protonen innerhalb eines Moleküls bewegen, ebenfalls eine Ursache von Mutationen sein könnte. Und wie mittlerweile klar sein dürfte, kann jeder Prozess, der die Bewegung von Protonen oder anderen Elementarteilchen beinhaltet, ein quantenmechanischer Vorgang sein. Hatte Schrödinger also recht? Sind Mutationen eine Art Quantensprünge?

Codierung mit Protonen

Werfen wir noch einmal einen Blick auf die untere Hälfte von Abbildung 7.1. Dort haben wir die Wasserstoffbrücke – bei der es sich, wie gesagt, um ein gemeinsames Proton handelt – als gestrichelte Linie zwischen zwei Atomen (Sauerstoff = O und Stickstoff = N) in den gepaarten Basen eingetragen. Aber ist ein Proton nicht ein Teilchen? Warum wird es dann als gestrichelte Linie wiedergegeben und nicht als ein einziger Punkt? Der Grund liegt auf der Hand: Protonen sind Quantengebilde, die sowohl Teilchen- als auch Welleneigenschaften haben. Das Proton ist delokalisiert und verhält sich wie ein »verschmiertes« Gebilde oder wie eine Welle, die zwischen den beiden Basen schwappt. In Abbildung 7.1 – in der die wahrscheinlichste Position des Protons eingetragen ist – befindet sich das H nicht in der Mitte zwischen den beiden Basen, sondern es ist nach einer Seite verschoben: Dem einen Strang der DNA steht es näher als dem anderen. Diese Asymmetrie ist die Ursache für eine äußerst wichtige Eigenschaft der DNA.

Betrachten wir einmal eines der möglichen Basenpaare: Im AT-Paar steht im einen Strang ein A und dem anderen ein T. Zusammengehalten werden beide von zwei Wasserstoffbrücken (Protonen), von denen das eine näher an einem Stickstoffatom im A und das andere näher an einem Sauerstoffatom im T steht (Abbildung 7.2a), so dass sich die Wasserstoffbrücke A:T bilden kann. Aber denken wir daran: »Näher als« ist in der Quantenwelt ein unbestimmter Begriff, denn hier besetzen die Teilchen keine festen Positionen, sondern ein Spektrum verschiedener Wahrscheinlichkeiten, mit denen sie sich an mehreren Orten gleichzeitig aufhalten, auch an solchen, die nur durch den Tunneleffekt zu erreichen sind. Würden die beiden Protonen, die hier unsere genetischen Buchstaben zusammenhalten, jeweils auf die andere Seite ihrer Wasserstoffbrücke springen, wären sie näher an der gegenüberliegenden Base. Dies führt zur Bildung von Alternativformen oder Tautomeren der jeweiligen Basen (Abbildung 7.2b). Jede Base der DNA kann also einerseits in ihrer üblichen Form existieren, wie man sie in der Doppelhelixstruktur von Watson und Crick erkennt, andererseits aber auch in der seltenen Tautomerform, in der die codierenden Protonen in neue Positionen verschoben sind.

Abb. 7.2: (a) Ein normales AT-Basenpaar; die Protonen stehen in den üblichen Positionen; (b) hier sind die Protonen quer durch die Doppelhelix gesprungen; A und T liegen in der Tautomerform vor.

Aber wie bereits erwähnt, sind die Protonen der Wasserstoffbrücken in der DNA für die spezifische Basenpaarung verantwortlich, mit deren Hilfe sich die genetische Information verdoppelt. Wenn sich also die beiden codierenden Protonen in entgegengesetzte Richtungen verschieben, schreiben sie eigentlich die genetische Information neu. Handelt es sich beispielsweise bei einem genetischen Buchstaben in einem DNA-Strang um ein T (Thymin), paart sich seine normale Form richtig mit A. Findet aber ein doppelter Protonenaustausch statt, geht sowohl das T als auch das A in seine Tautomerform über. Natürlich können die Protonen wieder zurückspringen, aber wenn sie sich zufällig gerade in der seltenen Tautomerform[6] befinden, wenn der DNA-Strang kopiert wird, werden in die neuen DNA-Stränge unter Umständen falsche Basen eingebaut. Die Tautomerform von T kann sich nicht mit A, sondern nur mit G paaren; entsprechend wird im neuen Strang an der Stelle, an der im alten ein A stand, ein G eingebaut. Ähnlich verhält es sich mit einem A, das sich in der Tautomerform befindet, wenn die DNA sich verdoppelt: Es paart sich nicht mit T, sondern mit C, und dieses steht dann im neuen Strang an der Stelle, an der im alten ein T war (Abbildung 7.3). In beiden Fällen tragen die neugebildeten DNA-Stränge Mutationen – Veränderungen, die an die Nachkommen weitervererbt werden.

Diese Hypothese ist zwar ganz und gar plausibel, sie mit unmittelbaren Befunden zu belegen, war aber schwierig. Erst 2011, fast 60 Jahre nachdem Watson und Crick ihren entscheidenden Artikel veröffentlicht hatten, gelang einer Arbeitsgruppe am Duke University Medical Center in den Vereinigten Staaten der Nachweis, dass falsch gepaarte DNA-Basen, deren Protonen sich in der Tautomerposition befinden, tatsächlich in das aktive Zentrum der DNA-Polymerase (des Enzyms, das neue DNA herstellt) passen und demnach wahrscheinlich in die frisch verdoppelte DNA eingebaut werden, wo sie dann Mutationen verursachen.[5]

Tautomere mit ihren abweichenden Protonenpositionen sind also offenbar eine Triebkraft der Mutationen und damit auch der Evolution. Aber wie kommt es dazu, dass Protonen in die falsche Position wandern? Die naheliegende »klassische« Antwort würde lauten: Sie werden hin und wieder von den ständigen molekularen Schwingungen, die um sie herum stattfinden, »durchgeschüttelt«. Das setzt allerdings voraus, dass genügend Wärmeenergie zur Verfügung steht und den notwendigen Impuls für das »Schütteln« liefert. Genau wie in den enzymkatalysierten Reaktionen, von denen in Kapitel 3 die Rede war, so muss das Proton auch hier eine recht steile Energiebarriere überwinden, um den Ortswechsel vollziehen zu können. Die Protonen könnten aber auch durch Kollisionen mit benachbarten Wassermolekülen herumgestoßen werden; allerdings befinden sich in der Nähe der codierenden Protonen in der DNA nicht sonderlich viele Wassermoleküle, die einen solchen Stoß ausüben könnten.

Abb. 7.3: In der tautomeren Enolform (hier als T* bezeichnet) kann T sich mit G anstelle seines normalen Partners A paaren. Und die tautomere Form von A (A*) paart sich fälschlich mit C statt mit T. Bleiben solche Fehler während der DNA-Verdoppelung erhalten, ist eine Mutation die Folge.

Es gibt aber noch einen anderen Weg, und wie sich herausgestellt hat, spielt er für den Mechanismus, mit dem Enzyme sowohl Elektronen als auch Protonen übertragen, eine wichtige Rolle. Subatomare Teilchen wie Elektronen und Protonen können wegen ihrer Wellennatur dem Quanten-Tunneleffekt unterliegen. Ihre verwaschene Position erlaubt es diesen Teilchen, durch die Energiebarriere zu »schlüpfen«. In Kapitel 3 haben wir erfahren, wie Enzyme sich den Quanten-Tunneleffekt der Elektronen und Protonen zunutze machen, um Moleküle so nahe zusammenzubringen, dass sich der Tunneleffekt einstellen kann. Zehn Jahre nachdem Watson und Crick ihren bahnbrechenden Artikel veröffentlicht hatten, vermutete der schwedische Physiker Per-Olov Löwdin, der uns in diesem Kapitel bereits begegnet ist, dass der Quanten-Tunneleffekt für Protonen eine Alternativroute sein könnte, auf der sie sich in den Wasserstoffbrücken hin und her bewegen und so die mutagenen Tautomerformen der Nucleotide entstehen lassen.

Wichtig ist dabei der Hinweis, dass Mutationen in der DNA durch eine ganze Reihe verschiedener Mechanismen entstehen können, so durch Schäden, die von Chemikalien verursacht werden, aber auch durch ultraviolettes Licht, Teilchen aus dem radioaktiven Zerfall und sogar kosmische Strahlung. Alle diese Veränderungen finden auf der Ebene der Moleküle statt, und deshalb müssen an ihnen quantenmechanische Prozesse beteiligt sein. Bisher gibt es aber keine Anzeichen dafür, dass die seltsamen Aspekte der Quantenmechanik für solche Mutationsursachen eine Rolle spielen. Wenn man allerdings zeigen kann, dass der Quanten-Tunneleffekt an der Entstehung der Basentautomere mitwirkt, könnte die Seltsamkeit der Quantenwelt für die Mutationen, von denen die Evolution vorangetrieben wird, doch von Bedeutung sein.

Die Tautomerformen machen allerdings in natürlich vorkommender DNA nur 0,01 Prozent aller Basen aus, und ungefähr in der gleichen Größenordnung könnten sie auch zu Kopierfehlern führen. Diese Wahrscheinlichkeit ist weitaus größer als die Mutationsrate von rund eins zu einer Milliarde, die wir in der Natur finden. Wenn also in der Doppelhelix tatsächlich Basentautomere vorliegen, werden die meisten durch sie entstandenen Fehler von den verschiedenen Fehlerkorrektur- oder »Korrekturlese«-Mechanismen, die zur großen Genauigkeit der DNA-Verdoppelung beitragen, wieder entfernt. Dennoch könnten Fehler, die vom Quanten-Tunneleffekt begünstigt werden und dem Korrekturapparat entgehen, eine Ursache der natürlich vorkommenden Mutationen sein, die die Evolution aller Lebewesen auf der Erde vorantreiben.

Die Aufklärung der grundlegenden Mutationsmechanismen ist nicht nur für unsere Kenntnisse über die Evolution wichtig; sie liefert möglicherweise auch Aufschlüsse darüber, wie genetisch bedingte Krankheiten entstehen oder wie Zellen krebsartig werden – beide Prozesse werden durch Mutationen verursacht. Wenn man allerdings der Frage nachgehen will, ob daran ein Quanten-Tunneleffekt beteiligt ist, stellt sich ein Problem: Im Gegensatz zu anderen bekannten Mutationsursachen wie chemische Mutagene oder Strahlung kann man ihn nicht einfach ein- oder ausschalten. Deshalb lassen sich Mutationsraten nicht ohne weiteres mit oder ohne Tunneleffekt messen und auf Unterschiede untersuchen.

Wenn man aber eine quantenmechanische Ursache von Mutationen aufspüren will, gibt es noch einen anderen Weg, der auf den Unterschied zwischen klassischer Information und Quanteninformation zurückgreift. Klassische Information kann man immer wieder ablesen, ohne dass ihr Inhalt sich verändert; Quantensysteme dagegen werden durch Messungen zwangsläufig gestört. Wenn also das Enzym DNA-Polymerase eine Base in der DNA abliest und die Position der codierenden Protonen feststellt, führt es eine Quantenmessung aus, die im Prinzip nichts anderes ist als die Messung, mit der ein Physiker im Labor die Position eines Protons ermittelt. In beiden Fällen ist die Messung niemals harmlos: Nach den Gesetzen der Quantenmechanik verändert jede Messung unabhängig davon, ob sie von der DNA-Polymerase in einer Zelle oder von einem Geigerzähler im Labor ausgeführt wird, zwangsläufig den Zustand des vermessenen Teilchens. Entspricht dieser Zustand einem Buchstaben der genetischen Information, würde man damit rechnen, dass Messungen – insbesondere wenn sie häufig vorgenommen werden – die Information verändern und damit potentiell eine Mutation verursachen. Gibt es dafür irgendwelche Belege?

Während der DNA-Verdoppelung wird zwar unser gesamtes Genom kopiert, die meisten Ablesevorgänge an unseren Genen finden jedoch nicht während dieses Prozesses statt, sondern dann, wenn die genetische Information gebraucht wird, um die Synthese von Proteinen zu steuern. Während des ersten daran beteiligten Vorganges, der Transkription, wird die in der DNA codierte Information in RNA, einen chemischen Verwandten der DNA, umgeschrieben. Die RNA wandert dann zum Proteinsyntheseapparat und sorgt dort für die Herstellung der Proteine: Dieser zweite Prozess wird als Translation bezeichnet. Um beide Prozesse vom Kopieren der genetischen Information während der DNA-Replikation zu unterscheiden, werden wir sie als Ablesen der DNA bezeichnen.

Das Ablesen der DNA hat die charakteristische Eigenschaft, dass es an manchen Genen wesentlich häufiger stattfindet als an anderen. Wenn das Ablesen der DNA-Information während der Transkription eine Quantenmessung ist, sollte man also damit rechnen, dass die häufiger abgelesenen Gene mehr messungsbedingte Störungen erleben, was zu höheren Mutationsraten führt. Tatsächlich wird in manchen Studien behauptet, man habe genau das gefunden. Abhijit Datta und Sue Jinks-Robertson von der Emory University in Atlanta in den Vereinigten Staaten wandelten beispielsweise ein einzelnes Gen in Hefezellen so ab, dass es entweder nur wenige Male abgelesen wurde und in der Zelle für die Herstellung geringer Proteinmengen sorgte oder aber viele Male mit der Folge, dass das Protein in großer Menge entstand. Wie sie dabei entdeckten, war die Mutationsrate in dem Gen 30-mal höher, wenn es stärker abgelesen wurde.[6] Eine ähnliche Studie berichtete über den gleichen Effekt in Mauszellen,[7] und ein kürzlich veröffentlichter Forschungsbericht über menschliche Gene gelangte zu dem Schluss, dass diejenigen unter unseren Genen, die am häufigsten abgelesen werden, auch mit der größten Wahrscheinlichkeit mutieren.[8] Solche Beobachtungen lassen sich zumindest mit einem quantenmechanischen Messungseffekt vereinbaren, aber es ist natürlich kein Beweis, dass Quantenmechanik dafür tatsächlich eine Rolle spielt. Beim Ablesen der DNA spielen sich biochemische Reaktionen ab, die auf ganz unterschiedliche Weise die Molekülstruktur von Genen stören oder schädigen können, und dann entstehen Mutationen auch völlig ohne Mitwirkung der Quantenmechanik.

Um zu überprüfen, ob die Quantenmechanik an einem biologischen Prozess beteiligt ist, brauchen wir Befunde, die sich ohne Quantenmechanik kaum oder gar nicht plausibel erklären lassen. Ein solches Rätsel war der Grund, warum wir beide uns zum ersten Mal dafür interessierten, welche Rolle die Quantenmechanik in der Biologie spielen könnte.

Quantensprünge von Genen?

Im September 1988 erschien im Fachblatt Nature ein Artikel über Bakteriengenetik, den der hochangesehene Genetiker John Cairns von der Harvard School of Public Health in Boston verfasst hatte.[9] Die darin veröffentlichten Befunde schienen einem grundlegenden Lehrsatz der neodarwinistischen Evolutionstheorie zu widersprechen: dem Prinzip, dass sich Mutationen, die Ursachen der genetischen Variation, zufällig ereignen und dass die Richtung der Evolution von der natürlichen Selektion bestimmt wird – vom »Überleben des Geeignetsten«.

Der britische Arzt und Wissenschaftler Cairns hatte in Oxford studiert und später sowohl in Australien als auch in Uganda gearbeitet, bevor er 1961 ein Freisemester am weltberühmten Cold Spring Harbor Laboratory im US-Bundesstaat New York zubrachte. Von 1963 bis 1968 war er Direktor des Instituts, das damals zu einem Tummelplatz für die neuentstehende Wissenschaft der Molekularbiologie wurde; das galt insbesondere in den 1960er und 1970er Jahren, als dort neben anderen Wissenschaftlerpersönlichkeiten auch Salvador Luria, Max Delbrück und James Watson tätig waren. Cairns und Watson hatten sich schon viele Jahre zuvor kennengelernt, als der ziemlich zerzauste spätere Nobelpreisträger bei einer Tagung in Oxford einen weitschweifigen Vortrag gehalten hatte. Besonders beeindruckt war Cairns damals nicht gewesen; insgesamt fasste er seinen Eindruck über eine der unsterblichen Gestalten der Naturwissenschaft sogar so zusammen: »Ich habe ihn für völlig bescheuert gehalten.«[10]

In Cold Spring Harbor stellte Cairns mehrere richtungsweisende Untersuchungen an. So wies er beispielsweise nach, dass die DNA-Replikation an einer einzigen Stelle beginnt und dann am Chromosom entlangwandert wie ein Zug auf seinem Gleis. Irgendwann muss Cairns doch noch Sympathien für James Watson entwickelt haben, denn 1966 brachten die beiden gemeinsam ein Buch heraus, das von der Bedeutung der Bakterienviren für die Entwicklung der Molekularbiologie handelte. In den 1990er Jahren interessierte sich Cairns dann für eine frühere, nobelpreisgekrönte Studie von Luria und Delbrück, in der die beiden vermeintlich nachgewiesen hatten, dass Mutationen sich zufällig ereignen, bevor ein Lebewesen irgendwelchen umweltbedingten Schwierigkeiten ausgesetzt war. Nach Cairns’ Ansicht gab es aber in der Anlage des Experiments von Luria und Delbrück eine Schwachstelle, und nur deshalb hatten sie angeblich nachgewiesen, dass in der Population von vornherein virusresistente Bakterienmutanten vorhanden waren und nicht erst nach Einwirkung des Virus neu entstanden sind.

Cairns machte darauf aufmerksam, dass Bakterien, die nicht bereits resistent gegen das Virus waren, keine Zeit gehabt hätten, sich mit neuen Mutationen an die Herausforderung anzupassen, weil sie von dem Virus sehr schnell abgetötet worden wären. Deshalb schlug er ein anders angelegtes Experiment vor, das den Bakterien mehr Möglichkeiten gab, als Reaktion auf äußere Einflüsse neue Mutationen zu entwickeln. Er suchte nicht nach Mutationen, die Resistenz gegen ein tödliches Virus verliehen, sondern er ließ die Zellen hungern und machte sich dann auf die Suche nach Mutationen, mit denen die Bakterien dennoch überleben und wachsen konnten. Wie Luria und Delbrück beobachtete er, dass manche Mutanten sofort weiterwuchsen, womit gezeigt war, dass sie in der Population bereits vorhanden waren; im Gegensatz zu der früheren Studie fand er aber auch viele weitere, die erst deutlich später auftauchten und offensichtlich als Reaktion auf den Hunger entstanden waren.

Cairns’ Befunde widersprachen dem allgemein anerkannten Prinzip, wonach Mutationen sich zufällig ereignen. Seine Experimente schienen zu zeigen, dass Mutationen auftreten, wenn sie von Vorteil sind. Offensichtlich sprachen sie für die in Misskredit geratene lamarckistische Evolutionstheorie – den hungernden Bakterien wuchs zwar kein langer Hals wie Lamarcks imaginärer Antilope, sie brachten aber anscheinend auf einen Umwelteinfluss hin erbliche Abwandlungen hervor – Mutationen.

Wenig später wurden die Ergebnisse von Cairns’ Experimenten durch mehrere andere Wissenschaftler bestätigt. Mit den damaligen Kenntnissen über Genetik und Molekularbiologie konnte man das Phänomen nicht erklären. Man kannte einfach keinen Mechanismus, durch den ein Bakterium oder überhaupt irgendein Lebewesen entscheiden konnte, welche Gene mutieren sollen und wann das geschieht. Außerdem schien der Befund dem »zentralen Dogma der Molekularbiologie« zu widersprechen, wie es manchmal genannt wird: dem Prinzip, dass Information bei der Transkription immer nur in eine Richtung fließt, nämlich von der DNA zu den Proteinen und von dort in die Umwelt einer Zelle oder eines Organismus. Wenn Cairns’ Ergebnisse stimmten, mussten die Zellen auch in der Lage sein, die Fließrichtung der genetischen Information umzukehren, so dass die Umwelt den in der DNA festgeschriebenen Inhalt verändern kann.

Die Veröffentlichung von Cairns’ Artikel löste hitzige, kontroverse Diskussionen aus, und in einer Flut von Leserbriefen an Nature wurde versucht, die Befunde zu erklären. Als Bakteriengenetiker war Johnjoe McFadden über das Phänomen der »adaptiven Mutationen«, wie sie nun genannt wurden, zutiefst verwundert. Ungefähr zu jener Zeit las er das Buch In Search of Schrödinger’s Cat (Auf der Suche nach Schrödingers Katze) von John Gribbin,[11] eine populärwissenschaftliche Darstellung der Quantenmechanik, und dabei konnte er sich der Frage nicht erwehren, ob quantenmechanische Vorgänge und insbesondere der rätselhafte Prozess der Quantenmessung möglicherweise eine Erklärung für Cairns’ Befunde boten. Johnjoe kannte auch Löwdins Behauptung, die genetische Information sei in Quantenbuchstaben geschrieben. Wenn Löwdin recht hatte, müsste man also das Genom von Cairns’ Bakterien als Quantensystem betrachten. Und wenn das stimmte, würde die Untersuchung der Frage, ob eine Mutation vorliegt, eine Quantenmessung darstellen. War der störende Einfluss von Quantenmessungen eine Erklärung für Cairns’ seltsame Beobachtungen? Um diese Möglichkeit zu untersuchen, müssen wir Cairns’ Versuchsanordnung etwas genauer betrachten.

Cairns hatte Millionen Zellen des Darmbakteriums Escherichia coli (E. coli) in Petrischalen auf die Oberfläche eines Nährbodens gebracht, der als einzigen Nährstoff den Zucker Lactose enthielt. Dabei verwendete er einen E.-coli-Stamm, der aufgrund eines Fehlers in einem Gen keine Lactose verwerten konnte, das heißt, die Bakterien hungerten. Aber sie starben nicht, sondern lagen einfach auf dem Nährboden herum. Dann erlebte Cairns die Überraschung, die zum Anlass für die Kontroversen wurde: So blieb es nicht lange. Schon nach einigen Tagen konnte er beobachten, wie Bakterienkolonien auf der Oberfläche erschienen. Jede Kolonie bestand aus Mutanten, Nachkommen einer einzigen Zelle, in der eine Mutation den Fehler in der DNA des defekten Gens für die Lactoseverwertung korrigiert hatte. Im Laufe mehrerer Tage erschienen immer neue Mutantenkolonien, bis die Platten schließlich austrockneten.

Nach der herkömmlichen Evolutionstheorie, wie sie sich in dem Experiment von Luria und Delbrück verkörperte, sollte die Evolution der E.-coli-Zellen voraussetzen, dass in der Population vorher bereits Mutanten vorhanden waren. Einige davon wurden in dem Experiment tatsächlich bereits frühzeitig sichtbar, es waren aber viel zu wenige, als dass man damit die Vielzahl der Lactose verwertenden Kolonien hätte erklären können, die einige Tage später sehr schnell auftauchten, nachdem die Bakterien in die lactosehaltige Umwelt gebracht worden waren (in der die Mutationen den Zellen einen Anpassungsvorteil verschafften – daher der Begriff »adaptive« oder »anpassungsorientierte« Mutationen).

Triviale Erklärungen des Phänomens wie eine allgemein erhöhte Mutationsrate konnte Cairns ausschließen. Außerdem wies er nach, dass adaptive Mutationen nur unter Umweltbedingungen auftraten, unter denen die Mutation einen Vorteil bedeutete. Aber immer noch konnte man seine Befunde mit der klassischen Molekularbiologie nicht erklären: Eigentlich sollten Mutationen stets mit der gleichen Häufigkeit auftreten, ganz gleich, ob Lactose vorhanden ist oder nicht. Wenn aber Gene, wie Löwdin meinte, eigentlich Quanten-Informationssysteme sind, könnte die Gegenwart von Lactose eine Quantenmessung darstellen, denn sie würde anzeigen, ob die DNA der Zelle mutiert ist oder nicht: ob sich also auf der Quantenebene ein Ereignis abgespielt hat, das von der Position einzelner Protonen abhängt. Waren Quantenmessungen eine Erklärung für die von Cairns beobachteten unterschiedlichen Mutationsraten?

Johnjoe McFadden entschloss sich, seine Gedanken am physikalischen Institut der University of Surrey zur Diskussion zu stellen. Jim Al-Khalili saß unter den Zuhörern und war zwar skeptisch, aber auch fasziniert. Wir vereinbarten, in gemeinsamer Arbeit der Frage nachzugehen, ob der Gedanke quantenmechanisch Hand und Fuß hat, und am Ende formulierten wir ein »Pi-mal-Daumen-Modell«[7], mit dem sich die adaptiven Mutationen unserer Meinung nach erklären ließen; unsere Vorstellungen veröffentlichten wir 1999 in der Fachzeitschrift Biosystems.[12]

Unser Modell geht von der Annahme aus, dass Protonen sich quantenmechanisch verhalten können. Das heißt diejenigen, die sich in der DNA der hungernden E.-coli-Zellen befinden, gelangen hin und wieder durch den Tunneleffekt in die tautomere (mutagene) Position, doch ebenso leicht können sie den Rückweg antreten und wieder ihre ursprüngliche Position einnehmen. Quantenmechanisch muss man das System als Superposition beider Zustände betrachten, also mit und ohne Tunneleffekt; das Proton wird dabei mit einer Wellenfunktion beschrieben, die sich über beide Seiten ausbreitet, aber asymmetrisch ist – in der nicht mutierten Position findet man das Proton mit weitaus größerer Wahrscheinlichkeit. Hier gibt es kein experimentelles Messinstrument und keine Apparatur, mit der man festhalten könnte, wo sich das Proton befindet; der in Kapitel 4 erörterte Messvorgang wird von der Umgebung ausgeführt. Das geschieht ständig: Wenn beispielsweise der Protein-Syntheseapparat die DNA abliest, zwingt er das Proton, sich zu »entscheiden«, auf welcher Seite der Bindung es sich aufhält, in der normalen (kein Wachstum) oder in der tautomeren Position (Wachstum), und meistens befindet es sich in der normalen Position.

Stellen wir uns Cairns’ Platte mit den E.-coli-Zellen einmal als eine Schachtel voller Münzen vor, wobei jede Münze das Proton in der entscheidenden Nucleotidbase im Gen für die Lactosenutzung repräsentiert.[8] Dieses Proton kann in zwei Zuständen existieren: entweder als »Zahl«, was der nichttautomeren Normalposition entspricht, oder als »Kopf« für die seltene Tautomerposition. Zu Anfang liegen alle Münzen mit der Zahl nach oben, das heißt, das Experiment beginnt mit dem Proton in der nichttautomeren Position. Quantenmechanisch befindet sich das Proton aber immer in einer Superposition aus Normal- und Tautomerposition; entsprechend liegen unsere imaginären Quantenmünzen in einer Superposition aus Zahl und Kopf, wobei der größte Teil der Wahrscheinlichkeitswelle den Normalzustand mit der Zahl nach oben begünstigt. Irgendwann wird die Position des Protons aber durch seine Umgebung in der Zelle gemessen, und nun ist es gezwungen, zu entscheiden, wo es sich befindet. Dies können wir uns als eine Art molekularen Münzwurf vorstellen, bei dem mit überwältigender Wahrscheinlichkeit die Zahl oben liegt. Hin und wieder wird die DNA vielleicht kopiert,[9] aber jeder neue Strang enthält nur die vorhandene genetische Information, und die codiert fast immer das defekte Enzym – die Zelle hungert also weiterhin.

Aber wie gesagt: Die Münze steht für ein Quantenteilchen, ein Proton im DNA-Strang; diesem steht es auch nach der Messung frei, zurück in die Quantenwelt zu schlüpfen und die ursprüngliche Quanten-Superposition wiederherzustellen. Nachdem unsere Münze geworfen wurde und mit der Zahl nach oben zeigt, wird sie also noch einmal und noch einmal und immer wieder geworfen. Irgendwann landet sie einmal mit dem Kopf nach oben. In diesem Zustand wird die DNA unter Umständen erneut kopiert, aber jetzt produziert sie das aktive Enzym. Ohne Lactose spielt das keine Rolle, denn ohne Lactose ist das Gen nutzlos. Die Zelle hungert weiterhin.

Ist dagegen Lactose vorhanden, sieht die Sache ganz anders aus: Jetzt versetzt das korrigierte Gen die Zelle in die Lage, Lactose zu verwerten, zu wachsen und sich zu verdoppeln. Die Rückkehr in den Zustand der Quanten-Superposition ist jetzt nicht mehr möglich. Das System ist ein für alle Mal als mutierte Zelle in der klassischen Welt gefangen. Wir können uns das vorstellen, als würden wir – nur in Gegenwart von Lactose – die wenigen Münzen aus der Schachtel nehmen, die mit dem Kopf nach oben liegen, und sie in einer anderen Schachtel mit der Aufschrift »Mutanten« unterbringen. In der ersten Schachtel werden die verbliebenen Münzen (E.-coli-Zellen) weiterhin geworfen, und jedes Mal, wenn wieder ein Kopf nach oben weist, wird die Münze herausgeholt und in die Schachtel mit den Mutanten gesteckt. Dort sammeln sich nach und nach immer mehr Münzen an. Oder, auf das Experiment übertragen: Es tauchen immer neue Mutanten auf, die auf Lactose wachsen können – und genau das hatte Cairns entdeckt.

Wir veröffentlichten unser Modell 1999, konnten dafür aber nur wenige Anhänger gewinnen. Ohne sich abschrecken zu lassen, schrieb Johnjoe sein Buch Quantum Evolution,[13] in dem er der Quantenmechanik eine größere Bedeutung für Biologie und Evolution beimaß. Aber wie gesagt: Damals war die Bedeutung des Tunneleffekts für Protonen in Enzymen noch nicht allgemein anerkannt und die Quantenkohärenz in der Photosynthese noch nicht entdeckt; deshalb waren die Wissenschaftler zu Recht skeptisch gegenüber dem Gedanken, seltsame Quantenphänomene könnten an der Entstehung von Mutationen mitwirken; und in Wirklichkeit hatten wir auch mehrere schwierige Fragen ausgelassen.[14] Außerdem wurde das Phänomen der adaptiven Mutationen immer undurchsichtiger. Man entdeckte, dass sich die hungernden E.-coli-Zellen in Cairns’ Experiment von Spurenelementen aus toten und sterbenden Zellen ernährten, dass sie sich gelegentlich verdoppelten und sogar DNA austauschten. Wieder tauchten konventionelle Erklärungen für die adaptiven Mutationen auf, und man führte die höhere Mutationsrate auf eine Kombination mehrerer Vorgänge zurück: eine allgemeine Zunahme der Mutationsrate aller Zellen, Zelltod und Freisetzung der mutierten DNA aus abgestorbenen Zellen und schließlich die selektive Aufnahme und Vermehrung des mutierten Lactose-Verwertungsgens durch die überlebenden Zellen, denen es gelungen war, es in ihr Genom einzubauen.[15]

Ob man die adaptiven Mutationen vollständig auf solche »konventionellen« Vorgänge zurückführen kann, ist bis heute nicht geklärt. Dass das Phänomen 25 Jahre nach Erscheinen von Cairns’ ursprünglichem Artikel immer noch rätselhaft ist, zeigt sich daran, dass nach wie vor neue Aufsätze erscheinen, in denen der Mechanismus untersucht wird,[16] und das nicht nur bei E. coli, sondern auch bei mehreren anderen Arten von Mikroorganismen. Beim derzeitigen Stand der Dinge können wir nicht ausschließen, dass ein Quanten-Tunneleffekt an der Entstehung adaptiver Mutationen beteiligt ist, wir können aber auch nicht behaupten, er sei die einzig mögliche Erklärung.

Da also keine dringende Notwendigkeit besteht, die Quantenmechanik mit adaptiven Mutationen in Verbindung zu bringen, entschlossen wir uns kürzlich, einen Schritt zurückzutreten und eine grundsätzlichere Frage zu untersuchen: Spielen Quanten-Tunneleffekte für Mutationen überhaupt eine Rolle? Wie bereits erwähnt, vertrat Löwdin ursprünglich aus rein theoretischen Gründen die Ansicht, Tunneleffekte könnten an Mutationen beteiligt sein, und seine Überlegungen wurden seither durch mehrere theoretische Studien bestätigt,[17] aber auch durch experimentelle Untersuchungen an sogenannten »Basenanaloga«, chemischen Verbindungen, die so gestaltet sind, dass sie die gleichen Basenpaarungseigenschaften haben wie die Basen in der DNA, gleichzeitig aber für Experimente besser zugänglich sind. Dabei konnte bisher noch niemand beweisen, dass Protonen-Tunneleffekte zu Mutationen führen. Unter anderem stellt sich das Problem, dass ein solcher Mechanismus in Konkurrenz zu mehreren anderen Ursachen für Mutationen und Mutationsreparaturmechanismen steht; deshalb ist es umso schwieriger, seine Bedeutung – falls es sie gibt – aufzuklären.

Um der Frage genauer nachzugehen, übernahm Johnjoe McFadden einige Ideen aus den in Kapitel 3 beschriebenen Experimenten mit Enzymen. Erinnern wir uns: Auf die Beteiligung eines Protonen-Tunneleffekts konnte man schließen, nachdem man die »kinetischen Isotopeneffekte« entdeckt hatte. Wenn Quanten-Tunneleffekte dazu beitragen, Enzymreaktionen zu beschleunigen, sollte der Austausch eines Wasserstoffatomkerns (das heißt eines einzigen Protons) gegen einen Deuteriumkern (der aus einem Proton und einem Neutron besteht) die Reaktion verlangsamen, denn der Quanten-Tunneleffekt reagiert höchst empfindlich, wenn das Teilchen, das den Tunnel passieren will, eine doppelt so große Masse hat. Einen ähnlichen Ansatz verfolgt Johnjoe derzeit auch im Zusammenhang mit Mutationen. Er untersucht, ob die Mutationsrate in schwerem Wasser (D_2O) anders ist als in H_2O. Zu der Zeit, da diese Zeilen geschrieben werden, sieht es tatsächlich so aus, als würde sich die Mutationsrate durch den Austausch verändern. Bevor wir aber sicher behaupten können, dass der Effekt auf Quanten-Tunneleffekte zurückzuführen ist, sind noch viele weitere Arbeiten erforderlich: Der Austausch von Wasserstoff gegen Deuterium kann nämlich in den Biomolekülen auch viele andere Prozesse beeinflussen, ohne dass wir auf irgendeine quantenmechanische Erklärung zurückgreifen müssten.

Jim Al-Khalili hat sich auf die Frage konzentriert, ob Quanten-Tunneleffekte mit Protonen in der DNA-Doppelhelix aus theoretischen Gründen überhaupt möglich sind. Wenn ein theoretischer Physiker ein derart komplexes Problem angeht, bemüht er sich zunächst um die Schaffung eines vereinfachten Modells, das sich mathematisch besser behandeln lässt, gleichzeitig aber noch über die wichtigsten Merkmale des untersuchten Systems oder Prozesses verfügt. Solche Modelle kann man dann durch Einbeziehung weiterer Details verfeinern und komplizierter gestalten, um so einer Nachbildung der tatsächlichen Situation näher zu kommen.

Das Modell, das wir in diesem Fall als Ausgangspunkt für die mathematische Analyse wählten, kann man sich bildlich als Kugel vorstellen, die das Proton repräsentiert. Sie wird auf beiden Seiten von zwei an Wänden befestigten Federn festgehalten, die die Kugel in entgegengesetzte Richtungen ziehen (Abbildung 7.4). In der Regel kommt die Kugel an der Stelle zur Ruhe, an der die Zugkraft beider Federn gleich groß ist. Ist also eine Feder ein wenig härter (weniger dehnbar) als die andere, befindet sich der Ball näher an der Wand, an der die steifere Feder befestigt ist. Dennoch besteht auch an dieser Feder ein wenig »Spielraum«, so dass sie die Kugel auch in eine weniger stabile Position in Richtung der anderen Wand drücken kann. Dies entspricht einem doppelten Potentialtopf, wie man ihn in der Quantenphysik nennt; er gibt die Lage eines codierenden Protons im DNA-Strang an, wobei der linke Topf im Diagramm der normalen Position des Protons, der rechte dagegen der seltenen Tautomerposition entspricht. Nach klassischer Betrachtungsweise befindet sich das Proton zwar vorwiegend in der linken Vertiefung, wenn es aber einen ausreichend starken Energieschub aus einer äußeren Quelle erhält, kann es gelegentlich auf die andere (tautomere) Seite hinübergestoßen werden. Es befindet sich aber immer in der einen oder anderen Vertiefung. Die Quantenmechanik dagegen erlaubt es dem Proton, die Barriere spontan durch einen Tunnel zu überwinden, selbst wenn ihre Energie nicht ausreicht, um über den Gipfel zu klettern: Es braucht den Energieschub also nicht unbedingt. Und nicht nur das: Das Proton kann sich demnach auch in einer Superposition zweier möglicher Zustände (linke und rechte Vertiefung) gleichzeitig befinden.

Ein Bild zu zeichnen, ist natürlich viel einfacher als ein mathematisches Modell aufzuschreiben, das die Verhältnisse treffend wiedergibt. Um das Verhalten des Protons zu verstehen, müssen wir die Form des Potentialtopfes oder die Energieoberfläche sehr präzise aufzeichnen. Das ist keine einfache Aufgabe, denn die genaue Form hängt von vielen Variablen ab. Die Wasserstoffbrücke ist nicht nur in der Regel ein Teil einer großen, komplexen DNA-Struktur aus Hunderten oder sogar Tausenden von Atomen, sondern sie treibt in der Zelle auch in einer warmen Suppe aus Wassermolekülen und anderen Verbindungen. Darüber hinaus können Molekülschwingungen, thermische Schwankungen, von Enzymen in Gang gesetzte chemische Reaktionen und sogar ultraviolette oder ionisierende Strahlung sich sowohl direkt als auch indirekt auf das Verhalten der Bindung in der DNA auswirken.

Ab. 7.4: Das Proton in der Wasserstoffbrücke zwischen zwei Basen der DNA kann man sich so vorstellen, als wäre es zwischen zwei Spiralfedern aufgehängt, so dass es hin- und herschwingen kann. Möglich sind zwei stabile Positionen, hier dargestellt als doppelter Energietopf. Der linke Topf (der der nichtmutierten Position entspricht) ist ein wenig tiefer als der rechte (die Tautomerposition); deshalb befindet sich das Proton bevorzugt in der linken Vertiefung.

Ein Verfahren zum Umgang mit einer derart großen Komplexität wurde von Adam Godbeer weiterentwickelt, einem Doktoranden von Jim Khalili. Es bedient sich der Dichtefunktionaltheorie (DFT), eines leistungsfähigen mathematischen Verfahrens, das sich derzeit bei Physikern und Chemikern, die komplexe Strukturen in Modellen nachvollziehen, großer Beliebtheit erfreut. Mit seiner Hilfe kann man die Form des Energietopfes einer Wasserstoffbrücke sehr präzise berechnen, indem man so viel Informationen über die Struktur des DNA-Basenpaares berücksichtigt, wie es die Rechenleistung erlaubt. Man kann es sich so vorstellen, dass man mit der DFT eine Landkarte aller Kräfte erstellt, die aufgrund der ziehenden, drückenden und wackelnden Atome in der Umgebung der DNA auf die Wasserstoffbrücke einwirken. Anhand dieser Information berechnet man dann, wie sich der Protonen-Tunneleffekt im Laufe der Zeit verhält. Als weitere Komplikation kommt hinzu, dass die umgebenden Atome der DNA und der Wassermoleküle sich ständig auf das Verhalten des Protons und seine Fähigkeit, durch einen Quantentunnel von einem DNA-Strang zum anderen zu gelangen, auswirken. Aber auch diesen ständigen Einfluss der äußeren Umwelt kann man in die quantenmechanischen Gleichungen einfließen lassen. Zu der Zeit im Sommer 2014, da diese Zeilen geschrieben werden, legen Adams Ergebnisse die Vermutung nahe, dass beide Protonen in der AT-Bindung zwar durch den Tunneleffekt an die Tautomerpositionen gelangen können, dies aber nur mit einer sehr geringen Wahrscheinlichkeit tatsächlich tun. Die theoretischen Modelle zeigen aber, dass die Einwirkung der Umwelt innerhalb der Zelle den Tunnelprozess nicht behindert, sondern aktiv unterstützt.

Welche Vermutungen können wir also derzeit über den Zusammenhang zwischen Quantenmechanik und Genetik anstellen? Wie wir erfahren haben, ist sie für die Vererbung von grundlegender Bedeutung, denn unsere genetische Information ist in Quantenteilchen festgeschrieben. Genau wie Erwin Schrödinger es vorausgesagt hatte, codieren Quantengene die klassische Struktur und Funktion aller Mikroorganismen, Pflanzen und Tiere, die jemals gelebt haben. Das ist kein Zufall, und es ist auch nicht bedeutungslos, denn Gene könnten schlicht und einfach nicht originalgetreu kopiert werden, wenn sie klassische Strukturen wären: Sie sind so klein, dass sie in jedem Fall von quantenmechanischen Gesetzen beeinflusst werden. Wegen der Quantennatur ihrer Gene konnten die Mikroorganismen im Wostoksee ihre Genome über Jahrtausende originalgetreu verdoppeln, genau wie unsere Vorfahren, die dasselbe seit vielen Jahrmillionen und sogar Jahrmilliarden tun, seit dem Anbeginn des Lebens auf unserem Planeten. Das Leben hätte auf der Erde nicht bestehen und eine Evolution durchmachen können, wenn es nicht vor Jahrmilliarden den Trick »entdeckt« hätte, Informationen im Quantenbereich zu codieren.[10] Ob die Quantenmechanik allerdings eine wichtige, direkte Rolle für genetische Mutationen spielt – für die Ungenauigkeit beim Kopieren der genetischen Information, die für die Evolution von so zentraler Bedeutung ist –, bleibt abzuwarten.

8. Geist

Jean-Marie Chauvet wurde in der alten französischen Provinz Auvergne geboren, aber als er fünf Jahre alt war, zogen seine Eltern in die südwestlich gelegene Region Ardèche, eine Landschaft voller spektakulärer Flüsse, Täler und Schluchten, die tief in das Kalksteingebirge eingeschnitten sind. Mit zwölf Jahren entdeckte Jean-Marie die Leidenschaft seines Lebens: Damals setzten er und seine Freunde zum ersten Mal Helme aus dem Zweiten Weltkrieg auf und erkundeten die vielen Hohlräume und Grotten, die der wunderschöne Fluss im Tal der Ardèche gegraben hatte. Mit 14 Jahren verließ er die Schule und arbeitete zunächst als Steinmetz, später als Verkäufer in einem Eisenwarenladen und schließlich als Hausmeister. Daneben ließ er sich aber durch das Buch Ma Vie souterraine (Mein Leben unter der Erde) von Norbert Casteret inspirieren und widmete, soweit es ihm möglich war, jedes Wochenende der Leidenschaft seiner Kindheit: Er kletterte über nackte Felsflächen oder grub sich durch dunkle Höhlen und träumte davon, eines Tages als erster Mensch einen Blick auf den verborgenen Schatz einer noch unbekannten Höhle zu werfen. »Immer ist es das Unbekannte, was uns leitet. Wenn man durch eine Höhle geht, weiß man nicht, was man gleich finden wird. Endet sie nach der nächsten Ecke, oder entdeckt man etwas Phantastisches?«[1]

Am 18. Dezember 1994, einem Samstag, begann das Wochenende für den 42-jährigen Jean-Marie und die beiden befreundeten Höhlenforscher Eliette Brunel-Deschamps und Christian Hillaire wie viele andere zuvor. Sie streiften durch die Schluchten und suchten nach etwas Neuem. Als der Nachmittag seinem Ende entgegenging und die Luft kühler wurde, entschlossen sie sich zur Erkundung eines Gebiets, das als Cirque d’Estre bekannt ist. Dort fängt sich das schwache Sonnenlicht des Nachmittags, und deshalb ist es dort an einem kalten Wintertag in der Regel ein wenig wärmer als in den schattigen Teilen des Tales. Die Freunde folgten einem alten Maultierpfad, der sich zwischen Terrassen mit immergrünen Eichen, Buchsbäumen und Heidekraut den Abhang entlangschlängelte und einen großartigen Ausblick auf den Pont d’Arc am Eingang der Schlucht bot. Als sie sich durch das Unterholz kämpften, fiel ihnen eine kleine Öffnung im Fels auf. Sie war ungefähr 25 Zentimeter breit und 75 Zentimeter hoch.

Damit stand den Höhlenforschern ganz buchstäblich eine Tür offen. Wenig später hatten sie sich durch die Lücke gezwängt und betraten eine kleine Kammer; sie war nur wenige Meter lang, und sie konnten darin gerade eben aufrecht stehen. Fast im gleichen Augenblick bemerkten sie einen schwachen Luftzug, der vom hinteren Ende der Höhle kam. Das Gefühl warmer Luft, die aus einem unsichtbaren Tunnel strömt, kennt jeder, der schon einmal Höhlen erkundet hat. Die meisten verborgenen Durchgänge sind erfahrenen Höhlenforschern durchaus bekannt; sie liegen gerade jenseits des schmalen Lichtkegels, den eine Taschenlampe liefert. Der Luftzug in dieser winzigen Kammer jedoch kam nicht aus irgendeiner bekannten Höhle. Abwechselnd entfernten die drei am Hinterende der Kammer die Steine, bis sie die Quelle der warmen Strömung gefunden hatten: einen Schacht, der senkrecht in die Tiefe führte. Eliette, die Kleinste aus dem Team, ließ sich als Erste mit einem Seil in die Dunkelheit hinab und gelangte zu einem schmalen Stollen, durch den sie kriechen konnte. Er führte zunächst in die Tiefe, wandte sich dann wieder aufwärts, und nun konnte Eliette sehen, dass sie zehn Meter über einem Lehmfußboden hing. Ihre Taschenlampe war zu schwach und reichte nicht bis zur jenseitigen Wand, aber das Echo, das auf ihren Ruf aus der Dunkelheit zurückkam, sagte ihr, dass sie sich in einer großen Höhle befand.

Alle drei waren sehr aufgeregt, aber zunächst mussten sie zu ihrem Kleinbus zurückkehren, den sie am Fuß der Klippe geparkt hatten, und eine Strickleiter holen. Nachdem sie auf ihren eigenen Spuren wieder bei der Höhle waren, entrollten sie die Leiter, und Jean-Marie erreichte als Erster den Höhlenboden. Es war tatsächlich ein großer Hohlraum: Er war mindestens 50 Meter hoch und ebenso breit und mit atemberaubenden Säulen aus weißem Calcit geschmückt. Vorsichtig suchten sich die drei ihren Weg durch die Dunkelheit, wobei jeder in die Fußstapfen des anderen trat, um die urtümliche Umgebung so wenig wie möglich zu verändern. Sie kamen an großartigen Strömen und Vorhängen aus perlmuttfarbigem Gestein vorüber, aber auch an den Knochen und Zähnen vor langer Zeit verstorbener Höhlenbären, die in uralten, in den Lehmboden gegrabenen Winterschlafnestern verstreut lagen.

Als der Lichtkegel von Eliettes Taschenlampe die Wand traf, schrie sie laut auf. Sie hatte eine Linie aus rotem Ocker entdeckt, die den Umriss eines kleinen Mammuts nachbildete. Sprachlos traten die Freunde näher an die Wand heran und ließen das Licht abwechselnd auf die Gestalten eines Bären, eines Löwen, mehrerer Raubvögel, eines weiteren Mammuts, ja sogar eines Nashorns und der Abdrücke menschlicher Hände fallen. »Ich habe immer nur gedacht: ›Wir träumen. Wir träumen‹«, erinnerte sich Chauvet.[2]

Als das Licht ihrer Taschenlampen schwächer wurde, zogen sich die drei zurück. Sie krochen aus der Höhle und fuhren zu Eliette nach Hause, wo sie mit deren Tochter Carole zu Abend aßen. Aber Carole war von ihren emotionalen, unzusammenhängenden und größtenteils widersprüchlichen Berichten über die Entdeckung so fasziniert, dass sie darauf bestand, sofort wieder zu der Höhle zu fahren und die wundersamen Dinge selbst zu sehen.

Als sie die Höhle zum dritten Mal betraten, war es draußen schon dunkel. Dieses Mal hatten sie stärkere Taschenlampen bei sich, die ihnen die ganze Pracht ihrer Entdeckung offenbarten: mehrere Höhlen, ausgeschmückt mit einer erstaunlichen Menagerie von Tieren: Pferde, Enten, eine Eule, Löwen, Hyänen, Panther, Hirsche, Mammuts, Steinböcke und Bisons. Die meisten Tiere waren in einem großartigen naturalistischen Stil gezeichnet, mit Kohleschattierungen, mit einander überschneidenden Köpfen, die eine Perspektive vortäuschten, und in Haltungen, die einen echten emotionalen Reiz ausstrahlten. Da waren ein paar ruhige, versonnene Pferde, ein süßes Mammutbaby mit großen, runden Füßen und zwei dahinstürmende Nashörner. Bei einem Nashorn deuteten sogar sieben Beine die Laufbewegung an.

Die Grotte Chauvet, wie sie heute genannt wird, gilt mittlerweile als eine der weltweit wichtigsten Stätten prähistorischer Kunst. Da sie so unberührt geblieben ist – sogar die Fußabdrücke ihrer vorzeitlichen Bewohner sind noch erhalten –, ist sie heute verschlossen und bewacht, damit ihr empfindliches Inneres nicht zerstört wird. Der Zugang wird streng kontrolliert, und nur wenige Glückliche dürfen die Höhle betreten. Einer von ihnen war der deutsche Filmemacher Werner Herzog, und sein 2011 erschienener Film Die Höhle der vergessenen Träume dürfte für die meisten von uns die beste Möglichkeit bleiben, sich an der bemerkenswerten Felskunst der eiszeitlichen Jäger zu erfreuen, die vor 30.000 Jahren in den Höhlen Unterschlupf suchten.

In diesem Kapitel wollen wir uns aber nicht mit den Felsbildern selbst beschäftigen, sondern mit dem Rätsel, das vielleicht am besten im Titel von Herzogs Film ausgedrückt wird. Schon bei einem flüchtigen Blick auf die Malereien wird klar, dass sie nicht platt das wiedergeben, was man mit den Augen sieht. Häufig sind sie abstrahiert und beschwören einen Eindruck von Bewegung herauf, und sie nutzen die Vorsprünge und Wölbungen im Gestein, um den dargestellten Tieren eine fast dreidimensionale Präsenz zu verleihen.[1] Der oder die Künstler malten nicht einfach Objekte, sie malten Ideen. Die Menschen, die ihre Farben auf die Wände der Chauvet-Höhle strichen, waren wie wir: Sie dachten über die Welt und ihren Platz in ihr nach, sie hatten ein Bewusstsein.

Aber was ist Bewusstsein? Diese Frage quält natürlich sowohl Philosophen als auch Künstler, Neurobiologen und eigentlich uns alle, seit wir überhaupt ein Bewusstsein haben. In diesem Kapitel kneifen wir: Wir werden nicht versuchen, eine strenge Definition zu formulieren. Nach unserer Überzeugung werden die Bemühungen, dieses seltsamste aller biologischen Phänomene zu verstehen, durch das hartnäckige Streben nach einer Definition sogar häufig behindert. Die Biologen können sich nicht einmal auf eine einzige Definition für das Leben als solches einigen, aber das hat sie nicht davon abgehalten, die verschiedensten Aspekte der Zellen, die Struktur der Doppelhelix, die Photosynthese, die Funktionsweise der Enzyme und eine Fülle anderer Lebensphänomene aufzuklären, darunter viele, die von quantenmechanischen Prozessen angetrieben werden, und damit haben sie uns eine Fülle von Erkenntnissen darüber verschafft, was es bedeutet, lebendig zu sein.

Mit vielen dieser Erkenntnisse haben wir uns in den vorangegangenen Kapiteln beschäftigt, aber alles, wovon bisher die Rede war, vom Magnetkompass bis zur Enzymwirkung und von der Photosynthese über die Vererbung bis zur Geruchswahrnehmung, kann man unter Gesichtspunkten der herkömmlichen Chemie und Physik betrachten. Die Quantenmechanik ist zwar insbesondere aus der Sicht vieler Biologen etwas mehr oder weniger Unbekanntes, sie passt aber voll und ganz in den Rahmen der modernen Naturwissenschaft. Und auch wenn wir nicht intuitiv oder mit dem gesunden Menschenverstand begreifen, was im Doppelspaltexperiment oder bei der Quantenverschränkung eigentlich geschieht, haben solche quantenmechanischen Erscheinungen eine präzise, logische und unglaublich leistungsfähige mathematische Grundlage.

Mit dem Bewusstsein verhält es sich anders. Wo oder wie es in den wissenschaftlichen Rahmen passt, von dem bisher die Rede war, weiß niemand. Es gibt keine (seriösen) mathematischen Gleichungen, die den Begriff »Bewusstsein« beinhalten, und anders als beispielsweise Katalyse oder Energietransport hat man es bisher in keinem Objekt entdeckt, das nicht lebendig ist. Ist es eine Eigenschaft aller Lebewesen? Die meisten Menschen würden diese Frage verneinen und das Bewusstsein nur jenen Lebewesen zusprechen, die ein Nervensystem besitzen. Aber dann stellt sich die Frage: Wie viel Nervensystem ist notwendig? Sehnen sich Clownfische nach ihrem Heimatriff? Empfindet unser Rotkehlchen tatsächlich den Drang, zum Überwintern nach Süden zu fliegen, oder wird es von einem Autopiloten gelenkt wie eine ferngesteuerte Drohne? Die meisten Haustierbesitzer sind überzeugt, dass ihre Hunde, Katzen oder Pferde ein Bewusstsein haben. Entwickelte sich das Bewusstsein demnach in Säugetieren? Viele Menschen, die Wellensittiche oder Kanarienvögel halten, sind sich genauso sicher, dass auch ihre Tiere einen eigenen Charakter besitzen und ebenso ein Bewusstsein haben wie die Katzen, von denen sie gejagt werden. Aber wenn das Bewusstsein sowohl den Vögeln als auch den Säugetieren gemeinsam ist, haben beide die Eigenschaft vermutlich von einem gemeinsamen, ebenfalls mit Bewusstsein ausgestatteten Vorfahren geerbt, vielleicht von einem Lebewesen ähnlich einem Amnioten, einem primitiven Reptil, das vor mehr als 300 Millionen Jahren lebte und offenbar der Vorfahre von Vögeln, Echsen und Säugetieren war. Empfand der Tyrannosaurus rex, dem wir in Kapitel 3 begegnet sind, demnach Angst, als er im Sumpf der Triaszeit versank? Und ist Bewusstsein bei primitiveren Tieren tatsächlich nicht vorhanden? Viele Aquarienbesitzer würden steif und fest behaupten, dass auch Fische oder Weichtiere, beispielsweise Tintenfische, ein Bewusstsein haben. Aber um den gemeinsamen Vorfahren aller dieser Gruppen zu finden, müssen wir noch weiter in die Vergangenheit vordringen, nämlich bis zur Entstehung der Wirbeltiere im Kambrium vor 500 Millionen Jahren. Ist Bewusstsein wirklich so alt?

Das alles wissen wir natürlich nicht. Selbst Haustierbesitzer können nur Vermutungen anstellen, denn eigentlich weiß niemand, wie man menschenähnliches Verhalten von echtem Bewusstsein unterscheiden soll. Ohne zu wissen, was Bewusstsein eigentlich ist, werden wir niemals herausfinden, welche Lebensformen diese Eigenschaft besitzen. Deshalb gehen wir naiv an die Sache heran: Wir vermeiden solche Argumente und Diskussionen. Der Frage, wann das Bewusstsein auf unserem Planeten entstand oder welche unserer Verwandten aus dem Tierreich sich ihrer selbst bewusst sind, gehen wir völlig aus dem Weg. Als Ausgangspunkt wählen wir stattdessen die feste Überzeugung, dass diejenigen unter unseren Vorfahren, die ihre Vorstellungen von Bären, Bisons oder Wildpferden auf vorzeitliche Höhlenwände malten, eindeutig ein Bewusstsein hatten. Irgendwann zwischen der Zeit vor rund drei Milliarden Jahren, als die ersten Mikroorganismen aus dem Urschlamm hervorgingen, und der Zeit vor einigen Zehntausend Jahren, als die ersten Jetztmenschen ihre Höhlen mit den Eindrücken von Tieren verzierten, tauchte in der Materie, aus der Lebewesen zusammengesetzt sind, eine bizarre Eigenschaft auf: Ein Teil dieser Materie wurde sich seiner selbst bewusst. In diesem Kapitel wollen wir der Frage nachgehen, wie und warum das geschah; außerdem wollen wir die umstrittene Vermutung untersuchen, dass die Quantenmechanik für die Entstehung des Bewusstseins eine Schlüsselrolle gespielt haben könnte.

Zuerst werden wir nach dem Vorbild der vorangegangenen Kapitel die Frage stellen, ob wir überhaupt auf die Quantenmechanik zurückgreifen müssen, um dieses rätselhafteste aller menschlichen Phänomene zu erklären. Dazu reicht es sicherlich nicht aus, wenn wir uns wie manche anderen die Ansicht zu eigen machen, das Bewusstsein sei rätselhaft und schwer dingfest zu machen, und da auch die Quantenmechanik rätselhaft und schwer dingfest zu machen ist, müsse zwischen beiden irgendeine Verbindung bestehen.

Wie seltsam ist das Bewusstsein?

Vielleicht das Seltsamste, was wir über das Universum wissen, ist die Tatsache, dass wir viel darüber wissen. Dies verdanken wir einer außergewöhnlichen Eigenschaft, die in jenen Teilen des Universums angesiedelt ist, die unser Schädel umschließt: unserem bewussten Geist. Das ist in der Tat höchst bizarr, nicht zuletzt weil die Funktion dieser seltsamen Eigenschaft alles andere als klar ist.

Philosophen stellen sich zur Untersuchung dieser Frage häufig vor, es gebe Zombies. Diese imaginären Wesen funktionieren genau wie Menschen – sie gehen ihrer Arbeit nach, bemalen die Wände von Höhlen oder lesen Bücher –, haben aber keinerlei Innenleben; in ihren Köpfen läuft nichts ab mit Ausnahme mechanischer Berechnungen, die dann die Bewegungen der Gliedmaßen oder die motorischen Funktionen der Sprache steuern. Zombies sind Automaten, ohne Bewusstsein und ohne ein Gefühl der Erfahrung. Dass solche Wesen zumindest theoretisch möglich sind, zeigt sich daran, dass viele unserer Tätigkeiten – Gehen, Fahrradfahren, die Bewegungen beim Spielen eines bekannten Musikinstruments und vieles andere – unbewusst ablaufen können (jedenfalls in dem Sinn, dass unser bewusster Geist sich während dieser Tätigkeiten mit etwas anderem beschäftigt), ohne dass wir ein Erlebnis wahrnehmen oder uns daran erinnern. Wenn wir doch einmal an sie denken, ist unsere Leistungsfähigkeit paradoxerweise sogar geringer. Zumindest für solche Tätigkeiten scheint ein Bewusstsein also entbehrlich zu sein. Aber wenn es Tätigkeiten gibt, die sich ohne Bewusstsein ausführen lassen, kann man sich dann ein Wesen, das alle Aktivitäten eines Menschen mit automatischer Steuerung ausführt, zumindest vorstellen?

Es sieht nicht so aus. Für manche Tätigkeiten, beispielsweise für eine natürliche Sprache, scheint ein Bewusstsein unentbehrlich zu sein, ein automatisch geführtes Gespräch etwa ist kaum vorstellbar. Ebenso wäre es für uns schwierig, automatisch eine heikle Berechnung auszuführen oder ein Kreuzworträtsel zu lösen. Wir können uns nicht vorstellen, dass unsere Eiszeitkünstlerin (wir nehmen einfach einmal an, dass es eine Frau war) einen Bison malen konnte und dabei von nichts anderem als der leeren Höhlenwand ausging, wenn sie kein Bewusstsein hatte. Alle diese zwangsläufig bewusst ablaufenden Tätigkeiten haben eine Gemeinsamkeit: Sie werden von Ideen angetrieben, so von der Idee hinter einem Wort, der Lösung für ein Problem oder dem Wissen darüber, was ein Bison ist und was er für die Steinzeitmenschen bedeutete. Die Wände der Chauvet-Höhle liefern eine Fülle von Belegen für diese kraftvollste Anwendung von Ideen: Mehrere Gedanken werden zu einem neuartigen Konzept zusammengeführt. Ein überhängender Fels wird beispielsweise mit einer unmöglichen Figur bemalt, die aus dem Oberkörper eines Bisons und der unteren Körperhälfte eines Menschen besteht. Ein solches Gebilde konnte nur ein bewusster Geist erschaffen.

Aber was sind Ideen? In unserem Zusammenhang gehen wir davon aus, dass Ideen komplexe Informationen repräsentieren, die sich in unserem bewussten Geist verbinden und zu Konzepten werden. Solche Konzepte haben für uns eine Bedeutung wie das Bild des Wesens auf der Höhlenwand von Chauvet, das halb Mensch und halb Bison war und den Menschen, die diese Höhlen bewohnten, etwas bedeutet haben muss. Wie komplexe Informationen derart in einer einzigen Idee konzentriert werden, macht auch eine Aussage deutlich, die Mozart zugeschrieben wird: Danach ist eine ganze musikalische Komposition »in meinem Kopf schon fertig, auch wenn sie lang ist. Dann begreift mein Geist sie in einem Augenblick … Sie kommt nicht nach und nach, wobei verschiedene Teile im Einzelnen ausgearbeitet werden, wie es später geschieht, sondern in ihrer Gesamtheit.«[3] Der bewusste Geist kann auch komplexe Informationen »mit verschiedenen Teilen« so »begreifen«, dass er ihre Bedeutung »in ihrer Gesamtheit« versteht. Bewusstsein schafft die Möglichkeit, dass unser Geist nicht nur von Reizen, sondern auch von Ideen und Konzepten angetrieben wird.

Aber wie werden komplexe neuronale Informationen in unserem bewussten Geist zu einer Idee zusammengefügt? Diese Frage ist ein Aspekt des ersten Rätsels im Zusammenhang mit dem Bewusstsein – häufig spricht man vom Bindungsproblem: Wie fließen Informationen, die in getrennten Regionen unseres Gehirns codiert sind, im bewussten Geist zusammen? Meist wird das Bindungsproblem unter dem Gesichtspunkt visueller oder anderer sensorischer Informationen formuliert. Denken wir beispielsweise noch einmal daran, wie Luca Turin anschaulich den Duft des Parfüms »Nombre Noir« von Shiseido beschrieb: »Die blumige Herznote lag in der Mitte zwischen einer Rose und einem Veilchen, aber ohne eine Spur der Süße von beiden, und stand stattdessen vor einem herben, fast schon feierlichen Hintergrund aus Zigarrenkisten-Zedernnoten.« Turin erlebte das Parfüm nicht als Mischung getrennter Düfte, von denen jeder einzelne sein eigenes Geruchsrezeptorneuron zu Impulsen veranlasste, sondern als ein einziges Aroma mit einem ganzen Spektrum bildmächtiger Duftnoten und Geruchsnuancen, darunter die Bedeutungsinhalte einer Fülle weiterer Konzepte wie Zigarren und Veilchen. Auch Anblicke und Geräusche erleben wir nicht als abgegrenzte Anteile von Farben, Konsistenzen oder Tönen, sondern als integrierte Sinneseindrücke, Erinnerungen und Vorstellungen beispielsweise von einem Bison, einem Baum oder einem Menschen.

Stellen wir uns einmal vor, wie unsere Steinzeitkünstlerin einen echten Bison beobachtet. Ihre Augen, Nase, Ohren und – wenn es sich um einen toten Bison handelt – die Berührungsrezeptoren in den Fingern haben eine Fülle sensorischer Eindrücke von dem Tier eingefangen, darunter seinen Geruch, seine Form, seine Farbe, die Beschaffenheit seines Fells, die Bewegungen und Geräusche. In Kapitel 5 war davon die Rede, wie unser Geruchssinn Düfte einfängt. Wie dort erläutert wurde, veranlassen Duftstoffmoleküle, die an die einzelnen Geruchsrezeptor-Neuronen binden, den Nerv zum »Feuern«, das heißt, er schickt ein elektrisches Signal durch sein Axon (das Besenstiel-Ende der Zelle), das sich vom Geruchsepithel in der Nasenrückwand bis zum Riechkolben im Gehirn erstreckt. Den Prozess der Impulsweiterleitung werden wir später in diesem Kapitel noch genauer betrachten, denn er ist der Schlüssel, wenn wir verstehen wollen, wie die Quantenmechanik möglicherweise am Denken beteiligt ist. Vorerst stellen wir uns nur vor, dass ein Rinder-Duftstoffmolekül vom Bison in die Nase unserer Künstlerin schwebt, an einen Geruchsrezeptor bindet und eine Kette elektrischer Impulse auslöst, die durch das kabelähnliche Axon laufen. Das Ganze ähnelt ein wenig einem Telegraphensignal, besteht aber im Gegensatz zu einem Telegramm nicht aus Punkten und Strichen, sondern nur aus Punkten oder Piepsern.

Im Gehirn der Künstlerin angekommen, löst das Signal des Geruchsnervs in vielen nachgeschalteten Nerven weitere Impulse aus: Das Signal hüpft von einem Nerv zum anderen, wobei jeder wie eine Art Telegraphen-Relaisstation funktioniert. Auch andere Sinneswahrnehmungen wurden in Form solcher Impulse eingefangen. Die Stäbchen und Zapfen in der Netzhaut des Auges beispielsweise (das sind wie die Geruchsrezeptoren spezialisierte Neuronen, die aber nicht auf Duftstoffe, sondern auf Licht ansprechen) haben Signalketten über die Sehnerven zur Sehrinde des Gehirns geschickt. Und genau wie die Geruchsneuronen, die auf einzelne Duftstoffmoleküle ansprechen, so haben auch die Sehnerven nur auf bestimmte Aspekte des Bildes reagiert, das auf die Netzhaut gefallen ist: manche auf eine bestimmte Farbe oder Grauschattierung, andere auf Kanten, Linien oder eine besondere Oberflächenbeschaffenheit. Die Hörnerven im Innenohr haben auf Schall reagiert (vielleicht auf das schwere Atmen des von einem Speer getroffenen Bisons), und die Berührung des Fells wurde von Mechanosensoren in der Haut aufgenommen. In allen diesen Fällen hat jedes sensorische Neuron auf ganz bestimmte Aspekte des Sinneseindrucks angesprochen. Ein bestimmtes Hörneuron hat beispielsweise nur dann Impulse abgegeben, wenn in dem Geräusch, das in die Ohren der Künstlerin gedrungen ist, eine bestimmte Frequenz enthalten war. Aber unabhängig von der Quelle ist das Signal, das von den einzelnen Nerven erzeugt wird, immer das gleiche: eine Welle elektrischer Impulse, die vom Sinnesorgan zu spezialisierten Regionen im Gehirn der Künstlerin fließen. Dort haben die Signale vielleicht einen unmittelbaren motorischen Output ausgelöst; sie könnten aber auch die Verknüpfungen zwischen den Neuronen verändert haben, so dass eine Erinnerung an die Beobachtungen angelegt wurde. Das dahinterstehende Prinzip »Neuronen, die gemeinsam feuern, werden auch gemeinsam verdrahtet« bildet offenbar die Grundlage für die Codierung von Erinnerungen im Gehirn.

Was dabei wichtig ist: Es gibt zwischen den rund 100 Milliarden Neuronen eines menschlichen Gehirns keine Stelle, an der dieser gewaltige Strom von Sinnesimpulsen zusammentrifft und den bewussten Eindruck eines Bisons erzeugt. Eigentlich ist »Strom« hier nicht ganz das richtige Wort, denn es lässt darauf schließen, dass die Information irgendwo zusammenfließt, und das geschieht in den Neuronen nicht. Vielmehr bleibt jedes Nervensignal an einen einzelnen Nerv gebunden. Man sollte sich die Wanderung der Informationen durch das Gehirn also nicht als Strom vorstellen, sondern eher als Abfolge von »Piep Piep Piep Piep«-Signalen, die an einzelnen Strängen eines ungeheuren Geflechts aus Billionen Neuronen entlanglaufen. Das Bindungsproblem ist die Frage, wie diese getrennten, in Piepsern codierten Informationen die einheitliche Wahrnehmung eines Bisons erzeugen.

Die Sinneseindrücke sind auch nicht das Einzige, was eingebunden werden muss. Den Rohstoff des Bewusstseins bilden keine aus dem Zusammenhang gerissenen sensorischen Daten, sondern sinnvolle Konzepte – im Fall des Bisons lauten sie vielleicht »behaart«, »stinkend«, »beängstigend« oder »großartig«, und jedes davon ist mit einer Fülle komplexer Informationen beladen. Auch dieser zusätzliche Ballast muss an die Sinneseindrücke gebunden werden, damit der Eindruck eines behaarten, stinkenden, beängstigenden, aber auch großartigen Bisons entsteht, an den unsere Steinzeitkünstlerin dachte, als sie ihn durch das Auftragen von Farbstoffen wiedergab.[4]

Wenn wir das Bindungsproblem nicht unter dem Gesichtspunkt der Sinneseindrücke, sondern der Ideen formulieren, kommen wir zum Kern der Frage nach dem Bewusstsein: Wie können Ideen einen Geist und damit auch einen Körper bewegen? Was im Geist unserer Steinzeitkünstlerin im Einzelnen vorging und sie dazu veranlasste, die Farbstoffe auf den Stein aufzubringen, werden wir nie erfahren. Vielleicht dachte sie, die Silhouette eines Bisons werde eine dunkle Ecke freundlicher gestalten; vielleicht glaubte sie auch, es werde die Erfolgsaussichten ihrer Jägerkollegen verbessern, wenn sie das Tier malte. In einem aber können wir sicher sein: Die Künstlerin glaubte, dass die Entscheidung, den Bison zu malen, ihre Idee war.

Aber wie kann eine Idee Materie in Bewegung setzen? Wenn man das Gehirn ausschließlich als klassisches Objekt begreift, empfängt es Informationen über eine Form des sensorischen Inputs, verarbeitet diese Informationen weiter und erzeugt genau wie ein Computer (oder ein Zombie) einen Output. Aber wo in diesem Gewirr der Impulse ist unser bewusster Geist, das Gespür für das »Ich«, das nach unserer Überzeugung unsere willkürlichen Handlungen antreibt? Was genau ist dieses Bewusstsein eigentlich, und wie interagiert es mit der Materie unseres Gehirns, so dass sich unsere Arme, unsere Beine oder unsere Zunge bewegen? Bewusstsein oder freier Wille kommt in einem völlig deterministischen Universum einfach nicht vor, denn die Gesetze der Kausalität lassen nur zu, dass eines nach dem anderen geschieht – eine endlose Kette von Ursachen und Wirkungen, die sich von der Chauvet-Höhle zurück bis zum Urknall erstreckt.

Den Augenblick, in dem die drei Freunde zum ersten Mal den Blick auf die Malereien in der Chauvet-Höhle warfen, beschreibt Jean-Marie so: »Wir waren überwältigt von dem Gefühl, nicht allein zu sein; um uns herum waren die Seelen und Geister der Künstler. Wir glaubten, ihre Gegenwart zu spüren.«[5] Die Höhlenforscher hatten eindeutig ein tiefgreifendes – manch einer würde sagen: spirituelles – Erlebnis. Wenn wir in den Schädel eines Menschen oder Tieres hineinblicken, finden wir nur weißes, schwammiges Gewebe, das sich nicht sonderlich stark von einem Bisonsteak unterscheidet. Befindet sich dieses Gewebe aber in unserem Schädel, ist es sich seiner selbst bewusst und hat Erlebnisse, Konzepte, die in der materiellen Welt nicht zu existieren scheinen. Und irgendwie treibt dieser schwer fassbare Stoff von Wahrnehmung und Erfahrung – unser bewusster Geist – den materiellen Stoff unseres Gehirns dazu an, unsere Taten zu verursachen – oder zumindest haben wir diesen Eindruck. Dieses Rätsel, das als Leib-Seele-Problem oder als hard problem of consciousness (schwieriges Problem des Bewusstseins) bezeichnet wird, ist sicher das tiefste Geheimnis unserer gesamten Existenz.

In diesem Kapitel gehen wir der Frage nach, ob die Quantenmechanik für das tiefe Geheimnis irgendwelche Antworten anzubieten hat. Dabei müssen wir von vornherein betonen, dass alle Gedanken über das Bewusstsein von ihrem Wesen her höchst spekulativ sind, denn eigentlich weiß niemand, was es ist oder wie es funktioniert. Unter Neurowissenschaftlern, Psychologen, Informatikern und Experten für künstliche Intelligenz besteht nicht einmal Einigkeit in der Frage, ob man über die schiere Komplexität des menschlichen Gehirns hinaus noch irgendetwas braucht, um das Bewusstsein zu erklären.

Als Ausgangspunkt wählen wir die Prozesse im Gehirn, die dazu geführt haben, dass die Umrisse eines Bisons auf dem Ardèche-Kalkstein festgehalten wurden.

Die Mechanik des Denkens

In diesem Abschnitt verfolgen wir die Kausalkette zurück, die mit dem Auftauchen einer Linie aus rotem Ocker auf einer Höhlenwand vor 30.000 Jahren endete. Unser Weg führt uns dabei von der Kontraktion der Muskeln im Arm der Malerin, die jene Linie zog, über die Nervenimpulse, die für die Kontraktion der Muskeln sorgten, zu den Gehirnimpulsen, die die Nerven feuern ließen, und schließlich zu den Sinneseindrücken, die den ganzen Ablauf in Gang setzten. Damit wollen wir herausfinden, an welcher Stelle der Kausalkette das Bewusstsein ins Spiel kommt, damit wir dann untersuchen können, ob die Quantenmechanik zu diesem Ereignis einen Beitrag leistet.

Die Szene, die sich vor so vielen Jahrtausenden abspielte, können wir uns gut vorstellen: Eine unbekannte Künstlerin, die vielleicht in ein Bärenfell gekleidet war, spähte in das Halbdunkel der Chauvet-Höhle. Die Malereien wurden tief im Inneren der Höhle entdeckt, sie hatte also wahrscheinlich eine Fackel bei sich, außerdem musste sie Töpfe mit Farben in die Höhle tragen. Irgendwann tauchte die Malerin einen Finger in den Topf mit gefärbter Holzkohle und strich das Pigment auf die Wand, so dass der Umriss eines Bisons entstand.

Die Armbewegung der Malerin vor der Höhlenwand wurde vom Myosin in Gang gesetzt, einem Protein in den Muskeln. Myosin ist ein Enzym, das chemische Energie nutzt, um Muskelfasern übereinandergleiten zu lassen, so dass sich der Muskel zusammenzieht. Die Einzelheiten dieses Kontraktionsmechanismus wurden von Hunderten von Wissenschaftlern im Laufe mehrerer Jahrzehnte aufgeklärt; er ist ein bemerkenswertes Beispiel für biologische Technik und Dynamik im Nanobereich. Hier wollen wir aber die faszinierenden molekularen Einzelheiten der Muskelkontraktion beiseitelassen und uns stattdessen auf die Frage konzentrieren, wie etwas so Flüchtiges wie eine Idee die Muskeln dazu veranlassen kann, sich zusammenzuziehen (Abbildung 8.1).

Abb. 8.1: Nervensignale fließen vom Gehirn über das Rückenmark zu den Muskelfasern. Dort veranlassen sie die Muskeln, sich zusammenzuziehen und beispielsweise einen Arm zu bewegen.

Die unmittelbare Antwort lautet: Das geschah überhaupt nicht. Die Kontraktion der Muskelfasern der Künstlerin wurde in Wirklichkeit ausgelöst, weil positiv geladene Natriumionen in ihre Muskelzellen geströmt sind. In der Regel befinden sich außerhalb der Membran von Muskelzellen mehr Natriumionen als im Zellinneren, so dass sich an der Membran ein Spannungsunterschied ergibt; das Ganze ähnelt ein wenig einer winzigen Batterie. In den Membranen liegen aber die Ionenkanäle, kleine Poren, die sich öffnen können und dann die Natriumionen in die Zelle einlassen. Ein solcher elektrischer Entladungsprozess hat im Organismus der Künstlerin die Muskelkontraktion ausgelöst.

Gehen wir einen Schritt weiter zurück in unserer Kausalkette mit der Frage: Was veranlasste die Ionenkanäle in den Muskeln, sich gerade in diesem Augenblick zu öffnen? Die Antwort: motorische Nerven, die mit den Muskeln im Arm der Künstlerin verbunden sind. Sie haben Neurotransmitter ausgeschüttet, chemische Substanzen, die die Ionenkanäle geöffnet haben. Aber was hat die motorischen Nerven veranlasst, ihre Neurotransmitterladung abzugeben? Nervenenden schütten Neurotransmitter aus, wenn bei ihnen ein elektrisches Signal eintrifft, das Aktionspotential (Abbildung 8.2). Aktionspotentiale sind ein grundlegender Bestandteil der Signalübertragung in Nerven, deshalb müssen wir uns ein wenig genauer ansehen, wie sie funktionieren.

Eine Nervenzelle, auch Neuron genannt, ist eine sehr lange, dünne, schlangenartige Zelle, die aus drei Teilen besteht. Am Kopfende befindet sich der spinnenähnliche Zellkörper; dort nimmt das Aktionspotential seinen Anfang. Dieses wandert nun durch den mittleren Abschnitt, das Axon (den »Besenstiel« der olfaktorischen Neuronen), zum Nervenende, wo die Neurotransmittermoleküle freigesetzt werden (Abbildung 8.2). Das Axon eines Nervs sieht ein wenig wie ein winziges elektrisches Kabel aus, es überträgt aber elektrische Signale auf eine viel schlauere Weise als ein Kupferdraht, durch den einfach ein Strom negativ geladener Elektronen fließt.

Wie bei der Muskelzelle, so befinden sich auch bei einer Nervenzelle normalerweise mehr positiv geladene Natriumionen auf der Außenseite als im Zellinneren. Aufrechterhalten wird der Unterschied von Pumpen, die positiv geladene Natriumionen durch die Membran der Nervenzelle nach außen befördern. Durch den Überschuss an positiven Ladungen auf der Außenseite entsteht an der Zellmembran ein Spannungsunterschied von ungefähr einem Hundertstelvolt. Das hört sich nicht nach viel an, aber man muss daran denken, dass Zellmembranen nur wenige Nanometer dick sind; die Spannung liegt also über eine sehr kurze Entfernung an. Deshalb haben wir an der Zellmembran einen elektrischen Gradienten (nichts anderes ist ein Spannungsunterschied) von einer Million Volt pro Meter. Das entspricht erstaunlichen 10.000 Volt an einer Lücke von einem Zentimeter und reicht fast aus, um einen Lichtbogen entstehen zu lassen, wie beispielsweise der, der an der Zündkerze eines Autos das Benzin entzündet.

Abb. 8.2: Die Nerven leiten elektrische Signale vom Zellkörper über das Axon zum Nervenende, wo sie für die Ausschüttung eines Neurotransmitters in die Synapse sorgen. Der Neurotransmitter wird vom Zellkörper des nachgeschalteten Neurons aufgenommen und veranlasst dieses dazu, ein Signal abzugeben; das Nervensignal wird also von Zelle zu Zelle weitergegeben.

Das Kopfende des motorischen Nervs der Künstlerin, der Körper ihrer Nervenzelle, ist mit einem Bündel von Strukturen verknüpft, die man Synapsen nennt (Abbildung 8.2). Synapsen sind eine Art Steckverbindungen zwischen den Nervenzellen. Die vorgeschalteten Nervenzellen schütten Neurotransmittermoleküle in die Synapsen aus, wie es ganz ähnlich auch an den Verbindungen zwischen Nerven und Muskeln geschieht; sie sorgen dafür, dass die Ionenkanäle in der Außenmembran des Nervenzellkörpers sich öffnen und positiv geladene Ionen nach innen strömen lassen, so dass die elektrische Spannung steil abfällt.

In den meisten Fällen hat ein Spannungsabfall, der durch das Öffnen einer Handvoll Ionenkanäle in einer Synapse entsteht, nur geringe oder gar keine Wirkung. Trifft aber eine größere Menge an Neurotransmitter ein, springen zahlreiche Ionenkanäle auf. Der nachfolgende starke Einstrom positiver Ionen in die Zelle sorgt dann dafür, dass der Spannungsunterschied an der Membran unter den kritischen Schwellenwert von ungefähr – 0,04 Volt sinkt. Wenn das geschieht, kommt eine andere Gruppe von Membranproteinen ins Spiel: die spannungsgesteuerten Ionenkanäle, die nicht auf Neurotransmitter ansprechen, sondern auf den Spannungsunterschied an der Membran. Als also die Spannung im Zellkörper einer Nervenzelle unserer Künstlerin unter den Schwellenwert sank, öffnete sich eine ganze Gruppe solcher Kanäle, weitere Ionen konnten in die Nervenzelle einströmen, und der betreffende Membranabschnitt wurde noch stärker kurzgeschlossen. Durch den nachfolgenden Spannungsabfall sprangen weitere spannungsgesteuerte Ionenkanäle auf, weitere Ionen strömten in die Zelle, und an einem weiteren Teil der Membran kam es zu einem Kurzschluss. Das lange Nervenkabel, das Axon, ist von solchen spannungsgesteuerten Kanälen gesäumt. Sobald also der Kurzschluss einmal am Zellkörper in Gang gekommen war, löste er entlang der Membran in einer Art Dominoeffekt weitere Kurzschlüsse aus – das Aktionspotential, das schnell an der Nervenzelle entlangwanderte, bis es deren Ende erreicht hatte (Abbildung 8.3). Dort löste es die Ausschüttung von Neurotransmittern in die Nerv-Muskel-Endplatte aus, als Folge davon zog sich der Armmuskel der Künstlerin zusammen, und sie zeichnete den Umriss eines Bisons auf die Höhlenwand (Abbildung 8.1).

Abb. 8.3: Aktionspotentiale wandern durch die Tätigkeit der spannungsgesteuerten Ionenkanäle in den Nervenzellmembranen am Axon entlang. Im Ruhezustand befinden sich auf der Außenseite der Membran mehr positive Ionen als innen. Eine von einem Aktionspotential verursachte Spannungsänderung veranlasst die Ionenkanäle, sich zu öffnen, und eine Welle positiv geladener Natriumionen – das Aktionspotential – strömt in die Zelle, so dass die Spannung an der Membran sich vorübergehend umkehrt. Auf diesen elektrischen Impuls hin öffnen sich weiter stromabwärts gelegene Ionenkanäle, so dass der Impuls in einer Art Dominoeffekt am Nerv entlangwandert, bis er das Nervenende erreicht hat und dort die Ausschüttung eines Neurotransmitters auslöst. Nachdem das Aktionspotential vorbeigelaufen ist, versetzen Ionenpumpen die Membran wieder in ihren Ausgangszustand.

Wie man an dieser Beschreibung sofort erkennt, sind Nervensignale etwas ganz anderes als ein elektrisches Signal, das durch einen Draht läuft. Zunächst einmal fließt der Strom – die Bewegung der Ladungen – nicht entlang der Nervenkabel in Richtung des Nervensignals, sondern im rechten Winkel zur Richtung des Aktionspotentials: durch die Ionenkanäle in der Zellmembran von außen nach innen. Und unmittelbar nachdem das Aktionspotential durch das Öffnen der ersten Ionenkanäle in Gang gesetzt wurde, schließen diese sich wieder, und die Ionenpumpen stellen an der Membran die ursprüngliche Batteriespannung wieder her. Man kann das Nervensignal also auch als eine Welle des Öffnens und Schließens von Ionendurchlässen in der Membran betrachten, die vom Zellkörper zum Nervenende wandert: ein beweglicher elektrischer Impuls.

Die meisten Verbindungsstellen, über die motorische Nervenzellen mit anderen Neuronen verknüpft sind, liegen im Rückenmark; dort nehmen sie die Neurotransmittersignale von Hunderten oder sogar Tausenden vorgeschalteten Nerven auf (Abbildung 8.1). Manche vorgeschalteten Nerven schütten Neurotransmitter in die Verbindungsstelle (die Synapse) aus, und wenn sich dann im Zellkörper die Ionenkanäle öffnen, steigt die Wahrscheinlichkeit, dass der motorische Nerv angeregt wird; andere sorgen dafür, dass die Kanäle sich schließen. Entsprechend arbeitet der Zellkörper jeder Nervenzelle ganz ähnlich wie ein logisches Gatter im Computer: Auf einen Input hin erzeugt die Zelle einen Output – sie gibt einen Impuls ab oder nicht. Wenn das Neuron also einem logischen Gatter gleicht, kann man sich das Gehirn, das aus Milliarden Neuronen besteht, als eine Art Computer vorstellen; zumindest nehmen das die meisten Kognitionsforscher an: Sie sind Anhänger der Computertheorie des Geistes, wie sie genannt wird.

Aber wir greifen vor – bisher sind wir noch gar nicht im Gehirn angelangt. Die motorischen Nervenzellen unserer Künstlerin müssen an ihren Verbindungsstellen zu anderen Nerven eine Menge Neurotransmitter aufgenommen haben und gaben deshalb selbst Impulse ab. Der Input stammte von vorgeschalteten Nerven, die in ihrer Mehrzahl im Gehirn entspringen. Verfolgen wir also die Kausalkette weiter zurück: Die Köpfe dieser Nervenzellen haben ihre Entscheidung, Impulse abzugeben oder nicht, auf der Basis zahlreicher Inputs und der Inputs für diese Inputs getroffen, und so immer weiter zurück in der Kausalkette, bis wir bei den Nerven angelangt sind, die Input-Signale von Augen und Ohren, Nase und Tastrezeptoren erhalten, aber auch von den Gedächtniszentren, die frühere Sinneseindrücke von lebenden und toten Bisons gespeichert haben. Zwischen dem sensorischen Input und dem motorischen Output liegt das neuronale Netz des Gehirns. Dort finden die Berechnungen statt, die darüber entscheiden, ob der präzise motorische Output erzeugt wird, der notwendig ist, um den Umriss eines Bisons zu zeichnen.

Damit ist der Ablauf komplett: Wir haben die gesamte Abfolge von Ereignissen nachgezeichnet, die zu der Muskelkontraktion und der Armbewegung der Künstlerin an der Wand geführt hat. Aber haben wir nicht etwas übersehen? Bisher haben wir eine ausschließlich mechanistische Kausalkette beschrieben, die vom sensorischen Input bis zum motorischen Output reicht, wobei ein Teil der Information auch über Gedächtniszentren geflossen ist. Einen solchen Mechanismus meinte Descartes, als er die (in Kapitel 2 erörterte) Behauptung aufstellte, Tiere seien bloße Maschinen; demnach brauchen wir nur Nerven, Muskeln und logische Gatter an die Stelle von Hebeln und Flaschenzügen zu setzen.

Aber vergessen wir nicht, dass Descartes einem spirituellen Gebilde, der Seele, als letzter Triebkraft menschlichen Handelns eine Rolle vorbehalten hatte. Wo ist die Seele in unserer Ereigniskette vom Input zum Output? Bisher haben wir nur eine Zombiekünstlerin beschrieben. An welcher Stelle fließt ihr Bewusstsein, ihre Idee, an der Höhlenwand einen Bison wiederzugeben, in die Kette zwischen Input und Output ein? Das ist bis heute das größte Rätsel der Hirnforschung.

Wie der Geist die Materie bewegt

Die Kernaussage des Dualismus, wonach der Geist/die Seele/das Bewusstsein etwas anderes ist als der physische Körper, wird wahrscheinlich von den meisten Menschen in der ein oder anderen Weise geteilt. In wissenschaftlichen Kreisen ist der Dualismus jedoch im Laufe des 20. Jahrhunderts in Misskredit geraten, und heute bevorzugen die meisten Neurobiologen die Vorstellung eines Monismus – danach sind Geist und Körper ein und dasselbe. Der Neurowissenschaftler Marcel Kinsbourne zum Beispiel behauptet: »Bewusst zu sein heißt, dass sich neuronale Schaltkreise in ganz bestimmten interaktiven Funktionszuständen befinden.«[6] Aber wie wir bereits festgestellt haben, sind die Neuronen den logischen Gattern eines Computers sehr ähnlich; deshalb ist nicht klar, warum stark vernetzte Computer wie das World Wide Web mit seiner schätzungsweise einer Milliarde Internethosts (womit es allerdings im Vergleich zu den rund 100 Milliarden Neuronen des Gehirns immer noch klein ist) keinerlei Anzeichen eines Bewusstseins zeigen. Warum sind Computer auf Siliziumbasis nur Zombies, während Computer auf Fleischbasis ein Bewusstsein haben? Ist es nur eine Frage der Komplexität und der schieren Vernetzung unserer Gehirnzellen, an die das World Wide Web nicht heranreicht,[2] oder ist Bewusstsein eine ganz andere Art von Rechentätigkeit?

Natürlich gibt es viele Erklärungen für das Bewusstsein, die alle in einer Fülle von Büchern über das Thema dargelegt wurden. Hier wollen wir uns jedoch auf die höchst umstrittene, aber auch faszinierende Behauptung konzentrieren, die für unser Thema die größte Bedeutung hat: Danach ist das Bewusstsein ein quantenmechanisches Phänomen. Vertreten wurde sie insbesondere von dem Mathematiker Roger Penrose aus Oxford: In seinem Buch The Emperor’s New Mind, das 1991 unter dem Titel Computerdenken auch auf Deutsch erschien, behauptete er, der Geist des Menschen sei ein Quantencomputer.

Von Quantencomputern war in Kapitel 4 bereits die Rede: Dort haben wir berichtet, wie 2007 in einem Artikel der New York Times die Behauptung aufgestellt wurde, Pflanzen seien Quantencomputer. Die Arbeitsgruppe am MIT schloss sich schließlich der Meinung an, dass Mikroorganismen und die Photosynthesesysteme der Pflanzen tatsächlich eine Art Quantenberechnungen ausführen. Aber war dabei möglicherweise auch das kluge Gehirn der Wissenschaftler selbst im Quantenbereich tätig? Um diese Frage zu untersuchen, müssen wir uns zunächst genauer ansehen, was Quantencomputer sind und wie sie funktionieren.

Rechnen mit Qubits

Wenn wir heute »Computer« sagen, meinen wir damit ein elektronisches Gerät, das Anweisungen ausführen und Informationen handhaben und verarbeiten kann. Dies geschieht über diverse elektrische Schalter, die entweder die Stellung EIN oder AUS haben können und so jeweils eine Binärziffer (ein Bit) als 0 oder 1 codieren. Eine Vielzahl solcher Schalter kann man zu Schaltkreisen anordnen, die logische Anweisungen ausführen, und in der richtigen Kombination können sie dazu dienen, arithmetische Operationen wie Additionen und Subtraktionen vorzunehmen oder auch Gatter zu öffnen und zu schließen, wie wir es für die Neuronen beschrieben haben. Ein solcher elektronischer Digitalcomputer hat den großen Vorteil, dass er sehr viel schneller arbeitet, als wenn man die gleiche Aufgabe auf irgendeine Weise manuell ausführen würde, sei es durch Abzählen von Fingern, Kopfrechnen oder mit Papier und Bleistift.

Aber auch wenn elektronische Computer außerordentlich schnell Summen berechnen können, sind selbst sie nicht in der Lage, die Komplexität der Quantenwelt mit ihrer Vielzahl einander überlappender Wahrscheinlichkeiten abzubilden. Zur Überwindung dieses Problems formulierte der Physiker und Nobelpreisträger Richard Feynman einen Lösungsansatz. Er schlug vor, Berechnungen in der Quantenwelt mit einem Quantencomputer auszuführen.

Um zu verstehen, wie Quantencomputer funktionieren könnten, ist es nützlich, zunächst das »Bit« eines klassischen Computers als eine Art kugelförmigen Kompass darzustellen, dessen Nadel entweder auf die 1 (den Nordpol) oder auf die 0 (den Südpol) weist und durch eine Drehung um 180 Grad zwischen diesen beiden Zuständen wechseln kann (Abbildung 8.4a). Die Zentraleinheit (CPU) eines Computers besteht aus vielen Millionen solcher Ein-Bit-Schalter; man kann sich also den ganzen Rechenprozess als Anwendung einer komplexen Menge von Schaltregeln (Algorithmen) vorstellen, durch die eine Riesenzahl von Kugeln jeweils um 180 Grad gedreht wird.

Im Quantencomputer heißt die Entsprechung zum Bit Qubit. Es ähnelt der klassischen Kugel[3], ihre Bewegungsmöglichkeiten beschränken sich aber nicht auf eine Drehung um 180 Grad. Sie kann sich vielmehr um jeden beliebigen Winkel im Raum drehen, und da es sich um eine quantenmechanische Kugel handelt, kann sie auch in quantenkohärenter Superposition in mehrere Richtungen gleichzeitig weisen (Abbildung 8.4b). Wegen dieser höheren Flexibilität kann ein Qubit mehr Information codieren als ein klassisches Bit. Den eigentlichen Schub erhält die Rechenleistung aber erst, wenn man Qubits zusammenbringt.

Abb. 8.4: (a) Das »Umschalten« eines klassischen Bits von 1 nach 0 ist hier durch die Drehung einer klassischen Kugel um 180 Grad dargestellt. (b) Das Umspringen eines Qubits kann man als Drehung der Kugel um einen beliebigen Winkel wiedergeben. Ein kohärentes Qubit kann sich aber auch in einer Superposition vieler Drehungen befinden. (c) Die Verschränkungsinteraktionen dreier kohärenter Qubits kann man sich als Fäden zwischen den Kugeloberflächen vorstellen. Die Spannung dieser Fäden nach der Rotation verkörpert die Quantenberechnungen.

Während der Zustand eines klassischen Bits keinen Einfluss auf seine Nachbarn hat, können Qubits auch quantenverschränkt sein. Erinnern wir uns noch einmal an Kapitel 6: Die Verschränkung ist ein quantenmechanischer Schritt, der von der Kohärenz ausgeht: Quantenteilchen verlieren ihre Individualität, so dass sich alles, was einem von ihnen widerfährt, gleichzeitig auf alle anderen auswirkt. Unter dem Gesichtspunkt des Quantencomputers kann man sich die Verschränkung so vorstellen, als wäre jede Qubit-Kugel durch elastische Fäden[4] mit jedem anderen Qubit verbunden (Abbildung 8.4c). Jetzt stellen wir uns vor, wir würden eine der Kugeln drehen. Ohne Verschränkung wirkt sich die Rotation nicht auf benachbarte Qubits aus. Ist unser Qubit dagegen mit anderen Qubits verschränkt, verändert sich durch die Drehung die Spannung aller Verbindungsfäden zwischen den Qubits. Dabei steigt die Rechenleistung aller Verschränkungsfäden exponentiell mit der Zahl der Qubits, das heißt, sie wird ungeheuer schnell größer.

Wie können wir uns einen Eindruck vom exponentiellen Wachstum verschaffen? Manch einer hat vielleicht schon einmal die Fabel von dem chinesischen Kaiser gehört, der über die Erfindung des Schachspiels so erfreut war, dass er dem Erfinder einen von diesem selbst gewählten Preis versprach. Der schlaue Erfinder bat um nur ein Reiskorn auf dem ersten Quadrat des Schachbrett, zwei Körner auf dem zweiten, vier auf dem dritten und so weiter – die Zahl der Reiskörner sollte sich also auf jedem Quadrat verdoppeln, bis er beim 64. Quadrat angelangt war. Der Kaiser hielt dies für eine sehr bescheidene Bitte, stimmte fröhlich zu und befahl seinen Dienern, den Reis zu bringen. Als aber die Reiskörner gezählt wurden, bemerkte er seinen Fehler. In der ersten Reihe der Quadrate stieg die Zahl nur bis auf 128 Körner (2^7 plus eines – wie gesagt, auf dem ersten Quadrat lag nur ein einziges Reiskorn), und selbst am Ende der zweiten Reihe waren es erst 32.768 Körner, was einem knappen Kilo entspricht. Als die Kilos sich aber auf den nachfolgenden Quadraten vermehrten, stellte der Kaiser zu seinem Entsetzen fest, dass er am Ende der dritten Reihe bereits mehr als 200 Tonnen Reis übergeben musste. Und schon am Ende der vierten Reihe wäre das Kaiserreich pleite gewesen! Um das Ende des Schachbretts zu erreichen, wären 9.223.372.036.854.775.809 Reiskörner (2^63 plus 1) oder 230.584.300.921 Tonnen notwendig gewesen, das entspricht ungefähr der gesamten Reis-Welternte seit Beginn der Menschheitsgeschichte.

Worin bestand der Fehler des Kaisers? Er hatte sich nicht klargemacht, dass die wiederholte Verdoppelung einer Zahl zu exponentiellem Wachstum führt – oder man könnte auch sagen: Der Zuwachs von einer Zahl zur nächsten ist proportional zum Betrag der vorhergehenden Zahl. Exponentielles Wachstum ist, wie der Kaiser zu seinem Schaden erfahren musste, explosionsartiges Wachstum. Und genau wie die Zahl der Reiskörner, die in der Fabel exponentiell mit der Zahl der Schachbrettfelder wuchs, so wächst auch die Leistungsfähigkeit eines Quantencomputers exponentiell mit der Zahl der Qubits.

Im Gegensatz dazu wächst die Leistung eines klassischen Computers nur linear mit der Zahl der Bits. Nimmt man zum Beispiel zu einem klassischen 8-Bit-Computer ein weiteres Bit hinzu, wächst seine Leistungsfähigkeit um ein Achtel; damit seine Leistung sich verdoppelt, muss sich auch die Zahl der Bits verdoppeln. Dagegen verdoppelt sich die Leistung eines Quantencomputers schon durch Hinzufügen eines einzigen Qubits, und das führt zu der gleichen Form von exponentieller Leistungssteigerung, die der Kaiser auch beim rasenden Schwund seiner Reisvorräte beobachtete. Könnte ein Quantencomputer nur Kohärenz und Verschränkung von 300 Qubits aufrechterhalten, woran potentiell nur 300 Atome beteiligt sein müssten, würde er bei bestimmten Aufgaben einen klassischen Computer überflügeln, der so groß ist wie das gesamte Universum!

Aber – und das ist ein sehr großes Aber – damit ein Quantencomputer funktioniert, dürfen die Qubits (über die unsichtbaren verschränkten »Fäden«) zur Ausführung von Berechnungen ausschließlich untereinander interagieren. Das bedeutet, dass sie völlig von ihrer Umwelt abgeschirmt sein müssen. Jede Wechselwirkung mit der Außenwelt würde nämlich dazu führen, dass sich die Qubits mit ihrer Umwelt verschränken. Das können wir uns so vorstellen, als würden sich weitere Fäden bilden, die aus unterschiedlichen Richtungen an den Qubits zerren, mit den Fäden zwischen den Qubits in Konkurrenz treten und so die von diesen ausgeführte Berechnung stören. Letztlich handelt es sich dabei um den Prozess der Dekohärenz (Abbildung 8.5). Schon bei den geringsten Interaktionen richtet die Umwelt unter den Verschränkungsfäden zwischen den Qubits ein solches Durcheinander an, dass sie sich untereinander nicht mehr kohärent verhalten: Ihre Quantenfäden sind durchgeschnitten, und die Qubits verhalten sich wie unabhängige, klassische Bits.

Abb. 8.5: Die Dekohärenz in einem Quantencomputer kann man sich so vorstellen, als würde sich die Verschränkung der Qubits mit einem Fadengewirr aus der Umwelt verflechten. Diese Fäden zerren die Qubits hin und her, so dass sie nicht mehr auf ihre eigenen Verschränkungsverknüpfungen ansprechen.

Quantenphysiker geben sich große Mühe, die Kohärenz unter den verschränkten Qubits aufrechtzuerhalten; dazu bedienen sie sich höchst anspruchsvoller, sorgfältig kontrollierter physikalischer Systeme: Sie codieren die Qubits in einer Handvoll Atome, kühlen das System bis auf den Bruchteil eines Grades über dem absoluten Nullpunkt ab und umgeben ihre Apparaturen mit einer Fülle von Isoliermaterial, um alle Einflüsse aus der Umwelt abzuschirmen. Mit solchen Methoden konnten sie einige bahnbrechende Ergebnisse erzielen. Im Jahr 2001 gelang es Wissenschaftlern von IBM und der Universität Stanford, einen 7-Qubit-»Reagenzglas-Quantencomputer« zu bauen, der einen ausgefuchsten Code abarbeitete: den Shor-Algorithmus, benannt nach dem Mathematiker Peter Shor, der ihn 1994 gezielt für Quantencomputer entwickelte. Der Shor-Algorithmus codiert einen sehr effizienten Weg zur Primzahlzerlegung von Zahlen (das heißt, er stellt fest, welche Primzahlen man multiplizieren muss, um die gewünschte Zahl zu erhalten). Das war ein großer Durchbruch, der auf der ganzen Welt wissenschaftliche Schlagzeilen machte. Bei seinem Jungfernflug gelang es dem Quantencomputer-Küken allerdings nur, die Primfaktoren der Zahl 15 zu errechnen (3 und 5, falls jemand fragt).

In den letzten zehn Jahren haben einige führende Physiker, Mathematiker und Ingenieure hart daran gearbeitet, größere und bessere Quantencomputer zu bauen, erzielten aber nur bescheidene Fortschritte. Chinesischen Wissenschaftlern gelang es 2011, die Zahl 143 mit Hilfe von nur vier Qubits in ihre Primfaktoren (13 und 11) zu zerlegen. Wie vor ihnen schon die US-amerikanische Arbeitsgruppe, so bedienten sich auch die Chinesen eines Systems, in dem die Qubits in den Spinzuständen von Atomen codiert waren. Mit einem etwas anderen Verfahren leistete das kanadische Unternehmen D-Wave Pionierarbeit: Hier codiert man die Qubits in der Bewegung von Elektronen in elektrischen Schaltkreisen. Im Jahr 2007 behauptete die Firma, sie habe den ersten kommerziell nutzbaren 16-Qubit-Quantencomputer entwickelt, der ein Sudoku-Rätsel sowie andere Mustervergleichs- und Optimierungsprobleme lösen könne. Im Jahr 2013 wurde im Rahmen eines Gemeinschaftsprojekts von NASA, Google und der Universities Space Research Association (USRA) für eine nicht genannte Summe eine von D-Wave gebaute 512-Qubit-Maschine angeschafft; die NASA will damit nach Exoplaneten suchen, das heißt nach Planeten, die nicht um unsere Sonne kreisen, sondern um weit entfernte Sterne. Die Fragestellungen, die bisher von dem Unternehmen angegangen wurden, liegen aber alle auch im Rahmen der Leistungsfähigkeit konventioneller Computer, und viele Quantencomputer-Experten sind bis heute nicht überzeugt, dass es sich bei der Technologie von D-Wave überhaupt um echte Quantencomputer handelt – und wenn ja, ob sie mit diesem Konstruktionsprinzip jemals schneller arbeiten können als ein klassischer Rechner.

Welchen Ansatz die Wissenschaftler auch wählen, die Weiterentwicklung der heutigen Generation von Quantencomputern zu nützlichen Geräten bleibt eine ungeheuer große Herausforderung. Am schwierigsten ist die Übertragung auf größere Maßstäbe. Mit einer Verdoppelung der Zahl der Qubits verdoppelt sich auch die Rechenleistung, gleichzeitig verdoppeln sich aber die Probleme, wenn man Quantenkohärenz und Verschränkung aufrechterhalten will. Die Atome müssen kälter und die Abschirmung muss effizienter sein; außerdem wird es immer schwieriger, die Kohärenz länger als einige Billionstelsekunden aufrechtzuerhalten. Die Dekohärenz setzt ein, lange bevor es dem Computer gelungen ist, auch nur die einfachste Berechnung abzuschließen. (Zu der Zeit, da dieses Buch geschrieben wird, steht der Rekord für die Quantenkohärenz von Kernspinzuständen bei Raumtemperatur immerhin bei eindrucksvollen 39 Minuten.[7]) Wie wir aber gesehen haben, gelingt es lebenden Zellen, die Dekohärenz lange genug in Schach zu halten, um Excitonen in Photosynthesekomplexen oder Elektronen und Protonen in Enzymmolekülen zu transportieren. Wird die Dekohärenz im Zentralnervensystem vielleicht auf ähnliche Weise zurückgedrängt, so dass im Gehirn Quantenberechnungen ausgeführt werden können?

Rechnen mit Mikrotubuli?

Penrose bezog seine Argumentation, dass das Gehirn ein Quantencomputer ist, anfangs aus einer recht erstaunlichen Richtung: aus den (zumindest in Mathematikerkreisen) berühmten Unvollständigkeitssätzen, die von dem österreichischen Mathematiker Kurt Gödel formuliert wurden. Diese Sätze waren für die Mathematiker in den 1930er Jahren ein großer Schock, denn damals hatte man sich voller Zuversicht darangemacht, leistungsfähige mathematische Axiome zu finden, mit denen man beweisen kann, dass wahre Aussagen wahr und falsche Aussagen falsch sind – im Wesentlichen wollte man damit nachweisen, dass die gesamte Arithmetik in sich konsistent und frei von inneren Widersprüchen ist. Das hört sich nach einer Frage an, um die sich nur Mathematiker oder Philosophen streiten können, aber für das Gebiet der Logik war sie ein großes Thema und ist es bis heute geblieben. Die Gödel’schen Unvollständigkeitssätze machten deutlich, dass ein solches Unternehmen zum Scheitern verurteilt war.

Mit seinem ersten Unvollständigkeitssatz zeigte Gödel, dass logische Systeme wie eine natürliche Sprache oder die Mathematik manche wahren Aussagen machen können, die sich aber nicht beweisen lassen. Das scheint eine harmlose Feststellung zu sein, aus ihr ergeben sich aber weitreichende Folgerungen. Betrachten wir ein logisches System, das uns allen vertraut ist: die Sprache. Mit ihr kann man durch Aussagen wie »Alle Menschen sind sterblich. Sokrates ist ein Mensch« zu der Schlussfolgerung gelangen, dass »Sokrates sterblich ist«. Es ist leicht zu erkennen und auch formell leicht zu beweisen, dass der letzte Satz logisch aus den beiden ersten folgt; dazu braucht man nur einfache algebraische Regeln (wenn A = B und B = C, dann A = C). Wie Gödel aber zeigen konnte, unterliegt jedes logische System, das so komplex ist, dass man damit mathematische Theoreme beweisen kann, einer grundsätzlichen Beschränkung: Durch Anwendung seiner Regeln kann man Aussagen erzeugen, die wahr sind, aber diese Aussagen lassen sich nicht mit den gleichen Mitteln beweisen, die ursprünglich zu ihrer Erzeugung verwendet wurden.

Das hört sich seltsam an, und das ist es auch. Aber – und das ist wichtig – Gödels Satz bedeutet nicht, dass manche wahren Aussagen einfach nicht beweisbar wären. Vielmehr kann man mit einer Menge von Regeln die Wahrheit von Aussagen beweisen, die mit einer anderen Menge von Regeln gewonnen wurden und sich deshalb mit diesen nicht beweisen lassen. Wahre, aber unbeweisbare sprachliche Aussagen können zum Beispiel mit den Regeln der Algebra beweisbar sein, und umgekehrt.

Das ist natürlich eine grobe Vereinfachung, die den Feinheiten des Themas nicht gerecht wird. Interessierte Leser können sich an dem 1979 erschienenen Buch versuchen, das Douglas Hofstadter, ein amerikanischer Professor für Kognitionsforschung, zu diesem und ähnlichen Themen geschrieben hat.[8] Entscheidend ist hier etwas anderes: In seinem Buch Computerdenken wählt Penrose die Gödel’schen Unvollständigkeitssätze als Ausgangspunkt für seine Argumentation: Er weist zunächst darauf hin, dass klassische Computer ihre Aussagen mit Hilfe formeller logischer Systeme (Computeralgorithmen) gewinnen. Aus Gödels Satz folgt demnach, dass sie auch in der Lage sein müssen, wahre Aussagen zu erzeugen, die sie nicht beweisen können. Aber, so Penrose, Menschen (oder zumindest diejenigen Angehörigen der Spezies, die Mathematiker sind) können die Wahrheit solcher nicht beweisbaren, aber wahren Computeraussagen beweisen. Deshalb, so seine Argumentation, ist der Geist des Menschen mehr als nur ein klassischer Computer – er ist zu nicht berechenbaren Prozessen in der Lage, wie Penrose sie nennt. Dann postuliert er, dass diese Nichtberechenbarkeit zusätzlich etwas erfordert, was nur die Quantenmechanik liefern kann. Bewusstsein, so Penrose, erfordert einen Quantencomputer.

Das ist natürlich eine sehr kühne Behauptung, wenn sie sich nur auf die Beweisbarkeit oder Nichtbeweisbarkeit einer schwierigen mathematischen Aussage stützt – auf diesen Punkt werden wir noch zurückkommen. In seinem späteren Buch Shadows of the Mind (Schatten des Geistes) geht Penrose sogar noch einen Schritt weiter: Er schlägt einen physikalischen Mechanismus vor, mit dem das Gehirn seine Berechnungen in der Quantenwelt ausführen kann.[9] Gemeinsam mit Stuart Hameroff[5], einem Professor für Anästhesiologie und Psychologie an der University of Arizona, stellte er die Behauptung auf, dass die Mikrotubuli – Strukturen, die in den Neuronen vorkommen – die Qubits des Quantengehirns sind.[10]

Mikrotubuli sind lange Ketten aus Molekülen eines Proteins namens Tubulin. Hameroff und Penrose äußerten die Vermutung, dass diese Tubulinmoleküle – die Perlen auf der Kette – zwischen mindestens zwei verschiedenen Formen, einer entspannten und einer kontrahierten, hin und her wechseln können und dabei – das Entscheidende – in der Lage sind, sich als Quantenobjekte zu verhalten, die in einer Superposition beider Formen existieren und damit etwas Ähnliches wie Qubits bilden können. Und nicht nur das: Weiter postulierten sie, die Tubulinproteine in einem Neuron seien mit den Tubulinproteinen in vielen anderen Neuronen verschränkt. Erinnern wir uns: Die Verschränkung ist jene »gespenstische Fernwirkung«, die sehr weit voneinander entfernte Objekte potentiell verbinden kann. Wären gespenstische Verbindungen zwischen all den Billionen Neuronen im Gehirn eines Menschen möglich, könnten die Zellen potentiell sämtliche in getrennten Nerven codierten Informationen zusammenführen und damit das Bindungsproblem lösen. Außerdem könnten sie den bewussten Geist mit den schwer fassbaren, aber außerordentlich großen Fähigkeiten eines Quantencomputers ausstatten.

Die Bewusstseinstheorie von Penrose und Hameroff hat noch viele weitere Aspekte, darunter – was vielleicht noch stärker umstritten ist – eine mutmaßliche Beteiligung der Gravitation.[6] Aber ist das glaubhaft? Davon sind wir, wie fast alle Neurobiologen und Quantenphysiker, keineswegs überzeugt. Ein besonders naheliegender Einwand ergibt sich aus dem Weg, auf dem Information durch die Nerven zum Gehirn fließt und den wir weiter vorne in diesem Kapitel beschrieben haben. Manch einem ist vielleicht aufgefallen, dass wir die Mikrotubuli in dieser Beschreibung nicht erwähnt haben. Das hat auch einen Grund: Es war nicht notwendig, denn soweit man weiß, spielen sie für die Informationsverarbeitung in den Neuronen keine unmittelbare Rolle. Mikrotubuli haben eine Art Gerüstfunktion und transportieren Neurotransmitter auf ihrer Länge hin und her; nach heutiger Kenntnis sind sie aber nicht an der netzwerkbasierten Informationsverarbeitung beteiligt, die für die Rechenleistung des Gehirns sorgt. Demnach spielen die Mikrotubuli also wohl keine Rolle für unsere Überlegungen.

Noch wichtiger ist aber vielleicht ein anderer Einwand: Die Mikrotubuli kommen wahrscheinlich schon deshalb nicht als Kandidaten für kohärente Quanten-Qubits in Frage, weil sie zu groß und zu kompliziert sind. In den vorangegangenen Kapiteln haben wir uns für die Möglichkeit von Quantenkohärenz, Verschränkung und Tunneleffekt bei allen möglichen biologischen Systemen ausgesprochen, von den Photosynthesesystemen bis zu Enzymen, Geruchsrezeptoren, DNA und dem schwer greifbaren Magnetsinnesorgan der Vögel. Alle diese Systeme haben aber die entscheidende Eigenschaft, dass der »Quantenteil« (das Exciton, Elektron, Proton oder freie Radikal) sehr einfach ist. Er besteht entweder aus einem einzelnen Teilchen oder aus wenigen Teilchen, deren Aktivität sich über Entfernungen im Größenbereich der Atome abspielt. Das entspricht natürlich der 70 Jahre alten Erkenntnis von Schrödinger, wonach an lebenden Systemen, die mit größter Wahrscheinlichkeit die Regeln der Quantenmechanik unterstützen, jeweils eine geringe Zahl von Teilchen beteiligt ist.

Dagegen postuliert die Theorie von Penrose und Hameroff, dass ganze Proteinmoleküle, die aus Millionen Teilchen bestehen, sich in einer Quanten-Superposition befinden und nicht nur mit Molekülen innerhalb des gleichen Mikrotubulus verschränkt sind, sondern auch mit anderen Mikrotubuli, die ebenfalls aus Millionen Teilchen bestehen und sich in Milliarden Nervenzellen auf das gesamte Gehirn verteilen. Das ist alles andere als plausibel. Zwar ist es bisher niemandem gelungen, die Kohärenz in den Mikrotubuli des Gehirns zu messen, Berechnungen legen aber die Vermutung nahe, dass die Quantenkohärenz sich selbst in einem einzelnen Mikrotubulus nicht länger als für wenige Picosekunden aufrechterhalten lässt,[11] eine viel zu kurze Zeit, als dass sie irgendeinen Effekt auf die Rechenvorgänge im Gehirn haben könnte.[7]

Möglicherweise stellt sich aber mit der quantenmechanischen Bewusstseinstheorie von Penrose und Hameroff ein noch grundsätzlicheres Problem. Es liegt in Penroses ursprünglicher Behauptung, das Gehirn sei ein Quantencomputer. Wie erwähnt wurde, begründet er dies mit seiner Behauptung, Menschen könnten Gödels Aussagen beweisen, während Computer dazu nicht in der Lage seien. Daraus kann man aber nur dann auf Quantenberechnungen im Gehirn schließen, wenn Quantencomputer die Gödel’schen Behauptungen besser beweisen können als klassische Rechner; für diese Behauptung gibt es nicht nur absolut keinen Beleg, sondern die meisten Wissenschaftler sind sogar vom Gegenteil überzeugt.[12]

Weiterhin ist auch überhaupt nicht geklärt, ob ein menschliches Gehirn tatsächlich beim Beweis Gödel’scher Behauptungen bessere Leistungen erbringt als ein klassischer Computer. Menschen sind zwar vielleicht in der Lage, die Wahrheit einer vom Computer erzeugten, unbeweisbaren Gödel’schen Behauptung zu beweisen, aber ebenso ist es möglich, dass Computer die Wahrheit einer von einem menschlichen Geist erzeugten Gödel’schen Aussage beweisen können. Der Gödel’sche Unvollständigkeitssatz beschränkt nur die Fähigkeit eines logischen Systems, seine eigenen Aussagen zu beweisen; der Fähigkeit eines logischen Systems, Gödel’sche Aussagen, die von einem anderen System erzeugt wurden, zu beweisen, erlegt er keine Beschränkungen auf.

Aber heißt das, dass die Quantenmechanik im Gehirn keine Rolle spielt? An anderen Stellen in unserem Organismus laufen so viele quantenmechanische Vorgänge ab, ist es da wahrscheinlich, dass unsere Gedanken ausschließlich von den Dampfmaschinenprozessen der klassischen Welt angetrieben werden? Vielleicht nicht. Derzeit legen Forschungsergebnisse die Vermutung nahe, dass die Quantenmechanik tatsächlich einen entscheidenden Beitrag zur Funktionsweise unseres Geistes leisten könnte.

Quanten-Ionenkanäle?

Ein möglicher Schauplatz quantenmechanischer Phänomene im Gehirn liegt in den Ionenkanälen der Zellmembranen von Neuronen. Wie bereits beschrieben wurde, sind diese Kanäle dafür zuständig, die Aktionspotentiale – das heißt die Nervensignale – bereitzustellen, die im Gehirn die Information übertragen; damit spielen sie für die neuronale Informationsverarbeitung eine zentrale Rolle. Die Kanäle sind ungefähr ein Milliardstelmeter (1,2 Nanometer) lang und weniger als einen halben Nanometer breit; die Ionen müssen sie also eines nach dem anderen passieren. Das allerdings tun sie mit der außergewöhnlich hohen Geschwindigkeit von etwa 100 Millionen Ionen pro Sekunde. Außerdem sind die Kanäle sehr wählerisch. So lässt beispielsweise der Kanal, durch den Kaliumionen in die Zelle einströmen, auf jeweils 10.000 Kaliumionen nur ein Natriumion durch, und das, obwohl das Natriumion ein wenig kleiner ist als das Kalium – naiverweise könnte man also annehmen, dass es durch eine Öffnung, durch die ein Kaliumion passt, leicht hindurchschlüpfen kann.

Diese sehr hohe Transportgeschwindigkeit bildet in Verbindung mit der außerordentlich hohen Selektivität die Grundlage für die Geschwindigkeit der Aktionspotentiale und damit für ihre Fähigkeit, unsere Gedanken durch unser gesamtes Gehirn zu tragen. Aber wie Ionen so schnell und selektiv transportiert werden können, ist bis heute ein gewisses Rätsel. Könnte die Quantenmechanik bei seiner Lösung helfen? In Kapitel 4 haben wir bereits erfahren, dass die Quantenmechanik den Energietransport bei der Photosynthese verstärken kann. Verstärkt sie auch den Ionentransport im Gehirn? Im Jahr 2012 vollzog der Neurowissenschaftler Gustav Bernroider zusammen mit Johann Summhammer vom Atominstitut der Technischen Universität Wien in einer quantenmechanischen Simulation nach, wie ein Ion einen spannungsgesteuerten Ionenkanal passiert. Wie sich dabei herausstellte, ist das Ion auf seinem Weg durch den Kanal delokalisiert (ausgebreitet) und demnach eher eine kohärente Welle als ein Teilchen. Außerdem schwingt diese Ionenwelle mit sehr hoher Frequenz, und dabei überträgt sie Energie durch eine Art Resonanzprozess auf das umgebende Protein. Der Kanal wirkt also letztlich wie eine Ionen-Tiefkühltruhe, die die kinetische Energie des Ions ungefähr auf die Hälfte reduziert. Diese wirksame Abkühlung des Ions trägt dazu bei, dass es seinen delokalisierten Quantenzustand beibehalten kann: Die Dekohärenz wird in Schach gehalten, und das begünstigt den schnellen Quantentransport durch den Kanal. Außerdem trägt es zur Selektivität bei, denn wenn Natrium an die Stelle des Kaliums tritt, hat die Abkühlung ein ganz anderes Ausmaß: Konstruktive Interferenz kann dabei den Transport von Kaliumionen begünstigen, während der Transport von Natriumionen durch destruktive Interferenz gehemmt wird. Die Arbeitsgruppe gelangte zu dem Schluss, dass Quantenkohärenz für den Durchgang von Ionen durch die Ionenkanäle der Nervenzellen eine »unverzichtbare« Rolle spielt und damit ein unentbehrlicher Bestandteil unserer Denkprozesse ist.[13]

Eines sollte man dabei betonen: Diese Wissenschaftler haben nicht die Vermutung geäußert, quantenkohärente Ionen könnten in irgendeiner Form als neuronale Qubits wirken, und ebenso vermuten sie nicht, dass solche Ionen am Bewusstsein mitwirken könnten; auf den ersten Blick ist schwer zu erkennen, wie sie überhaupt zur Lösung der Fragen im Umfeld des Bewusstseins (wie beispielsweise das Bindungsproblem) beitragen könnten. Aber immerhin spielen die Ionenkanäle im Gegensatz zu den Mikrotubuli der Penrose-Hamerhoff-Hypothese eindeutig eine Rolle für neuronale Rechenvorgänge, denn sie bilden die Grundlage der Aktionspotentiale; deshalb spiegelt sich in ihrem Zustand der Zustand der Nervenzelle wider: Wenn der Nerv einen Impuls abgibt, strömen Ionen (und zwar, wie gesagt, als Quantenwellen) sehr schnell durch die Kanäle; ruht die Nervenzelle dagegen, bleiben auch die Ionen in den Kanälen an ihrem Platz. Und da unsere Gedanken in irgendeiner Form in der Gesamtsumme der aktiven und inaktiven Neuronen in unserem Gehirn codiert sein müssen, spiegeln sich diese Gedanken auch in der Summe aller Quantenströme von Ionen in die Nervenzellen hinein und aus ihnen heraus wider – sie sind dort codiert.

Aber wie könnten die einzelnen Denkprozesse so kombiniert werden, dass sich bewusste, zusammenhängende Gedanken ergeben? Ein kohärenter Ionenkanal – ob quantenmechanisch oder klassisch – kann wahrscheinlich nicht alle in die Gedankenprozesse eingebundenen Informationen codieren, die letztlich für die visuelle Darstellung eines komplexen Objekts (etwa eines Bisons) sorgen. Damit die Ionenkanäle für das Bewusstsein eine Rolle spielen können, müssen sie in irgendeiner Form gekoppelt sein. Kann hier die Quantenmechanik helfen? Ist es beispielsweise möglich, dass die Ionen in einem Kanal nicht nur auf dessen Länge kohärent sind, sondern auch kohärent oder sogar verschränkt mit Ionen in Nachbarkanälen oder nahe gelegenen Nervenzellen? Mit ziemlicher Sicherheit ist das nicht möglich. Ionenkanäle und die Ionen in ihnen würden dann unter dem gleichen Problem leiden wie die Mikrotubuli in der Hypothese von Penrose und Hameroff. Dass ein einzelner Ionenkanal innerhalb derselben Nervenzelle mit einem benachbarten Kanal verschränkt ist, kann man sich gerade noch vorstellen, aber eine Verschränkung zwischen Ionenkanälen in verschiedenen Nervenzellen, wie sie zur Lösung des Bindungsproblems notwendig wäre, ist in der warmen, feuchten, höchst dynamischen, Dekohärenz verursachenden Umwelt eines lebenden Gehirns nicht praktikabel.

Die Verschränkung kann also nicht auf der Quantenebene für die Bindung der Information in den Ionenkanälen sorgen; könnte irgendetwas anderes diese Aufgabe übernehmen? Vielleicht. Spannungsgesteuerte Ionenkanäle sprechen natürlich auf Spannung an: Sie sorgt dafür, dass sie sich öffnen und schließen. Spannung ist nichts anderes als ein Maß für den Gradienten in einem elektrischen Feld. Das gesamte Volumen des Gehirns ist aber mit einem eigenen elektromagnetischen Feld (EM-Feld) angefüllt, das durch die elektrische Aktivität aller seiner Nervenzellen entsteht. Dieses Feld wird regelmäßig mit Gehirnuntersuchungsverfahren wie der Elektroenzephalographie (EEG) oder der Magnetoenzephalographie (MEG) aufgezeichnet, und schon ein flüchtiger Blick auf solche Messungen verrät, dass wir es hier mit einem außerordentlich komplexen Feld und einer großen Informationsfülle zu tun haben. Neurowissenschaftler haben die potentielle Bedeutung des EM-Feldes für die Rechentätigkeit des Gehirns meist außer Acht gelassen, weil sie davon ausgingen, dass es der Dampfpfeife einer Lokomotive ähnelt: Es ist ein Produkt der Gehirnaktivität, hat aber auf diese Aktivität keine Auswirkungen. In jüngster Zeit haben sich jedoch mehrere Wissenschaftler, unter ihnen auch Johnjoe McFadden, mit der Idee beschäftigt, dass eine Verlagerung des Bewusstseins weg von den einzelnen Materieteilchen im Gehirn und hin zu dem gemeinschaftlichen EM-Feld möglicherweise das Bindungsproblem lösen und etwas über den Sitz des Bewusstseins aussagen könnte.[14]

Um zu verstehen, wie das funktionieren könnte, müssen wir vermutlich ein wenig genauer sagen, was wir mit einem Feld meinen. Der Begriff leitet sich vom umgangssprachlichen Gebrauch des Wortes ab: Er bezeichnet etwas, was sich durch den Raum erstreckt wie ein Getreide- oder ein Fußballfeld. In der Physik hat »Feld« im Wesentlichen die gleiche Bedeutung, meist sind aber Energiefelder gemeint, die Objekte bewegen können. Gravitationsfelder bewegen alles, was eine Masse hat, und elektrische oder magnetische Felder bewegen elektrisch geladene oder magnetische Teilchen wie beispielsweise die Ionen in den Ionenkanälen der Nerven. Wie James Clerk Maxwell im 19. Jahrhundert entdeckte, sind Elektrizität und Magnetismus zwei Aspekte des gleichen Phänomens, nämlich des Elektromagnetismus; deshalb bezeichnen wir beide als EM-Felder. Mit seiner berühmten Gleichung E = mc^2, bei der die Energie auf der einen und die Masse auf der anderen Seite steht, wies Einstein nach, dass Energie und Materie austauschbar sind. Das EM-Energiefeld des Gehirns – die linke Seite von Einsteins Gleichung – ist also ebenso real wie die Materie, aus der die Neuronen bestehen; und da es durch die Impulse der Neuronen erzeugt wird, codiert es genau die gleiche Information wie das Impulsmuster der Gehirnneuronen. Während aber die Nerveninformation in den aufblitzenden Neuronen gefangen bleibt, führt die elektrische Aktivität, die durch die Gesamtheit der Impulse erzeugt wird, alle Informationen im EM-Feld des Gehirns zusammen. Das könnte eine Lösung für das Bindungsproblem sein.[15] Und über das Öffnen und Schließen der spannungsgesteuerten Ionenkanäle verbindet sich das EM-Feld mit den quantenkohärenten Ionen, die durch die Kanäle wandern.

Als Anfang unseres Jahrhunderts erstmals Theorien über EM-Felder und das Bewusstsein formuliert wurden, gab es keine direkten Indizien dafür, dass das EM-Feld des Gehirns die Impulsmuster unserer Nervenzellen beeinflussen und damit unsere Gedanken und Handlungen antreiben kann. In jüngster Zeit konnte man jedoch in mehreren Instituten mit Experimenten nachweisen, dass äußere EM-Felder, die in Stärke und Struktur den vom Gehirn selbst erzeugten Feldern ähneln, tatsächlich Einfluss auf die Impulstätigkeit von Nerven haben.[16] Anscheinend koordiniert das Feld sogar die Impulse der Nervenzellen, das heißt, es synchronisiert zahlreiche Neuronen, so dass alle gleichzeitig ihre Impulse abgeben. Die Befunde legen den Verdacht nahe, dass auch das eigene EM-Feld des Gehirns, das von den Nervenimpulsen erzeugt wird, sich auf diese auswirkt; damit entsteht eine Art in sich selbst geschlossene (selbstreferentielle) Schleife, die nach Ansicht vieler Theoretiker eine wesentliche Voraussetzung für das Bewusstsein darstellt.[17]

Die Synchronisation der Nervenzellimpulse durch das EM-Feld des Gehirns ist im Zusammenhang mit dem Rätsel des Bewusstseins auch deshalb von großer Bedeutung, weil es sich dabei um einen der wenigen Aspekte der Nervenaktivität handelt, der bekanntermaßen mit dem Bewusstsein korreliert. So hat beispielsweise jeder schon einmal das Phänomen erlebt, dass wir nach einem Gegenstand suchen, der sichtbar vor uns liegt – beispielsweise nach unserer Brille –, und ihn dann unter einer Vielzahl anderer Objekte entdecken. Während wir auf das Durcheinander blicken, sind die visuellen Informationen, die den Gegenstand codieren, über unsere Augen ins Gehirn gewandert, aber irgendwie haben wir das Gesuchte dennoch nicht gesehen: Wir waren uns seiner nicht bewusst. Dann erkennen wir es plötzlich. Was verändert sich im Gehirn zwischen den Zeitpunkten, zu denen wir ein Objekt innerhalb desselben Gesichtsfeldes zunächst unbewusst und dann bewusst wahrnehmen? Interessanterweise scheinen sich die Nervenimpulse selbst nicht zu verändern: Die gleichen Neuronen feuern, ganz gleich, ob wir die Brille sehen oder nicht. Solange wir die Brille aber nicht entdeckt haben, feuern die Neuronen asynchron, danach hingegen synchron.[18] An einem solchen Übergang zwischen unbewussten und bewussten Gedanken könnte das EM-Feld mitwirken, das kohärente Ionenkanäle in ganz verschiedenen Teilen des Gehirns zusammenführt und für die synchronen Impulse sorgt.

Eines sollten wir betonen: Überlegungen, wonach EM-Felder des Gehirns oder auch quantenkohärente Ionenkanäle dazu dienen können, das Bewusstsein zu erklären, liefern keinerlei Unterstützung für sogenannte »paranormale Phänomene« wie die Telepathie, denn beide Konzepte beziehen sich ausschließlich auf neuronale Prozesse, die sich innerhalb eines einzigen Gehirns abspielen – die Kommunikation zwischen verschiedenen Gehirnen ermöglichen sie nicht! Und wie wir schon im Zusammenhang mit dem Gödel-Argument von Penrose deutlich gemacht haben, spricht tatsächlich nichts dafür, dass die Quantenmechanik überhaupt notwendig ist, um das Bewusstsein zu erklären – im Gegensatz zu anderen biologischen Phänomenen wie Enzymwirkung oder Photosynthese, die wir in diesem Buch betrachtet haben. Aber ist es wahrscheinlich, dass die seltsamen Eigenschaften der Quantenmechanik, die nach heutiger Kenntnis an so vielen entscheidenden Lebensphänomenen mitwirken, ausgerechnet vom rätselhaftesten Produkt des Lebendigen, dem Bewusstsein, ausgeschlossen bleiben? Das zu entscheiden, überlassen wir dem Leser. Die zuvor skizzierten Überlegungen über quantenkohärente Ionenkanäle und EM-Felder sind sicher spekulativ, aber sie stellen zumindest eine plausible Verbindung zwischen den quantenmechanischen und den klassischen Aspekten des Gehirns her.

Mit solchen Gedanken im Kopf kehren wir noch einmal in die dunkle Höhle in Südfrankreich zurück und schließen die Kette der Ereignisse ab, die vom Gehirn zur Hand führt: Unsere Künstlerin steht unschlüssig vor der Wand und sieht zu, wie das Licht der Fackel über die grauen Konturen der Felsen flackert. Irgendein Spiel von Licht und Gestein lässt in ihrem bewussten Geist das Bild eines Bisons auftauchen. Das reicht aus, damit in ihrem Kopf eine Idee entsteht, die ihren Ausdruck vielleicht in einer Schwankung ihres Gehirn-EM-Feldes findet: Dieses lässt in zahlreichen Neuronen ganze Gruppen kohärenter Ionenkanäle aufgehen und sorgt dafür, dass sie synchron ihre Impulse abgeben. Die synchronen Nervensignale erzeugen Aktionspotentiale im gesamten Gehirn und setzen über die Synapsenverbindungen eine Abfolge von Signalen in Gang; sie laufen durch das Rückenmark und über Nerv-Nerv-Verbindungen bis zu den motorischen Nerven, die ihre Neurotransmitterpakete in die Nerv-Muskel-Endplatten an den Armmuskeln ausschütten. Die Muskeln ziehen sich zusammen und erzeugen die koordinierte Bewegung, mit der die Hand über die Höhlenwand fährt und eine Linie aus Holzkohle in Gestalt eines Bisons auf das Gestein zeichnet. Und was vielleicht noch wichtiger ist: Unsere Künstlerin nimmt wahr, dass sie die Tätigkeit wegen einer Idee in ihrem bewussten Geist vollzogen hat. Sie ist kein Zombie.

30.000 Jahre später lässt Jean-Marie Chauvet das Licht seiner Taschenlampe auf dieselbe Höhlenwand fallen, und die Idee, die im Gehirn jener längst verstorbenen Künstlerin lebendig geworden ist, flackert erneut durch die Neuronen eines bewussten menschlichen Geistes.

9. Wie das Leben begann

… wenn (und o! was für ein großes Wenn!) wir in irgendeinem kleinen warmen Tümpel, mit allen Arten von Ammoniak und phosphorsauren Salzen, Licht, Wärme, Elektrizität u. s. w. wahrnehmen könnten, dass eine Proteinverbindung gebildet wurde, bereit, noch kompliziertere Veränderungen einzugehen …

Charles Darwin, Brief an Joseph Hooker, 1871

Grönland, das »grüne Land«, ist nicht besonders grün. Irgendwann um das Jahr 982 flüchtete ein dänischer Wikinger, der unter dem Namen Erik der Rote bekannt war, vor einer Mordanklage und segelte von Island nach Westen. Dabei entdeckte er die Insel. Der Erste war er nicht: Grönland war zuvor schon mehrere Male von Steinzeitmenschen entdeckt worden, die bereits um 2500 vor unserer Zeit dort landeten. Aber die Insel hat eine unwirtliche, erbarmungslose Umwelt; jene früheren Kulturen verschwanden und hinterließen nur spärliche Spuren. Erik wollte es besser machen: Er kam während der sogenannten mittelalterlichen Wärmeperiode, als die Lebensbedingungen angenehmer waren; deshalb gab er der Insel den Namen, den sie bis heute behalten hat – er vertraute darauf, dass ihre vielversprechenden, üppigen Weidegründe auch seine Landsleute nach Westen locken würden. Offensichtlich funktionierte die List: Wenig später war eine Kolonie mit mehreren Tausend Menschen entstanden, die – zumindest zu Anfang – offensichtlich gut gedieh. Aber als die Wärmeperiode zu Ende ging, stellten sich in Grönland wieder die typischen Klimabedingungen des Nordatlantiks ein, und die zentrale Eiskappe bedeckte irgendwann 80 Prozent der Insel. Als das Wetter immer rauer wurde, bemühten sich die Inselbewohner darum, ihre skandinavisch geprägte Landwirtschaft auf dem flachen Boden eines schmalen Küstenstreifens weiterzuführen, aber sowohl die Getreideerträge als auch die Viehbestände schwanden dahin.

Ironie des Schicksals: Ungefähr zur gleichen Zeit, als die Wikingerkolonie scheiterte, bestritt eine andere Gruppe von Einwanderern, Inuit, im Norden der Insel ihren Lebensunterhalt mit hochentwickelten Fischerei- und Jagdtechniken, mit denen sie sich gut an die lokalen Bedingungen angepasst hatten. Die Wikinger hätten sich retten können, wenn sie Überlebensstrategien der Inuit übernommen hätten, aber den einzigen Beleg dafür, dass es überhaupt Kontakte zwischen den beiden Bevölkerungsgruppen gab, ist die Bemerkung eines Wikingersiedlers, wonach die Inuit stark bluten, wenn man sie ersticht – eine Beobachtung, die kaum auf die Bereitschaft schließen lässt, von den nördlichen Nachbarn zu lernen. Das alles hatte zur Folge, dass die Wikingerkolonie irgendwann gegen Ende des 15. Jahrhunderts zusammenbrach, nachdem die letzten Bewohner sich offensichtlich nur noch mit Kannibalismus zu helfen wussten.

In Dänemark vergaß man den westlichen Vorposten aber nie, und Anfang des 18. Jahrhunderts wurde eine Expedition entsandt, die an die Siedlertradition anknüpfen sollte. Die Teilnehmer fanden nur aufgegebene Gehöfte und Friedhöfe, aber der Besuch führte zur Einrichtung einer erfolgreicheren Kolonie, die zusammen mit den einheimischen Inuit schließlich zu dem modernen Staat Grönland wurde. Heute ist die Wirtschaft der Insel ihren Wurzeln bei den Inuit entwachsen; ihre wichtigste Stütze ist der Fischfang, aber der potentielle Reichtum der Insel an Bodenschätzen findet zunehmend Beachtung. In den 1960er Jahren stellte der Dänische Geologische Dienst für Grönland einen jungen, in Neuseeland geborenen Geologen ein: Vic McGregor sollte an der Südwestecke der Insel, in der Nähe der Hauptstadt Godthaab (die heute Nuuk heißt), geologische Untersuchungen vornehmen.

McGregor reiste mehrere Jahre durch die von Fjorden zerschnittene Landschaft. Sein winziges, teilweise offenes Boot reichte gerade für ihn selbst, zwei einheimische Seeleute und gelegentlich einen Gast. Sie alle zwängten sich zwischen Gerätschaften zum Zelten, Jagen und Fischen, die den Ausrüstungsgegenständen der ersten Inuit-Siedler nicht unähnlich waren, und geologischen Hilfsmitteln. Mit den üblichen Verfahren der Stratigraphie gelangte er zu dem Schluss, dass das Gestein in der Region schichtweise abgelagert worden war, wobei die ältesten, tiefsten Schichten wahrscheinlich »wirklich sehr alt« waren – vielleicht sogar mehr als drei Milliarden Jahre.

Anfang der 1970er Jahre schickte McGregor eine Probe seines alten Gesteins nach Oxford in das Labor des Wissenschaftlers Stephen Moorbath, der sich mit der radiometrischen Datierung von Gestein einen guten Ruf erworben hatte. Die Methode beruht darauf, dass man die Mengenverhältnisse radioaktiver Isotope und ihrer Zerfallsprodukte misst. Uran-238 zerfällt beispielsweise mit einer Halbwertszeit von 4,5 Milliarden Jahren und wird über eine Kette von Nucliden schließlich zu einem stabilen Bleiisotop. Da die Erde ungefähr vier Milliarden Jahre alt ist, ist die Konzentration des natürlichen Urans in einem Gestein während der gesamten Lebensdauer der Erde erst ungefähr auf die Hälfte gesunken. Wenn man das Verhältnis dieser Isotope in einer beliebigen Gesteinsprobe misst, kann man also berechnen, wie viel Zeit seit der Ablagerung des Gesteins vergangen ist. Mit solchen Verfahren analysierte Stephen Moorbath 1970 eine Gesteinsprobe (einen Gneis, um genau zu sein), die McGregor in der Küstenregion Amîtsoq im Südwesten Grönlands abgeklopft hatte. Erstaunlicherweise entdeckte er, dass der Gneis proportional mehr Blei enthielt als jedes andere bekannte, von der Erde stammende Erz oder Gestein. Der Nachweis einer derart großen Bleimenge bedeutete, dass der Gneis von Amîtsoq tatsächlich »sehr alt« war, wie McGregor es vermutet hatte, tatsächlich lag das Alter bei mindestens 3,7 Milliarden Jahren und damit höher als bei jedem anderen Gestein, das man bis dahin auf der Erde gefunden hatte.

Abb. 9.1: Die Lage von Isua auf der Landkarte Grönlands.

Moorbath war über seine Entdeckung so verblüfft, dass er McGregor auf mehreren Expeditionen nach Grönland begleitete. Im Jahr 1971 entschlossen sich die beiden, die abgelegene, praktisch nicht erkundete Region Isua am Rand der Inlandseiskappe zu besuchen (Abbildung 9.1). Dazu mussten sie zunächst in McGregors winzigem Boot bis zum oberen Ende des von Eisbergen verstopften Godthaab Fjord fahren, wo die Wikingersiedler im Mittelalter mit Mühe ihr Leben gefristet hatten. Dort wurden sie vom Hubschrauber eines lokalen Bergbauunternehmens abgeholt, das sich ebenfalls für die Region interessierte, nachdem magnetische Vermessungen aus der Luft die Vermutung nahegelegt hatten, dass es dort viel Eisenerz gab. In dem Grünschiefer von Isua entdeckten die Wissenschaftler viele kissenförmige Gesteinsmassen, die sogenannte Basaltkissenlava, die durch den unmittelbaren Kontakt austretender vulkanischer Lava mit Meerwasser entstanden war. Sie stammte aus sogenannten Schlammvulkanen. Auch dieses Gestein wurde auf ein Alter von mindestens 3,7 Milliarden Jahren datiert. Der Befund zeigte eindeutig, dass es auf der Erde schon kurz nach ihrer Entstehung[1] warme, flüssige Ozeane gegeben hatte, und dass Schlammvulkane (Abbildung 9.2) am Boden eines flachen Meeres aus hydrothermalen Schloten gedrungen waren.

Abb. 9.2: Ein Schlammvulkan auf Trinidad. Könnten die ersten Lebensformen aus einem ähnlichen Schlammvulkan geblubbert sein und ihre Spuren im Grünschiefer von Isua hinterlassen haben? Photo: Michael C. Rygel via Wikimedia Commons.

Die eigentliche Überraschung folgte aber erst, als Minik Rosing, ein Wissenschaftler des Geologischen Museums in Kopenhagen, in dem Grünschiefer von Isua die Mengenverhältnisse der Kohlenstoffisotope maß. Das Gestein enthält ungefähr 0,4 Prozent Kohlenstoff, und als man die Mengen der beiden Isotope 13C und 12C ermittelte, stellte sich heraus, dass das schwerere, seltene 13C in dem Gestein in viel geringerer Menge enthalten war, als man erwartet hatte. Anorganische Kohlenstoffquellen wie das Kohlendioxid in der Luft enthalten ungefähr ein Prozent 13C, bei der Photosynthese wird aber bevorzugt das leichtere Isotop 12C in die Biomasse von Pflanzen und Mikroorganismen eingebaut; entsprechend deutet eine geringe 13C-Menge allgemein darauf hin, dass organisches Material vorhanden ist. Die Ergebnisse legten die Vermutung nahe, dass in dem warmen Wasser der Schlammvulkane von Isua vor 3,7 Milliarden Jahren bereits Organismen lebten, die wie die heutigen Pflanzen Kohlenstoff aus Kohlendioxid einfingen. Das Kohlendioxid stammte dabei entweder aus der Atmosphäre, oder es war in Wasser gelöst und diente zum Aufbau der vielen Kohlenstoffverbindungen, aus denen Zellen bestehen.

Die Theorie über das Gestein von Isua ist bis heute umstritten; viele Wissenschaftler sind nicht überzeugt, dass der niedrige dort gefundene 13C-Gehalt zwangsläufig auf Lebewesen in so früher Zeit hindeutet. Die Skepsis erwächst vor allem aus der Tatsache, dass die Erde vor 3,8 Milliarden Jahren einem »Großen Bombardement« ausgesetzt war: Sie erlitt regelmäßig Einschläge von Asteroiden und Kometen, deren Energie ausreichte, um sämtliches Wasser an der Oberfläche verdampfen zu lassen, wobei die Ozeane vermutlich auch keimfrei gemacht wurden. Geklärt würde die Sache natürlich durch die Entdeckung von Fossilien solcher uralter Photosyntheseorganismen, aber das Gestein von Isua hat sich im Laufe der Jahrtausende stark verformt, so dass solche Fossilien heute nicht mehr zu erkennen wären. Wir müssen mindestens einige Hundert Millionen Jahre vergehen lassen, bevor wir eindeutige Belege für die Existenz von Leben in Form erkennbarer Fossilien vorzeitlicher Mikroorganismen finden.

Aber obwohl schlüssige Belege fehlen, sind viele Fachleute überzeugt, dass die Isotopenmessungen am Gestein von Isua die ersten Anhaltspunkte für Leben auf der Erde geben. Die Schlammvulkane von Isua wären sicher mit ihrem warmen, alkalischen Wasser, das aus Thermalschloten strömte, ein ideales Umfeld für die Entstehung von Leben gewesen. Sie waren reich an gelösten anorganischen Carbonaten, und das aus ihnen austretende, sehr poröse Serpentingestein enthielt Milliarden winzige Hohlräume; jeder davon stellte eine Mikroumwelt dar, in der sich winzige Mengen organischer Verbindungen anreichern und stabilisieren konnten. Vielleicht wurde das Leben tatsächlich zum ersten Mal im Schlamm Grönlands grün. Die Frage ist nur: wie?

Das Problem mit der Schmiere

Als die drei größten Rätsel der Wissenschaft gelten allgemein die Entstehung des Universums, die Entstehung des Lebens und die Entstehung des Bewusstseins. Mit dem ersten Thema ist die Quantenmechanik eng verwoben, und eine mögliche Verbindung mit dem dritten haben wir bereits erörtert. Wie wir in Kürze sehen werden, kann sie auch dazu beitragen, das zweite Rätsel zu lösen. Zuerst müssen wir uns aber mit der Frage beschäftigen, ob Beschreibungen, die nichts mit Quanten zu tun haben, eine vollständige Erklärung für die Entstehung des Lebens liefern können.

Die Wissenschaftler, Philosophen und Theologen, die seit Jahrhunderten über den Ursprung des Lebendigen nachgrübeln, haben zu seiner Erklärung die unterschiedlichsten Theorien formuliert, von der göttlichen Schöpfung bis zu Samen, die nach der Theorie der Panspermie aus dem Weltraum auf unsere Erde gelangt sind. Einen streng wissenschaftlichen Ansatz verfolgten Wissenschaftler wie Charles Darwin erstmals im 19. Jahrhundert: Sie äußerten die Vermutung, chemische Prozesse in einem »warmen kleinen Tümpel« könnten zur Entstehung lebender Materie geführt haben. Die formelle wissenschaftliche Theorie, die auf Darwins Spekulationen aufbaute, wurde zu Beginn des 20. Jahrhunderts getrennt und unabhängig von dem Russen Alexander Oparin und dem Engländer J. B. S. Haldane vertreten, weshalb man sie heute auch als Oparin-Haldane-Hypothese bezeichnet. Beide gingen davon aus, dass die Atmosphäre in der Frühzeit der Erde viel Wasserstoff, Methan und Wasserdampf enthielt, Substanzen, die sich unter dem Einfluss von Blitzen, Sonneneinstrahlung oder vulkanischer Hitze zu einem Gemisch einfacher organischer Verbindungen zusammenlagerten. Diese Verbindungen, so ihre Vermutung, reicherten sich dann im Urozean zu einer warmen, verdünnten organischen Suppe an, die über Jahrmillionen im Wasser trieb und vielleicht auch die Schlammvulkane von Isua überflutete, bis schließlich durch die zufällige Verbindung einiger Bestandteile ein neues Molekül mit einer außergewöhnlichen Eigenschaft entstand: mit der Fähigkeit, sich selbst zu verdoppeln.

Diese Entstehung des ersten Replikators war nach Ansicht von Haldane und Oparin das Schlüsselereignis, das zur Entstehung des Lebens in seiner heutigen Form führte. Dass er später so erfolgreich wurde, lag an der darwinistischen natürlichen Selektion. Der Urreplikator war zunächst ein sehr einfaches Gebilde, bei dessen Verdoppelung sich zahlreiche Fehler oder Mutationen ereigneten. Die mutierten Replikatoren traten dann mit den nichtmutierten Formen in Konkurrenz um die chemischen Rohstoffe, aus denen weitere Replikatoren aufgebaut werden konnten. Die erfolgreichsten Replikatoren hinterließen die größte Zahl von Nachkommen, und der molekulare Prozess der darwinistischen natürlichen Selektion, der nun einsetzte, trieb den Schwarm der Replikatoren in Richtung immer größerer Effizienz und Komplexität. Einen Vorteil besaßen dabei Replikatoren, die Peptide und andere Hilfsmoleküle einfangen konnten, damit diese ihre Replikation katalysierten; einige von ihnen schlossen sich irgendwann sogar in Vesikeln (winzigen, flüssigkeits- oder luftgefüllten Bläschen) ein, die wie die lebenden Zellen unserer Zeit von fetthaltigen Membranen umhüllt und damit vor den Unwägbarkeiten ihrer Umgebung geschützt waren. In dem derart abgegrenzten Inneren der Zelle konnten dann biochemische Umwandlungen – ein Stoffwechsel – ablaufen, so dass eigene Biomoleküle entstanden, die nun nicht mehr austreten konnten. Mit der Fähigkeit, ihren inneren Zustand aufrechtzuerhalten und das Innere von der Umgebung abzuschotten, war die erste lebende Zelle geboren.

Die Oparin-Haldane-Hypothese lieferte einen wissenschaftlichen Rahmen, in dem man verstehen konnte, wie das Leben auf der Erde entstanden sein könnte. Ihre Theorie blieb jedoch mehrere Jahrzehnte lang ungeprüft – bis sich schließlich zwei amerikanische Chemiker dafür interessierten.

Harold Urey war in den 1950er Jahren ein angesehener, aber auch umstrittener Wissenschaftler. Er hatte 1934 den Chemie-Nobelpreis für die Entdeckung des Deuteriums erhalten, jenes Wasserstoffisotops, das später – erinnern wir uns an Kapitel 3 – dazu diente, den kinetischen Isotopeneffekt in Enzymen zu erforschen und nachzuweisen, dass Quanten-Tunneleffekte an deren Aktivität beteiligt sind. Wegen seiner Erfahrung mit der Reinigung von Isotopen wurde Urey 1941 zum Leiter der Urananreicherung im Manhattan-Projekt ernannt, das dazu dienen sollte, eine Atombombe zu entwickeln. Die Ziele des Projekts und die Geheimhaltung, in der es ablief, desillusionierten Urey; später versuchte er, den US-Präsidenten Harry Truman davon abzuhalten, die Bombe auf Japan abzuwerfen. Nach Hiroshima und Nagasaki schrieb Urey für die beliebte Zeitschrift Collier’s einen Artikel mit der Überschrift »I’m a frightened man« (frei übersetzt: »Ich habe Angst«), in dem er vor den Gefahren der Atomwaffen warnte. Mit seiner Stellung an der Universität Chicago sprach er sich in den 1950er Jahren auch aktiv gegen McCarthys kommunistenfeindliche Hexenjagd aus: In Briefen an den Präsidenten Truman unterstützte er Julius und Ethel Rosenberg, die wegen Spionage angeklagt waren und schließlich hingerichtet wurden, weil sie atomare Geheimnisse an die Sowjets verraten hatten.

Der zweite amerikanische Chemiker, der an der Überprüfung der Oparin-Haldane-Hypothese mitarbeitete, war Stanley Miller. Er kam 1951 als Doktorand an die Universität Chicago und beschäftigte sich anfangs unter Anleitung des Wissenschaftlers Edward Teller, der als »Vater der Wasserstoffbombe« bekannt wurde, mit der Frage der Neuentstehung von Elementen in Sternen durch Kernverschmelzung. Ein Wendepunkt in Millers Leben trat im Oktober 1951 ein, als er eine Vorlesung von Harold Urey über den Ursprung des Lebens hörte. Darin erörterte Urey die Plausibilität des Oparin-Haldane-Szenarios und schlug vor, jemand solle die Experimente machen. Der faszinierte Miller wechselte von Tellers in Ureys Labor und versuchte Urey zu überreden, sein Doktorvater zu werden und ihm die Durchführung der Experimente zu gestatten. Anfangs stand Urey den Plänen seines begeisterten Studenten, die Oparin-Haldane-Theorie zu überprüfen, skeptisch gegenüber: Er vermutete, es könne Jahrmillionen dauern, bis durch anorganische chemische Reaktionen eine so große Zahl organischer Moleküle entstanden war, dass man sie nachweisen konnte, und Miller hatte für seine Doktorarbeit nur drei Jahre Zeit! Dennoch erklärte sich Urey bereit, ihm für ein halbes bis ein Jahr den notwendigen Platz und die Mittel zur Verfügung zu stellen. Wenn die Experimente nirgendwohin führten, hätte Miller dann immer noch Zeit gehabt, auf ein erfolgversprechenderes Forschungsprojekt umzuschwenken.

Miller wollte die Bedingungen nachstellen, unter denen das Leben in der Frühzeit der Erde entstanden war. Um die Uratmosphäre zu simulieren, füllte er einfach Wasser in eine Flasche – das war der nachgebildete Ozean – und leitete außerdem die Gase hinein, die nach seiner Ansicht damals in der Atmosphäre enthalten waren: Methan, Wasserstoff, Ammoniak und Wasserdampf. Blitze ahmte er nach, indem er in der Mischung elektrische Funken überspringen ließ. Was er entdeckte, war für Miller eine Überraschung und versetzte die wissenschaftliche Welt in Staunen: Schon nachdem er seine Uratmosphäre wenige Wochen lang den elektrischen Funken ausgesetzt hatte, enthielt die Flasche beträchtliche Mengen Aminosäuren, die Bausteine der Proteine. Der Artikel, in dem er sein Experiment beschrieb, erschien 1953 in dem Fachblatt Science[1]; Miller war darauf als einziger Autor verzeichnet, weil Harold Urey sich auf den höchst ungewöhnlichen Standpunkt gestellt hatte, dass sein Doktorand das alleinige Verdienst für die Entdeckung einheimsen sollte.

Das Miller-Urey-Experiment, wie es trotz Ureys selbstloser Geste genannt wird, wurde als erster Schritt zur Schaffung von Leben im Labor gepriesen und ist bis heute ein Meilenstein der Biologie. Obwohl keine Moleküle entstanden, die sich selbst verdoppeln konnten, nahm man allgemein an, dass die Aminosäuren in Millers »Ursuppe« später zu Peptiden und komplexen Proteinen polymerisiert wären und dass daraus – wenn genügend Zeit und ein ausreichend großer Ozean zur Verfügung gestanden hätten – am Ende die Replikatoren aus der Theorie von Oparin und Haldane geworden wären.

Seit den 1950er Jahren wurde das Miller-Urey-Experiment in vielen Abwandlungen von zahlreichen Wissenschaftlern wiederholt; aus unterschiedlichen Mischungen von Chemikalien, Gasen und Energiequellen stellten sie damit nicht nur Aminosäuren her, sondern auch Zucker und schließlich sogar geringe Mengen von Nucleinsäuren. Und doch hat auch heute, mehr als ein halbes Jahrhundert später, noch keine im Labor hergestellte Ursuppe einen Urreplikator geliefert, wie Oparin und Haldane ihn sich vorgestellt hatten. Um zu verstehen, warum das so ist, müssen wir uns Millers Experimente ein wenig genauer ansehen.

Das erste Problem liegt in der Komplexität der chemischen Mischung, die Miller herstellte. Das entstandene organische Material lag zum größten Teil in Form eines undefinierbaren Teers vor; organische Chemiker sehen solche Substanzen häufig, wenn ihre komplizierten chemischen Syntheseverfahren nicht genau kontrolliert werden, so dass zahlreiche falsche Produkte entstehen. Einen ähnlichen Teer kann man sogar in der heimischen Küche erzeugen: Dazu braucht man nur das Abendessen anbrennen zu lassen. Die schwarz-braune Schmiere, die sich vom Pfannenboden nur so schwer entfernen lässt, ähnelt in ihrer Zusammensetzung stark Millers Teer. Solche chemischen Mischungen werfen das Problem auf, dass es von berüchtigter Schwierigkeit ist, aus ihnen irgendetwas anderes als die gleiche teerähnliche Schmiere zu gewinnen. In der Sprache der Chemie sind sie nicht »produktiv«, weil sie so kompliziert zusammengesetzt sind, dass jede einzelne Verbindung, beispielsweise eine Aminosäure, meist mit vielen anderen Verbindungen reagiert und deshalb im Gestrüpp der folgenlosen chemischen Reaktionen verlorengeht. Millionen Köche und Tausende von Chemie-Studienanfängern erzeugen schon seit Jahrhunderten einen solchen organischen Schmier, aber dies führt zu kaum mehr als zu einer mühevollen Abwascharbeit.

Von der Schmiere zu den Zellen

Stellen wir uns einmal vor, wir wollten eine Ursuppe mischen und kratzten dazu den Schmier vom Boden aller angebrannten Kochtöpfe auf der ganzen Welt. Die Billionen komplexer organischer Moleküle lösen wir in einer Wassermenge mit dem Volumen eines Ozeans. Nun nehmen wir noch ein paar grönländische Schlammvulkane sowie vielleicht hin und wieder einen Blitz als Energiequelle hinzu und rühren gut um. Wie lange müssen wir die Suppe rühren, bis wir Leben erschaffen haben? Eine Million Jahre? 100 Millionen Jahre? 100 Milliarden Jahre?

Selbst die einfachsten Lebensformen sind – ganz ähnlich wie die chemische Schmiere – außerordentlich komplex. Im Gegensatz zur Schmiere sind sie aber auch hochorganisiert. Als Ausgangsmaterial für die Erzeugung von organisiertem Leben wirft die Schmiere das Problem auf, dass die zufälligen thermodynamischen Kräfte, die auf der Urerde zur Verfügung standen – die in Kapitel 2 beschriebenen billardkugelähnlichen Molekülbewegungen – in der Regel keine Ordnung schaffen, sondern sie zerstören. Wir werfen ein Huhn in den Topf, erhitzen es, rühren um und haben Hühnersuppe. Aber noch nie hat jemand eine Dose Suppe in einen Topf geschüttet und daraus ein Huhn gemacht.

Natürlich begann das Leben nicht mit Hühnern (oder Eiern). Die einfachsten sich selbst verdoppelnden Organismen, die heute leben, sind Bakterien, und die sind viel einfacher gebaut als jeder Vogel.[2] Die einfachsten Zellen sind die von Mycoplasmen (die Bakterien, die auch Gegenstand von Craig Venters Experiment mit der Schaffung künstlichen Lebens waren), aber selbst diese Lebewesen sind noch äußerst komplex. Ihr Genom codiert fast 500 Gene, und die produzieren eine ähnlich große Zahl höchst komplexer Proteine, die als Enzyme sowohl Fettsubstanzen als auch Zucker, DNA, RNA, die Zellmembran, das Chromosom und tausend andere Strukturen erzeugen, von denen jede einzelne komplizierter ist als der Motor unseres Autos. Dennoch sind Mycoplasmen eigentlich nur bakterielle Krüppel: Sie können nicht selbständig leben, sondern müssen viele Biomoleküle von einem Wirtsorganismus beziehen – und als Parasiten könnten sie in einer realistischen Ursuppe nicht überleben. Ein plausibler Kandidat sind einzellige Lebewesen einer anderen Gruppe: die Cyanobakterien, die Photosynthese betreiben und alle benötigten biochemischen Substanzen selbst herstellen. Wenn es Cyanobakterien schon in der Frühzeit der Erde gab, waren sie möglicherweise die Quelle der geringen Mengen an 13C, die man in dem 3,7 Milliarden Jahre alten Gestein von Isua in Grönland nachweisen konnte. Aber diese Bakterien sind viel komplizierter als die Mycoplasmen – ihr Genom codiert fast 2.000 Gene. Wie lange müsste man in dem Ursuppenozean rühren, damit ein Cyanobakterium entsteht?

Der britische Astronom Sir Fred Hoyle, der den Begriff »Big Bang« für den Urknall prägte, interessierte sich während seines gesamten Lebens für die Ursprünge des Lebendigen. Die Wahrscheinlichkeit, dass Leben durch das zufällige Zusammentreffen chemischer Prozesse entsteht, ist nach seinen Worten ebenso groß wie die, dass ein Tornado über einen Schrottplatz fegt und rein zufällig einen Jumbojet zusammenbaut. Die Aussage, die er damit so anschaulich formulierte, lautet: Lebende Zellen, wie wir sie heute kennen, sind viel zu komplex und zu hochorganisiert, als dass sie allein durch Zufall entstanden sein können; ihnen müssen vielmehr einfachere Selbstreplikatoren vorausgegangen sein.

Die RNA-Welt

Wie also sahen diese frühen Selbstreplikatoren aus? Und wie funktionierten sie? Heute gibt es sie nicht mehr, vermutlich weil sie in der Konkurrenz mit ihren erfolgreicheren Nachkommen ausgestorben sind; deshalb kann man über sie eigentlich nur begründete Vermutungen anstellen. Ein Ansatz besteht darin, von den einfachsten heutigen Lebensformen in die Vergangenheit zu extrapolieren und sich einen viel einfacheren Selbstreplikator auszumalen, eine Art abgespecktes Bakterium, das vielleicht vor Jahrmilliarden der Vorläufer alles Lebendigen auf der Erde war.

Dabei stellt sich nur das Problem, dass man einfachere Selbstreplikatoren nicht aus lebenden Zellen »herauslösen« kann, denn kein Zellbestandteil ist allein zur Selbstverdoppelung in der Lage. Aus DNA bestehende Gene replizieren sich nicht von selbst; diese Aufgabe erfüllen die DNA-Polymerase-Enzyme. Die Enzyme wiederum verdoppeln sich nicht von allein, sondern sie müssen in DNA- und RNA-Strängen codiert sein.

In diesem Kapitel wird die RNA eine wichtige Rolle spielen, deshalb dürfte es nützlich sein, wenn wir uns noch einmal daran erinnern, was sie ist und was sie tut. RNA ist der einfachere chemische Vetter der DNA, und im Gegensatz zu dieser bildet sie keine Doppelhelix, sondern liegt als Einzelstrang vor. Trotz dieses Unterschieds hat die RNA aber mehr oder weniger die gleiche Fähigkeit, genetische Information zu codieren; ihr fehlt nur die komplementäre Kopie der Information. Und genau wie in der DNA ist ihre genetische Information mit vier genetischen Buchstaben geschrieben, das heißt, Gene können in der RNA genauso codiert sein wie in der DNA. Viele Viren, zum Beispiel der Erreger der Grippe (Influenzavirus), besitzen sogar ein Genom, das nicht aus DNA, sondern aus RNA besteht. In lebenden Zellen jedoch, das heißt in Bakterien sowie in den Zellen von Tieren und Pflanzen, erfüllt die RNA eine andere Funktion als die DNA: Die in der DNA festgeschriebene genetische Information wird durch den Ableseprozess, von dem in Kapitel 7 die Rede war, zunächst in RNA umgeschrieben. Und da sich die kürzeren RNA-Ketten im Gegensatz zu der sehr großen, unbeweglichen DNA der Chromosomen ungehindert bewegen können, tragen sie die genetische Information von den Genen im Chromosom zum Proteinsyntheseapparat. Dort wird die Sequenz der RNA abgelesen und in die Aminosäuresequenzen übersetzt, die zu Enzymen und anderen Proteinen werden. Zumindest in heutigen Zellen ist die RNA also eine unentbehrliche Zwischenstufe zwischen der in der DNA codierten genetischen Information und den Proteinen, die im weiteren Verlauf alle sonstigen Zellbestandteile herstellen.

Kehren wir nun also zu der Frage nach dem Ursprung des Lebens zurück: Eine Zelle ist als Ganzes ein sich selbst verdoppelndes Gebilde, für ihre Einzelbestandteile gilt das aber nicht – genau wie eine Frau, die sich (mit ein wenig »Hilfe«) fortpflanzen kann, während ihr Herz oder ihre Leber dazu nicht in der Lage ist. Damit ergibt sich ein Problem, wenn man von dem heutigen komplexen, zellbasierten Leben auf die Vergangenheit und einen Vorfahren schließen will, der nicht aus Zellen bestand. Anders formuliert, lautet die Frage: Was war zuerst da – das Gen aus DNA, die RNA oder das Enzym? Wenn DNA oder RNA zuerst da war, stellt sich die Frage: Wie sind sie entstanden? Wenn das Enzym zuerst da war: Wie war es codiert?

Auf eine mögliche Lösung stieß der amerikanische Biochemiker Thomas Cech: Wie er 1982 entdeckte, können manche RNA-Moleküle nicht nur genetische Information codieren, sondern auch die Funktion von Enzymen übernehmen und Reaktionen katalysieren (Arbeiten, für die er 1989 gemeinsam mit Sidney Altman den Nobelpreis erhielt). Die ersten Beispiele für solche Ribozyme, wie sie heute genannt werden, fand man in den Genen winziger Einzeller namens Tetrahymena, Urtierchen, die man in Süßwasserteichen antrifft; seither hat sich aber herausgestellt, dass Ribozyme in allen heutigen Zellen eine Rolle spielen. Ihre Entdeckung wurde sehr schnell begierig aufgegriffen, bot sie doch einen möglichen Ausweg aus dem Henne-Ei-Dilemma bei der Entstehung des Lebens. Nach der Hypothese der RNA-Welt, wie sie schon bald genannt wurde, führte die chemische Synthese anfangs zur Entstehung eines RNA-Moleküls, das sowohl als Gen als auch als Enzym wirken konnte: Einerseits codierte es (wie DNA) seine eigene Struktur, und andererseits stellte es aus den biochemischen Substanzen, die in der Ursuppe vorhanden waren, (wie ein Enzym) Kopien seiner selbst her. Dieses Kopieren war anfangs sicher ein Vorgang mit sehr wechselndem Erfolg: Durch ihn entstanden viele mutierte Versionen, die untereinander in dem zuvor bereits beschriebenen molekularen darwinistischen Konkurrenzkampf gegeneinander antraten. Im Laufe der Zeit zogen die RNA-Replikatoren dann Proteine hinzu, um ihre Verdoppelung effizienter zu gestalten, und das wiederum führte zur DNA und schließlich zur ersten lebenden Zelle.

Die Vorstellung, dass eine Welt voller selbstreplizierender RNA-Moleküle der Entstehung von DNA und Zellen vorausging, ist heute in der Wissenschaft von der Entstehung des Lebens nahezu ein Dogma. Man hat nachgewiesen, dass Ribozyme alle Schlüsselreaktionen ausführen können, die man von einem Molekül, das sich selbst verdoppelt, erwartet. Ribozyme einer Gruppe können beispielsweise zwei RNA-Moleküle verbinden, andere können sie trennen. Wieder ein anderer Ribozymtyp stellt Kopien kurzer (nur wenige Basen langer) Ketten aus RNA-Basen her. Ausgehend von solchen einfachen Aktivitäten, können wir uns ein komplizierteres Ribozym vorstellen, das alle notwendigen Selbstverdoppelungsreaktionen katalysiert. Und mit der Selbstreplikation kommt auch die natürliche Selektion in Gang; die RNA könnte damit einen Weg der Konkurrenz eingeschlagen haben, der am Ende zur ersten lebenden Zelle führte – so zumindest die Argumentation.

Ein solches Szenario wirft allerdings einige Probleme auf. Einfache biochemische Reaktionen können zwar vielleicht von Ribozymen katalysiert werden, die Selbstverdoppelung eines Ribozyms ist jedoch ein wesentlich komplizierterer Prozess: Es muss die Sequenz seiner eigenen Basen erkennen, die gleichen chemischen Bausteine in seiner Umgebung finden und diese dann in der richtigen Reihenfolge zusammenfügen, damit eine Kopie seiner selbst entsteht. Das ist für Proteine selbst dann eine anspruchsvolle Aufgabe, wenn sie den Luxus genießen, in Zellen voller richtiger biochemischer Bausteine herumzuschwimmen; kaum vorstellbar, wie Ribozyme, die in einer chaotischen, schleimigen Ursuppe lebten, eine solche Leistung erbringen sollten. Bisher ist es noch niemandem gelungen, ein Ribozym zu entdecken oder herzustellen, das auch nur im Labor eine derart komplexe Aufgabe meistert.

Darüber hinaus stellt sich eine noch grundsätzlichere Frage: Wie entstehen in der Ursuppe die RNA-Moleküle selbst? Jedes derartige Molekül besteht aus drei Teilen: der RNA-Base, die (genau wie die DNA-Basen in der DNA) ihre genetische Information codiert, einer Phosphatgruppe und einem Zucker namens Ribose. Man hat zwar mit gewissem Erfolg plausible chemische Reaktionen identifiziert, durch die in der Ursuppe die RNA-Basen und die Phosphatbausteine entstanden sein könnten, aber die plausibelste Reaktion zur Entstehung der Ribose liefert daneben auch eine Fülle anderer Zucker. Man kennt keinen nichtbiologischen Mechanismus, durch den ausschließlich Ribose gebildet wird. Und selbst wenn Ribose so entstanden wäre, steht man vor dem nächsten schwierigen Schritt, nämlich alle drei Bestandteile korrekt zusammenzufügen. Bringt man plausible Formen der drei RNA-Bestandteile zusammen, verbinden sie sich einfach nach dem Zufallsprinzip und bilden die unvermeidliche urtümliche Schmiere. Chemiker umgehen dieses Problem, indem sie besondere Formen der Basen einsetzen, in denen die chemischen Gruppen so abgewandelt sind, dass die unerwünschten Nebenreaktionen verhindert werden – aber das ist ein Taschenspielertrick, denn die Entstehung solcher »aktivierter« Basen unter den urtümlichen Bedingungen ist in jedem Fall noch unwahrscheinlicher als die der gewöhnlichen RNA-Basen.

Chemiker können die RNA-Basen aber aus einfachen Substanzen herstellen, indem sie eine Reihe sehr komplizierter, sorgfältig kontrollierter Reaktionen ablaufen lassen, wobei das gewünschte Produkt nach jeder Reaktion isoliert und gereinigt wird, bevor man es für die nächste Reaktion einsetzt. Nach Schätzungen des schottischen Chemikers Graham Cairns-Smith sind für die Synthese einer RNA-Base aus den einfachen organischen Verbindungen, die wahrscheinlich in der Ursuppe vorhanden waren, ungefähr 140 Schritte notwendig.[2] In jedem davon gibt es mindestens sechs Alternativreaktionen, die es zu vermeiden gilt. Entsprechend kann man sich die chemische Synthese leicht bildlich ausmalen: Man braucht sich nur jedes Molekül als eine Art Würfel vorzustellen, und jeder Schritt entspricht einem Wurf, wobei die Zahl 6 die Entstehung des richtigen Produkts symbolisiert, während jede andere Zahl bedeutet, dass das falsche Produkt erzeugt wurde. Die Chance, dass irgendein Ausgangsmolekül am Ende in RNA umgewandelt wird, entspricht also einer Serie, in der 140-mal nacheinander die 6 geworfen wird.

Chemiker verbessern diese ungeheuer geringe Chance natürlich dadurch, dass sie jeden Schritt sorgfältig kontrollieren. Die präbiotische Welt dagegen war ausschließlich auf den Zufall angewiesen. Vielleicht schien gerade zum richtigen Zeitpunkt die Sonne und ließ einen kleinen Tümpel voller Chemikalien verdunsten, der einen Schlammvulkan umgab? Oder vielleicht brach der Schlammvulkan aus und brachte ein wenig Wasser und Schwefel mit, so dass eine neue Ausstattung mit chemischen Verbindungen vorhanden war? Vielleicht wühlte auch ein Gewitter die Mischung auf und beschleunigte mit der zugeführten elektrischen Energie seiner Blitze einige chemische Veränderungen? Die Liste der Fragen ließe sich beliebig verlängern, aber die Wahrscheinlichkeit abzuschätzen, dass jeder der 140 notwendigen Schritte allein durch Zufall das richtige von sechs möglichen Produkten hervorbrachte, lässt sich leicht ausrechnen: Sie beträgt 1 zu 6^140 (oder ungefähr 10^109). Mindestens diese Zahl von Ausgangsmolekülen müsste in der Ursuppe vorhanden sein, damit wenigstens statistisch die Chance besteht, dass RNA sich durch rein zufällige Prozesse bildet. Aber die Zahl 10^109 ist weitaus größer als die Zahl der Elementarteilchen im gesamten sichtbaren Universum (die bei rund 10^80 liegt). In den Jahrmillionen zwischen der Entstehung des Planeten und der Zeit, zu der – den Indizien aus dem Isua-Gestein zufolge – Leben auf der Bildfläche erschien, standen auf der Erde einfach nicht genügend Moleküle oder ausreichend Zeit zur Verfügung, um nennenswerte RNA-Mengen entstehen zu lassen.

Dennoch könnte man sich vorstellen, dass es durch irgendwelche bisher nicht entdeckten chemischen Prozesse tatsächlich zur Synthese ausreichender RNA-Mengen kam. Dann müssen wir das ebenso schwierige Problem überwinden, die vier RNA-Basen genau in der richtigen Reihenfolge zusammenzufügen, damit ein Ribozym entstand, das zur Selbstverdoppelung in der Lage war. Die meisten Ribozyme sind RNA-Ketten aus mindestens 100 Basen. In jeder Position einer solchen Kette muss eine der vier Basen vorliegen, das heißt, es gibt 4^100 (oder 10^60) verschiedene Arten, eine RNA-Kette aus 100 Basen zusammenzusetzen. Wie wahrscheinlich ist es, dass durch das zufällige Zusammentreffen von Basen in der ganzen Kette genau die richtige Sequenz entstand, die ein sich selbst verdoppelndes Ribozym ergab?

Da wir offenbar viel Spaß an großen Zahlen haben, können wir es ausrechnen. Wie sich dabei herausstellt, haben 4^100 einzelne RNA-Ketten aus jeweils 100 Basen zusammen eine Masse von 10^50 Kilogramm. So viel würden wir also brauchen, damit von den meisten Ketten jeweils mindestens eine Kopie vorhanden ist und damit eine plausible Chance besteht, dass in einer davon alle Basen richtig angeordnet sind und einen Selbstreplikator ergeben. Die gesamte Masse der Milchstraße liegt aber Schätzungen zufolge nur bei 10^42 Kilogramm.

Wir können uns also eindeutig nicht allein auf den Zufall verlassen.

Natürlich gibt es unter den 4^100 möglichen, jeweils 100 Basen langen RNA-Ketten wahrscheinlich nicht nur eine, die als Selbstreplikator funktioniert. Es könnten viele sein. Möglicherweise können sich aus RNA-Ketten, die 100 Basen lang sind, sogar Billionen verschiedene Replikatoren bilden. Vielleicht ist selbstreplizierende RNA in Wirklichkeit sogar recht verbreitet, so dass wir nur eine Million Moleküle brauchen, damit sich mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit ein Selbstreplikator bildet. Das Problem mit dieser Argumentation ist genau das: Es ist eine Argumentation. Trotz vieler Versuche ist es bisher noch niemandem gelungen, auch nur ein einziges selbstreplizierendes RNA-(oder DNA- oder Protein-)Molekül herzustellen oder in der Natur zu beobachten. Das ist nicht verwunderlich, wenn man bedenkt, welch schwierige Aufgabe die Selbstverdoppelung ist. In der heutigen Welt bedarf es dazu einer vollständigen, lebenden Zelle. Konnte ein weitaus einfacheres System sie vor Jahrmilliarden bewältigen? Es muss so gewesen sein, sonst würden wir heute nicht über das Problem nachdenken. Aber wie es erreicht wurde, bevor die Evolution der Zellen begann, ist alles andere als geklärt.

Angesichts der Schwierigkeiten, biologische Selbstreplikatoren zu beschreiben, können wir neue Erkenntnisse vielleicht mit einer allgemeineren Frage gewinnen: Wie einfach ist Selbstverdoppelung in beliebigen Systemen überhaupt? Die moderne Technologie hat uns mit einer Fülle von Maschinen ausgestattet, die Gegenstände kopieren können, von Photokopiergeräten über elektronische Computer bis hin zu 3D-Druckern. Kann irgendein solches Gerät eine Kopie seiner selbst herstellen? Der Bewältigung dieser Aufgabe sind die 3D-Drucker vielleicht am nächsten gekommen, beispielsweise einer der RepRap (für Replicating Rapid Prototyper)-Drucker, die das geistige Kind von Adrian Bowyer von der Universität im britischen Bath sind. Diese Maschinen können ihre eigenen Bauteile drucken, aus denen man dann einen weiteren RepRap-3D-Drucker zusammensetzen kann.

Nun ja, nicht ganz. Die Maschine druckt nur in Kunststoff, ihr eigenes Gerüst besteht aber ebenso wie die meisten elektrischen Bauteile aus Metall. Sie kann also nur die Plastikteile verdoppeln, und diese müssen dann von Hand mit zusätzlichen Teilen zu einem neuen Drucker zusammengebaut werden. Die Vision der Konstrukteure sind selbstverdoppelnde RepRap-Drucker (von denen es mehrere Alternativkonstruktionen gibt), die allen kostenlos zur Verfügung stehen. Aber zu der Zeit, da dieses Buch geschrieben wird, sind wir von einer echten sich selbst verdoppelnden Maschine noch weit entfernt.

Wenn wir wissen wollen, wie einfach oder schwierig die Selbstverdoppelung ist, hilft uns die Suche nach selbstverdoppelnden Maschinen also nicht wirklich weiter. Vielleicht können wir aber der materiellen Welt völlig aus dem Weg gehen und die Frage mit dem Computer untersuchen, indem wir die chaotischen, schwer herzustellenden Chemikalien durch die einfachen Bausteine der digitalen Welt – durch Bits, die nur den Wert 1 oder 0 haben können – ersetzen? Ein »Byte« Daten, das heißt acht Bits, repräsentiert im Computercode einen einzigen Textbuchstaben und lässt sich ungefähr mit einer Einheit des genetischen Codes – einer Base in DNA oder RNA – gleichsetzen. Nun können wir die Frage stellen: Wie häufig sind unter allen möglichen Byte-Ketten diejenigen, die sich im Computer selbst verdoppeln können?

Hier haben wir einen gewaltigen Vorteil, denn selbstverdoppelnde Byte-Ketten sind sogar recht verbreitet: Wir kennen sie als Computerviren. Diese relativ kurzen Programme können unseren Rechner infizieren und die Zentraleinheit dazu veranlassen, zahlreiche Kopien des Virus herzustellen. Solche Computerviren springen dann unter Umständen in unsere E-Mails und infizieren die Rechner unserer Freunde und Kollegen. Wenn wir also den Computerspeicher als eine Art digitale Ursuppe betrachten, sind die Computerviren die digitale Entsprechung zu den urtümlichen Selbstreplikatoren.

Einer der einfachsten Computerviren heißt Tinba und hat nur eine Länge von 20 Kilobyte: Damit ist er im Vergleich zu den meisten Computerprogrammen sehr kurz. Dennoch griff Tinba 2012 erfolgreich die Computer großer Banken an, versteckte sich in ihren Browsern und stahl Login-Daten. Es war also eindeutig ein ansehnlicher Selbstreplikator. 20 Kilobyte mögen für ein Computerprogramm nicht viel sein, sie sind aber gleichbedeutend mit einer relativ langen digitalen Informationskette: Da ein Byte aus acht Bits besteht, entspricht es Informationen im Umfang von 160.000 Bits. Und da jedes Bit in einem von zwei Zuständen (0 oder 1) vorliegen kann, lässt sich die Wahrscheinlichkeit, dass eine ganz bestimmte Kette von Binärzahlen durch Zufall entsteht, leicht berechnen. Die Chance, dass sich eine Reihe aus drei Bits (wie beispielsweise 111) bildet, beträgt ½ × ½ × ½ oder 1 zu 2^3. Nach der gleichen mathematischen Logik liegt die Chance, dass durch Zufall eine ganz bestimmte Reihe von 160.000 Bits – der Länge von Tinba – zusammenfindet, bei 1 zu 2120.000. Das ist eine schwindelerregend kleine Zahl, die uns sagt, dass Tinba nicht allein durch Zufall entstanden sein kann.

Möglicherweise gilt hier die gleiche Vermutung, die wir schon für RNA-Moleküle angestellt haben: Vielleicht sind viele selbstreplizierende Codes im Umlauf, die weit einfacher sind als Tinba und durch Zufall entstehen konnten. Aber wenn das der Fall wäre, hätte sich bis heute mit Sicherheit schon ein Computervirus spontan aus den unzähligen Billionen von Gigabytes gebildet, die in jeder Sekunde durch das Internet fließen. Die meisten dieser Codes sind schließlich nichts anderes als Reihen von Nullen und Einsen (man denke nur an die vielen Bilder und Filme, die in jeder Sekunde heruntergeladen werden). Alle diese Codes sind potentiell funktionsfähig, das heißt, sie können unsere Prozessoren anweisen, grundlegende Operationen wie Kopieren oder Entfernen auszuführen; und doch zeigen alle Computerviren, die irgendwann einmal irgendeinen Computer infiziert haben, die unverkennbaren Spuren einer Konstruktion durch Menschen. Soweit wir wissen, hat der ungeheure Strom digitaler Informationen, der jeden Tag um den Globus fließt, noch nie spontan ein Computervirus hervorgebracht. Selbst in der verdoppelungsfreundlichen Umgebung eines Computers ist Selbstverdoppelung also schwierig, und soweit wir wissen, hat sie sich nie spontan abgespielt.

Kann die Quantenmechanik helfen?

Der kurze Ausflug in die digitale Welt macht deutlich, welches grundsätzliche Problem sich auf der Suche nach den Ursprüngen des Lebens stellt: Letztlich geht es um das Wesen der Suchmaschine, die alle notwendigen Zutaten in der richtigen Konfiguration zusammenführt, so dass ein Selbstreplikator entstehen kann. Welche Substanzen in der Ursuppe auch enthalten waren, sie mussten einen gewaltigen Raum der Möglichkeiten erkunden, um auf den äußerst seltenen Selbstreplikator zu stoßen. Könnte unser Problem darin bestehen, dass wir die Suche bisher ausschließlich mit den Regeln der klassischen Welt ausgeführt haben? Erinnern wir uns noch einmal an Kapitel 4: Als die New York Times berichtete, Pflanzen und Mikroben würden ein quantenmechanisches Suchprogramm durchführen, waren die Quantentheoretiker am MIT anfangs höchst skeptisch. Am Ende konnten sie sich aber mit der Idee anfreunden, dass Photosynthesesysteme tatsächlich eine quantenmechanische Suchstrategie, die sogenannte Quantenfahrt, umsetzen. Mehrere Wissenschaftler, darunter auch wir selbst[3], sind dem Gedanken nachgegangen, dass auch an der Entstehung des Lebens irgendein quantenmechanisches Suchszenario beteiligt war.

Stellen wir uns einmal einen winzigen urzeitlichen Tümpel vor, eingeschlossen in einer Pore des Serpentingesteins, das vor 3,5 Milliarden Jahren, während der Entstehung der grönländischen Gneisschichten, aus einem Schlammvulkan unter dem urtümlichen Meer von Isua gequollen ist. Hier haben wir Darwins »kleinen warmen Tümpel, mit allen Arten von Ammoniak und phosphorsauren Salzen, Licht, Wärme, Elektrizität u. s. w.«, in dem »eine Proteinverbindung gebildet wurde, bereit, noch kompliziertere Veränderungen einzugehen …«. Jetzt stellen wir uns weiter vor, dass es sich bei einer »Proteinverbindung« (ebenso gut könnte es auch ein RNA-Molekül sein), die durch einen der von Stanley Miller entdeckten chemischen Prozesse entstanden ist, um eine Art Protoenzym (oder Ribozym) handelt, das eine gewisse Enzymaktivität besitzt, sich aber nicht selbst verdoppeln kann. Weiter stellen wir uns vor, dass einige Teilchen in diesem Enzym an andere Positionen wandern könnten, daran aber von den klassischen Energiebarrieren gehindert werden. Aber wie wir in Kapitel 3 erfahren haben, können sowohl Elektronen als auch Protonen solche Energiebarrieren, die ihre klassische Übertragung verhindern, durch Quanten-Tunneleffekte überwinden – eine Eigenschaft, die für die Tätigkeit von Enzymen von entscheidender Bedeutung ist. Eigentlich existiert das Elektron oder Proton damit also auf beiden Seiten der Barriere gleichzeitig. Wenn wir uns vorstellen, dass sich so etwas in unseren Protoenzymen abspielte, würden wir damit rechnen, dass die verschiedenen Anordnungen – in denen sich das Teilchen auf der einen oder anderen Seite der Energiebarriere befindet – mit verschiedenen Enzymaktivitäten assoziiert sind, das heißt, mit der Fähigkeit, verschiedenartige chemische Reaktionen zu beschleunigen, darunter vielleicht auch eine Selbstverdoppelungsreaktion.

Um den Umgang mit den Zahlen zu vereinfachen, stellen wir uns vor, unser imaginäres Protoenzym enthielte insgesamt 64 Protonen und Elektronen, die jeweils durch Quanten-Tunneleffekte zwei verschiedene Positionen einnehmen können. Damit ergibt sich für unser imaginäres Protoenzym immer noch eine gewaltige Zahl möglicher Strukturvarianten: 2^64 – das sind entsetzlich viele mögliche Konfigurationen. Nun stellen wir uns vor, eine dieser Konfigurationen würde die Voraussetzungen für ein selbstverdoppelndes Enzym erfüllen. Damit stellt sich die Frage: Wie einfach ist es, die spezielle Konfiguration zu finden, die zur Entstehung von Leben führen kann? Wird der Selbstreplikator in unserem winzigen warmen Tümpel jemals Wirklichkeit werden?

Zunächst betrachten wir das Protoenzym als ausschließlich klassisches Molekül, das zu keinerlei Quantentricks wie Superposition oder Tunneleffekt in der Lage ist. Ein solches Molekül kann zu jedem beliebigen Zeitpunkt nur in einer der möglichen 2^64 Konfigurationen vorliegen, und die Wahrscheinlichkeit, dass es sich bei diesem Protoenzym um einen Selbstreplikator handelt, liegt bei 1 zu 2^64 – eine wahrhaft geringe Chance. Mit überwältigender Wahrscheinlichkeit wird sich das Protoenzym in einer der langweiligen Anordnungen befinden, die sich nicht selbst verdoppeln können.

Natürlich verändern sich Moleküle im allgemeinen thermodynamischen Hin und Her, aber in der klassischen Welt laufen solche Veränderungen relativ langsam ab. Damit ein Molekül sich wandeln kann, muss die ursprüngliche Anordnung der Atome zerlegt werden, und die darin enthaltenen Teilchen ordnen sich zu einer neuen Molekülkonfiguration an. Wie wir in Kapitel 3 am Beispiel des langlebigen Dinosaurier-Kollagens erfahren haben, sind für solche chemischen Veränderungen manchmal geologische Zeiträume erforderlich. Bei klassischer Betrachtung würde unser Protoenzym also sehr lange brauchen, um auch nur einen winzigen Bruchteil der 2^64 chemischen Anordnungen auszuprobieren.

Radikal anders sieht die Sache allerdings aus, wenn wir die 64 entscheidenden Teilchen in dem Protoenzym als Elektronen und Protonen betrachten, die durch Tunneleffekte zwischen ihren verschiedenen möglichen Positionen wechseln können. Als Quantensystem kann ein solches Protoenzym durch Quanten-Superposition in allen möglichen Konfigurationen gleichzeitig existieren. Jetzt wird auch deutlich, warum wir gerade die Zahl 64 gewählt haben; mit der gleichen Zahl haben wir uns beschäftigt, als wir in Kapitel 8 am Beispiel des chinesischen Kaisers und seines Schachbrett-Irrtums die Leistungsfähigkeit von Quantenberechnungen deutlich gemacht haben. Hier nehmen nun die Teilchen, die dem Tunneleffekt unterliegen, die Rolle der Quadrate auf dem Schachbrett oder der Qubits ein. Wenn unser Proto-Selbstreplikator lange genug überlebt, kann er als 64-Qubit-Quantencomputer wirksam werden; und wie leistungsfähig ein solches Gerät wäre, haben wir bereits erfahren. Vielleicht könnte seine gewaltige Quantencomputer-Rechenleistung dazu dienen, die Antwort auf die Frage auszurechnen: Welches ist die richtige molekulare Anordnung für einen Selbstreplikator? In diesem Gewand werden das Problem und seine potentielle Lösung deutlicher. Wenn wir annehmen, dass sich das Protoenzym in einer solchen Quanten-Superposition befindet, wird das Problem, unter 2^64 möglichen Strukturen diejenige des Selbstreplikators zu finden, lösbar.

Die Sache hat allerdings einen Haken. Wie erwähnt, müssen Qubits kohärent und verschränkt bleiben, nur dann können sie Quantenberechnungen ausführen. Sobald die Dekohärenz einsetzt, bricht die Superposition der 2^64 verschiedenen Zustände zusammen, und es bleibt nur ein einziger übrig. Hilft das? Auf den ersten Blick nicht, denn die Wahrscheinlichkeit, dass die Quanten-Superposition zu dem einen sich selbst replizierenden Zustand zusammenbricht, ist die gleiche wie zuvor: winzige 1 zu 2^64 – das ist, als würde bei 64 Münzwürfen hintereinander die Zahl oben liegen. Im nächsten Schritt jedoch weicht die quantenmechanische Beschreibung von ihrem klassischen Gegenstück ab.

Wenn ein Molekül sich nicht quantenmechanisch verhält und – was mit ziemlicher Sicherheit der Fall sein wird – am Ende die falsche Atomanordnung enthält, so dass es sich nicht selbst verdoppeln kann, könnte es nur dann eine andere Anordnung ausprobieren, wenn der geologisch langsame Prozess der Zerlegung und Neuanordnung der Molekülbindungen abläuft. Nach der Dekohärenz eines entsprechenden quantenmechanischen Moleküls jedoch wird jedes der 64 Elektronen und Protonen im Protoenzym fast augenblicklich wieder in der Lage sein, durch den Tunneleffekt in die Superposition der beiden möglichen Positionen zu gelangen und damit die ursprüngliche Quanten-Superposition der 2^64 verschiedenen Anordnungen wiederherzustellen. In diesem 64-Qubit-Zustand könnte das Quanten-Proto-Replikatormolekül seine Suche nach der Selbstreplikation in der Quantenwelt ununterbrochen fortsetzen.

Auch dann wird die Dekohärenz sehr schnell wieder zum Zusammenbruch der Superposition führen, aber dieses Mal befindet sich das Molekül in einer anderen der 2^64 möglichen klassischen Anordnungen. Wieder lässt Dekohärenz die Superposition zusammenbrechen, und wieder befindet sich das System in einer anderen Anordnung; dieser Prozess wird sich unbegrenzt fortsetzen. In einer solchen relativ geschützten Umgebung sind Entstehung und Vernichtung des Superpositionszustandes im Wesentlichen reversible Prozesse: Die Quantenmünze wird durch die Prozesse von Superposition und Dekohärenz ständig neu geworfen, und diese Prozesse laufen weitaus schneller ab als die klassische Bildung und Auflösung chemischer Bindungen.

Irgendwann jedoch sorgt ein Ereignis dafür, dass die quantenmechanischen Münzwürfe aufhören. Bricht das quantenmechanische Proto-Replikatormolekül in den Zustand eines Selbstreplikators zusammen, beginnt es sich zu verdoppeln, und genau wie in den hungernden E. coli-Zellen, von denen in Kapitel 7 die Rede war, zwingt die Verdoppelung das System, einen irreversiblen Übergang in die klassische Welt zu vollziehen. Die quantenmechanische Münze ist ein für alle Mal geworfen, und der erste Selbstreplikator wird in die klassische Welt hineingeboren. Natürlich muss im Rahmen dieser Verdoppelung innerhalb des Moleküls oder zwischen dem Molekül und seiner Umgebung irgendein biochemischer Vorgang ablaufen, der sich deutlich von denen vor der Entdeckung der Proto-Replikator-Anordnung unterscheidet. Mit anderen Worten: Es muss einen Mechanismus geben, der diese besondere Anordnung in der klassischen Welt verankert, bevor sie verlorengeht und das Molekül die nächste quantenmechanische Anordnung annimmt.

Wie sah der erste Selbstreplikator aus?

Das gerade geschilderte Szenario ist natürlich spekulativ. Aber wenn sich die Suche nach dem ersten Selbstreplikator nicht in der klassischen, sondern in der quantenmechanischen Welt abspielte, ist das Problem mit der Suche nach dem Selbstreplikator zumindest potentiell gelöst.

Damit ein solches Szenario funktioniert, muss das urtümliche Biomolekül – der Proto-Selbstreplikator – in der Lage gewesen sein, zahlreiche verschiedene Strukturen durch den Quanten-Tunneleffekt und den Übergang seiner Teilchen in verschiedene Positionen zu erkunden. Wissen wir, welche Moleküle einen solchen Kunstgriff bewerkstelligen können? Bis zu einem gewissen Grade schon. Wie wir bereits erfahren haben, werden die Elektronen und Protonen in Enzymen relativ locker festgehalten, so dass sie durch den Tunneleffekt leicht in verschiedene Positionen gelangen können. Auch die Protonen in DNA und RNA sind zumindest quer über die Wasserstoffbrücken zum Tunneleffekt in der Lage. Man kann sich also vorstellen, dass es sich bei unserem urtümlichen Selbstreplikator um so etwas wie ein Protein- oder RNA-Molekül handelte, das durch Wasserstoffbrücken und schwache Elektronenbindungen locker zusammengehalten wurde, so dass seine Teilchen – Protonen und Elektronen – ungehindert durch seine Struktur wandern und eine Superposition aus Billionen verschiedener Konfigurationen bilden konnten.

Gibt es für ein solches Szenario irgendwelche Belege? Der Physiker Apoorva D. Patel vom Zentrum für Hochenergiephysik am indischen Wissenschaftsinstitut in Bangalore ist einer der weltweit führenden Experten für Quantenalgorithmen – für die Software von Quantencomputern. Nach seiner Vermutung verrät sich an manchen Aspekten der genetischen Information (den Sequenzen aus DNA-Basen, die diese oder jene Aminosäure codieren) ihre Herkunft aus einem Quantencode.[4] Hier ist nicht der Ort, um technische Einzelheiten zu erörtern (das würde uns tief in die Mathematik der Quanten-Informationstheorie führen), aber seine Idee ist eigentlich nicht überraschend. Wie wir in Kapitel 4 erfahren haben, wird die Energie von Photonen bei der Photosynthese auf zahlreichen Wegen zugleich in das Reaktionszentrum übertragen – eine quantenmechanische Irrfahrt. In Kapitel 8 haben wir dann den Gedanken der Quantenberechnungen erörtert und die Frage gestellt, ob das Lebendige mit Hilfe von Quantenalgorithmen die Effizienz bestimmter biologischer Prozesse steigern konnte. Und schließlich sind auch Szenarien für den Ursprung des Lebens, die quantenmechanische Vorgänge einbeziehen, zwar spekulativ, aber auch nichts anderes als eine Erweiterung solcher Ideen: Es geht um die Möglichkeit, dass die Quantenkohärenz für die Entstehung des Lebens eine ganz ähnliche Rolle gespielt hat wie heute in lebenden Zellen.

Natürlich bleibt jedes Szenario, das die Quantenmechanik in die Entstehung des Lebens vor drei Milliarden Jahren einbezieht, höchst spekulativ. Aber wie wir gesehen haben, sind auch klassische Erklärungen für den Ursprung des Lebens mit Problemen behaftet: Leben aus dem Nichts zu erzeugen, ist nicht einfach! Die Quantenmechanik stellt effizientere Suchstrategien bereit und macht damit die Aufgabe, einen Selbstreplikator zu bauen, ein wenig leichter. Sie war sicher nicht die alleinige Ursache, aber sie könnte die Entstehung von Leben in dem uralten grönländischen Gestein ein wenig wahrscheinlicher gemacht haben.

10. Quantenbiologie: Leben am Rande des Sturms

»Seltsam« – mit diesem Adjektiv wird das Gebiet der Quantenmechanik am häufigsten beschrieben. Seltsam ist sie wirklich. Eine Theorie, die zulässt, dass Objekte undurchdringliche Barrieren überwinden, sich an zwei Orten zugleich aufhalten oder in »gespenstischer Verbindung« stehen, kann man nicht als »normal« bezeichnen. Das mathematische Gerüst der Quantenmechanik ist aber vollkommen logisch und widerspruchsfrei, und es beschreibt zutreffend, wie die Welt auf der Ebene der grundlegenden Teilchen und Kräfte aussieht. Damit ist die Quantenmechanik das Fundament der physikalischen Realität. Klar getrennte (»diskrete«) Energieniveaus, die Dualität von Welle und Teilchen, Kohärenz, Verschränkung und Tunneleffekt sind nicht nur interessante Ideen, für die sich Wissenschaftler in ihren abgehobenen physikalischen Labors interessieren. Sie sind so real und normal wie Omas Apfelkuchen, und tatsächlich laufen sie auch in Omas Apfelkuchen ab. Die Quantenmechanik ist normal. Seltsam ist die Welt, die von ihr beschrieben wird.

Aber wie wir bereits erfahren haben, werden die meisten Eigenschaften der Materie, die der Intuition widersprechen und im Quantenmaßstab von Bedeutung sind, im turbulenten thermodynamischen Inneren großer Objekte durch den Prozess, den wir Dekohärenz nennen, weggespült; übrig bleibt dann nur unsere vertraute, klassische Welt. Man kann also sagen: Die physikalische Realität besteht aus drei Ebenen (Abbildung 10.1). An der Oberfläche liegen die makroskopischen Alltagsobjekte wie Fußbälle, Eisenbahnzüge und Planeten, deren Verhalten sich im Großen und Ganzen nach Newtons mechanischen Bewegungsgesetzen richtet; dazu gehören so vertraute Begriffe wie Geschwindigkeit, Beschleunigung, Impuls und Kräfte. Die mittlere Ebene ist die der Thermodynamik: Sie beschreibt das Verhalten von Flüssigkeiten und Gasen. Auch hier gelten die gleichen klassischen Newton’schen Regeln, aber wie Schrödinger deutlich gemacht hat und wie wir auch in Kapitel 2 erläutert haben, basieren diese grundlegenden thermodynamischen Gesetze, die beispielsweise beschreiben, wie sich ein Gas beim Erhitzen ausdehnt oder wie eine Dampfmaschine eine Lokomotive den Berg hinaufschiebt, auf der »Ordnung aus Unordnung«, das heißt aus dem Durchschnitt des ungeordneten, billardkugelähnlichen Gewimmels von Billionen Atomen und Molekülen. Die dritte, tiefste Ebene ist das Fundament der Realität: die Quantenwelt. Hier gehorcht das Verhalten der Atome und Moleküle sowie der Teilchen, aus denen sie bestehen, nicht der klassischen Mechanik, sondern den präzisen, geordneten Regeln der Quantenmechanik. Die meisten Seltsamkeiten der Quantenwelt sind für uns aber in der Regel unsichtbar. Nur wenn wir sorgfältig einzelne Moleküle beobachten wie beispielsweise im Doppelspaltexperiment, sehen wir die tieferliegenden Quantengesetze. Das Verhalten, das sie beschreiben, erscheint uns nur deshalb nicht vertraut, weil wir die Realität normalerweise durch den Filter der Dekohärenz sehen, der größere Objekte ihrer sämtlichen Seltsamkeiten beraubt.

Abb. 10.1: Die drei Ebenen der Realität. Ganz oben befindet sich die sichtbare Welt mit Objekten wie fallenden Äpfeln, Kanonenkugeln, Dampflokomotiven und Flugzeugen, deren Bewegungen durch die Gesetze der Newton’schen Mechanik beschrieben werden. Darunter liegt die Ebene der Thermodynamik mit billardkugelähnlichen Teilchen, deren Bewegungen fast völlig vom Zufall abhängen. Aus dieser Ebene entspringen die Gesetze der »Ordnung aus Unordnung«, die über das Verhalten von Dampfmaschinen und ähnlichen Objekten bestimmen. Die sichtbaren Eigenschaften der meisten Objekte um uns herum haben ihre Wurzeln offenbar entweder in der Newton’schen oder in der thermodynamischen Ebene, aber die Wurzeln der Lebewesen reichen bis ins quantenmechanische Muttergestein der Realität hinunter.

Die meisten Lebewesen sind relativ große Objekte. Wie Eisenbahnzüge, Fußbälle oder Kanonenkugeln, so gehorchen auch sie mit ihren Bewegungen insgesamt recht gut den Newton’schen Gesetzen: Ein Mensch, der aus einer Kanone abgeschossen wird, folgt einer ganz ähnlichen Flugbahn wie eine Kanonenkugel. Auf einer tieferen Ebene wird das physiologische Verhalten der Gewebe und Zellen ebenfalls gut durch die Gesetze der Thermodynamik beschrieben: Ausdehnung und Kontraktion einer Lunge unterscheiden sich nicht sonderlich stark von Ausdehnung und Kontraktion eines Luftballons. Auf den ersten Blick neigen wir – und neigten bisher auch die meisten Wissenschaftler – zu der Annahme, dass das Quantenverhalten in Rotkehlchen, Fischen, Dinosauriern, Apfelbäumen, Schmetterlingen und uns selbst ebenso weggespült wird wie in anderen klassischen Objekten. Aber wie wir erfahren haben, gilt das für Lebewesen nicht immer; bei ihnen reichen die Wurzeln von der Newton’schen Oberfläche durch die turbulenten Gewässer der Thermodynamik bis hinunter ins Quanten-Muttergestein, so dass auch das Leben sich Kohärenz, Superposition, Tunneleffekt oder Verschränkung zu nutze machen kann (Abbildung 10.1). Die Frage, mit der wir uns in diesem letzten Kapitel beschäftigen wollen, lautet: Wie macht es das?

Teilweise haben wir die Antwort bereits gegeben. Erwin Schrödinger wies vor mehr als 60 Jahren darauf hin, dass Leben sich von der anorganischen Welt unterscheidet, weil es selbst auf der Ebene der Moleküle strukturiert und geordnet ist. Diese Ordnung, die sich bis hinab in den kleinen Maßstab fortsetzt, stattet das Leben mit einer Art festem Hebel aus, der den molekularen und den makroskopischen Maßstab verbindet, so dass Quantenereignisse, die sich in einzelnen Biomolekülen abspielen, Folgen für einen gesamten Organismus haben können: Das ist die Verstärkung von der Quanten- zur makroskopischen Ebene, die Pascual Jordan, ein anderer Pionier der Quantenmechanik, postulierte.

Als Schrödinger und Jordan sich über die Biologie äußerten, wusste natürlich noch niemand, woraus ein Gen besteht oder wie Enzyme und Photosynthese funktionieren. Mittlerweile hat die molekularbiologische Forschung eines halben Jahrhunderts auf der Ebene einzelner Atome in DNA- oder Proteinmolekülen ein außerordentlich detailliertes Bild von der Struktur der Biomoleküle gezeichnet. Und wie wir gesehen haben, wurden die weitsichtigen Erkenntnisse der Quantenpioniere mit großer Verspätung bestätigt. Photosysteme, Enzyme, Atmungsketten und Gene sind bis hinab zur Position der einzelnen Teilchen strukturiert, und ihre quantenmechanischen Bewegungen sind tatsächlich von Bedeutung für die Atmung, die uns am Leben erhält, für die Enzyme, die unseren Körper aufbauen, oder für die Photosynthese, die nahezu die gesamte Biomasse auf unserem Planeten erzeugt.

Dennoch bleiben nach wie vor viele Fragen offen, insbesondere die, wie das Leben es schafft, im warmen, feuchten Meer der Biomoleküle innerhalb einer lebenden Zelle die Quantenkohärenz aufrechtzuerhalten. Proteine oder DNA sind keine aus Stahl gebauten Maschinen mit starren Teilen wie die Instrumente, mit denen man Quanteneffekte in physikalischen Labors nachweist; sie sind vielmehr weiche, flexible Strukturen, die ständig ihren eigenen thermischen Schwingungen unterliegen und gleichzeitig ununterbrochen von den sie umgebenden molekularen Billardkugeln herumgestoßen werden – ein dauerndes molekulares Rauschen.[1] Eigentlich würde man damit rechnen, dass diese zufälligen Schwingungen und Kollisionen die empfindliche Anordnung der Atome und Moleküle zerstören, die diese Teilchen brauchen, um ihr Quantenverhalten beizubehalten. Wie die Kohärenz in der Biologie bewahrt wird, bleibt ein Rätsel; aber wir nähern uns seiner Lösung, wie wir gleich sehen werden, und dabei offenbaren sich faszinierende Erkenntnisse über die Funktionsweise des Lebendigen – Erkenntnisse, die man sogar in der Quantentechnologie der Zukunft ausnutzen könnte.

Good, good, good vibrations (bop bop)

Nur die wenigsten populärwissenschaftlichen Bücher müssen während ihrer Entstehung noch einmal umgeschrieben werden, in diesem letzten Kapitel jedoch werden wir über Erkenntnisse berichten, die eben erst ans Licht kommen. In der Wissenschaft der Quantenbiologie geht es so schnell und an so vielen verschiedenen Fronten voran, dass dieses Buch zwangsläufig bereits ein wenig veraltet sein wird, wenn es erscheint. Die größten Überraschungen, die aus den Untersuchungen der jüngsten Zeit erwachsen, sind neue Erkenntnisse zu der Frage, wie das Leben mit molekularen Schwingungen oder dem thermodynamischen Rauschen zurechtkommt.

Besonders spannende neue Ergebnisse erwachsen in diesem Gebiet aus der weiteren Erforschung der Photosynthese. Wie wir wissen, sind die Blätter der Pflanzen voller Chloroplasten, in denen sich ein Wald aus Chlorophyllmolekülen befindet. Der erste Schritt der Photosynthese besteht darin, dass ein Lichtphoton von einem solchen Pigmentmolekül eingefangen und in ein schwingendes Exciton umgewandelt wird, das dann durch den Chlorophyllwald zum Reaktionszentrum wandert. Ebenso war bereits davon die Rede, dass man während dieses Energietransports die typische Spur der Kohärenz entdeckt hat: die Quantenschwebungen. Damit ist belegt, dass dessen nahezu 100-prozentige Effizienz der Quantenwanderung zu verdanken ist, mit der die Excitonen zum Reaktionszentrum gelangen. Aber wie die Excitonen ihr kohärentes Wellenverhalten beibehalten, während sie sich durch die Umwelt einer lebenden Zelle mit ihrem molekularen Rauschen bewegen, war bis vor kurzem ein Rätsel. Jetzt aber haben wir entdeckt, wo die Antwort zu liegen scheint: Offenbar bemühen lebende Systeme sich nicht, molekulare Schwingungen zu vermeiden, sondern sie tanzen zu deren Rhythmus.

In Kapitel 4 haben wir uns die Quantenkohärenz in der Photosynthese als eine Art molekulares Orchester vorgestellt, das »richtig gestimmt« und »im richtigen Rhythmus« spielt, weil alle kohärenten Pigmentmoleküle dem gleichen Takt folgen. Dabei muss das System aber ein Problem bewältigen: Im Inneren einer Zelle herrscht starkes Rauschen. Das molekulare Orchester spielt nicht in einem ruhigen Konzertsaal, sondern wie auf einem Platz in einem lebhaften Stadtzentrum: inmitten einer Kakophonie aus molekularem Rauschen, das jeden einzelnen Musiker stört, so dass die Schwingungen der Excitonen wahrscheinlich aus dem Tritt geraten und ihre empfindliche Quantenkohärenz verlorengeht.

Diese Schwierigkeit ist allen Physikern und Ingenieuren, die Quantencomputer und ähnliche Gerätschaften bauen wollen, nur allzu gut bekannt. In der Regel bedienen sie sich zweier wichtiger Strategien, um das Rauschen in Schach zu halten. Erstens kühlen sie ihre Systeme, wo immer es möglich ist, bis sehr dicht über dem absoluten Nullpunkt ab. Bei solchen sehr niedrigen Temperaturen sind die molekularen Schwingungen gedämpft, und das wiederum unterdrückt das molekulare Rauschen. Und zweitens schirmen sie ihre Apparaturen mit der molekularen Entsprechung zu einem Tonstudio ab, so dass das Rauschen der Umwelt ferngehalten wird. In lebenden Zellen gibt es allerdings keine Tonstudios, und Pflanzen – aber auch photosynthetisch aktive Mikroorganismen – leben in einer vergleichsweise warmen Umgebung: Wie können also die Photosysteme ihre gut abgestimmte Quantenkohärenz über so lange Zeit beibehalten?

Die Antwort: Offenbar nutzen die Reaktionszentren der Photosynthese zwei Formen des molekularen Rauschens aus, um die Kohärenz nicht zu zerstören, sondern zu bewahren. Die erste ist das relativ schwache, leise weiße Rauschen, wie es manchmal genannt wird, ein ähnliches Phänomen wie das statische Rauschen in Fernsehen oder Radio, das sich über alle Frequenzen erstreckt.[2] Das weiße Rauschen stammt aus dem thermodynamischen Hin und Her aller umgebenden Moleküle, die in einer lebenden Zelle dicht bei dicht liegen, darunter Wasser- und Metallionen. Die zweite Form, manchmal farbiges Rauschen genannt, ist »lauter« und hat nur bestimmte Frequenzen wie das farbige (sichtbare) Licht, das sich ebenfalls auf ein schmales Frequenzband im elektromagnetischen Spektrum beschränkt. Die Quelle des farbigen Rauschens sind die Schwingungen der größeren Molekülstrukturen innerhalb der Chloroplasten, so der Moleküle des Pigments Chlorophyll und der Proteingerüste, von denen sie an ihrem Platz festgehalten werden. Diese Ketten von Aminosäureperlen sind so gebogen und gewunden, dass sich ihre Form für die Aufnahme von Pigmentmolekülen eignet. Ihre Biegungen und Windungen sind flexibel und können vibrieren, aber das tun sie wie die Saiten einer Gitarre nur mit bestimmten Frequenzen. Auch die Pigmentmoleküle selbst haben eigene Schwingungsfrequenzen. Die Vibrationen lassen das farbige Rauschen entstehen, das wie ein Akkord in der Musik nur aus wenigen Tönen besteht. Sowohl das weiße als auch das farbige Rauschen werden offenbar von den Reaktionssystemen der Photosynthese dazu genutzt, das kohärente Exciton ins Reaktionszentrum zu dirigieren.

Einen Anhaltspunkt dafür, wie das Lebendige diese Form der Molekülschwingungen ausnutzt, entdeckten zwei Wissenschaftlerteams unabhängig voneinander in den Jahren 2008 und 2009. Das eine war das damals in Großbritannien ansässige Ehepaar Martin Plenio und Susana Huelga, das sich schon seit langem für die Auswirkungen des äußeren »Rauschens« auf die Dynamik von Quantensystemen interessierte; deshalb waren sie nicht überrascht, als sie von dem in Kapitel 4 erörterten Experiment erfuhren, das Graham Fleming 2007 mit der Photosynthese angestellt hatte. Wenig später beschrieben die beiden in zwei mittlerweile häufig zitierten Artikeln ihr Modell der mutmaßlichen Abläufe.[1] Sie äußerten die Vermutung, das von Rauschen durchzogene Innere einer lebenden Zelle könne die Quantendynamik antreiben, wobei die Quantenkohärenz in den Photosynthesekomplexen und anderen biologischen Systemen nicht zerstört wird, sondern erhalten bleibt.

Die andere Arbeitsgruppe war jenseits des Atlantiks am MIT tätig: Es war das Team um Seth Lloyd, das sich mit Quanteninformatik beschäftigt und die Quantenmechanik in Pflanzen anfangs für eine verrückte Idee hielt. Zusammen mit Kollegen aus der benachbarten Harvard University sah sich Lloyd den Photosynthesekomplex der Mikroorganismen etwas genauer an, in dem Fleming und Engel die Quantenschwebungen entdeckt hatten.[2] Wie sie nachweisen konnten, kann der Transport des quantenkohärenten Excitons durch das Rauschen aus der Umwelt entweder behindert oder unterstützt werden, je nachdem, wie laut das Rauschen ist. Ist das System zu kalt und ruhig, neigt das Exciton zu ziellosen Schwingungen, ohne in eine bestimmte Richtung voranzukommen; in einer sehr warmen Umwelt mit lautem Rauschen dagegen setzt der sogenannte Quanten-Zeno-Effekt ein, der den quantenmechanischen Transport verlangsamt. Zwischen diesen beiden Extremen liegt eine Komfortzone, in der für den quantenmechanischen Transport gerade die richtigen Schwingungen herrschen.

Der Quanten-Zeno-Effekt ist nach dem antiken griechischen Philosophen Zeno von Elea benannt. Dieser kleidete philosophische Fragen in verschiedene Paradoxa, von denen eines als Pfeilparadoxon bekannt ist. Zeno betrachtete einen fliegenden Pfeil und behauptete, dieser müsse zu jedem einzelnen Zeitpunkt eine bestimmte Position im Raum einnehmen. Wenn man den Pfeil zu einem dieser Zeitpunkte betrachte, sei er nicht von einem tatsächlich unbewegten Pfeil zu unterscheiden, der in der gleichen Position schwebe. Das Paradox liegt darin, dass der Flug eines Pfeils aus einer Abfolge solcher eingefrorenen Augenblicke besteht, in denen sich jeweils ein bewegungsloser Pfeil an einem bestimmten Punkt des Weges befindet. Nimmt man aber alle Zeitpunkte zusammen, bewegt sich der Pfeil. Wie kann sich eine Abfolge von Bewegungslosigkeit jemals zu echter Bewegung addieren? Heute kennen wir die Antwort: Ein endlicher Zeitraum besteht nicht aus einer Abfolge unteilbarer Zeiträume mit dem Betrag Null. Aber auf diese Lösung konnte man erst kommen, nachdem man im 17. Jahrhundert, mehr als 2000 Jahre nach Zeno, die Infinitesimalrechnung erfunden hatte. Aber auch heute lebt Zenos Paradox zumindest dem Namen nach in einem der seltsamsten Aspekte der Quantenmechanik weiter. Quantenpfeile können tatsächlich durch den Akt der Beobachtung in der Zeit eingefroren werden.

Physiker der University of Texas wiesen in einem 1977 veröffentlichten Artikel nach, dass es etwas Ähnliches wie Zenos Pfeilparadox auch in der Quantenwelt gibt.[3] Der Quanten-Zeno-Effekt, wie er später genannt wurde, beschreibt, wie kontinuierliche Beobachtungen verhindern können, dass sich Quantenereignisse abspielen. Beispielsweise wird ein radioaktives Atom, das man ständig genau beobachtet, nie zerfallen – ein Effekt, den man häufig mit dem alten Sprichwort »Ein Wasserkessel, den man beobachtet, kocht nie« umschreibt. Ein echter Wasserkessel kocht natürlich dennoch irgendwann; es hat nur den Anschein, als würde es länger dauern, wenn man unbedingt eine Tasse Tee haben möchte. Aber wie Heisenberg deutlich machte, verändert der Akt der Beobachtung (Messung) im Quantenbereich zwangsläufig den Zustand des beobachteten Gegenstands.

Um uns klarzumachen, warum das Zeno-Paradox für das Lebendige von Bedeutung ist, kehren wir noch einmal zum Energietransport in der Photosynthese zurück. Wir stellen uns vor, das Blatt habe gerade ein Photon von der Sonne aufgenommen und seine Energie in ein Exciton umgewandelt. Nach der klassischen Betrachtungsweise handelt es sich bei dem Exciton um ein Teilchen, das in Raum und Zeit eine Position einnimmt. Aber wie das Doppelspaltexperiment deutlich gemacht hat, besitzen Quantenteilchen auch Eigenschaften einer diffusen Welle und können deshalb in Form der Quanten-Superposition an mehreren Orten zugleich existieren. Diese Welleneigenschaft des Excitons ist für einen effizienten Quantentransport unentbehrlich, denn sie versetzt es wie eine Wasserwelle in die Lage, mehrere Wege parallel zu erkunden. Bricht sich die Quanten-Welleneigenschaft aber im Blatt der Pflanze am molekular rauschenden Gestein der Dekohärenz, geht sein Wellencharakter verloren, und es wird zu einem lokalisierten Teilchen, das in einer einzigen Position hängenbleibt. Das Rauschen wirkt also wie eine Art ständige Messung, und wenn es intensiv ist, kommt es zur Dekohärenz, bevor die Quantenkohärenz noch dazu führen kann, dass das Exciton seinen Bestimmungsort erreicht. Das ist der Quanten-Zeno-Effekt: Er lässt die Quantenwelle ständig zusammenbrechen und in die klassische Welt übergehen.

Als die Wissenschaftler am MIT den Einfluss des molekularen Rauschens beziehungsweise der Schwingungen im Photosynthesekomplex der Bakterien abschätzten, entdeckten sie, dass der Quantentransport ungefähr bei den Temperaturen, bei denen die Photosynthese in Mikroorganismen und Pflanzen stattfindet, optimal verläuft. Diese genaue Übereinstimmung zwischen der Effizienz des Transports und den Temperaturen, bei denen Lebewesen existieren, ist bemerkenswert; nach Auffassung der Arbeitsgruppe lässt sie darauf schließen, dass die natürliche Selektion von drei Milliarden Jahren den Excitonentransport sehr genau abgestimmt hat, um die wichtigste biochemische Reaktion in der Biosphäre zu optimieren. In einem späteren Artikel erklären die Forscher: »Die natürliche Selektion neigt dazu, Quantensysteme zu dem Maß von Quantenkohärenz zu treiben, die zum Erreichen einer maximalen Effizienz ›genau richtig‹ ist.«[4]

Gute molekulare Vibrationen sind aber nicht auf die Variante des weißen Rauschens beschränkt. Nach heutiger Kenntnis spielt auch das »farbige« Rauschen, das durch eine begrenzte Menge von Vibrationen in den Chlorophyllmolekülen selbst oder auch in den umgebenden Proteinen entsteht, eine Schlüsselrolle für die Eindämmung der Dekohärenz. Wenn wir uns das weiße thermische Rauschen als molekulare Version des statischen Rauschens in einem schlecht eingestellten Radio vorstellen, entsprechen die guten Vibrationen des farbigen Rauschens einem einfachen Rhythmus wie dem »bop bop« in dem Lied »Good Vibrations« der Beach Boys. Man sollte aber daran denken, dass das Exciton sich auch wie eine Welle verhält und damit die kohärenten Quantenschwebungen erzeugt, die die Gruppe von Graham Fleming entdeckte. Die Arbeitsgruppe von Martin Plenio an der Universität Ulm wies in zwei 2012 und 2013 erschienenen Artikeln etwas Interessantes nach: Wenn die Schwingungen des Excitons und der umgebenden Proteine – das farbige Rauschen – nach demselben Rhythmus tanzen, und wenn dann das kohärente Exciton vom weißen Rauschen aus dem Takt gebracht wird, kann es diesen durch die Schwingungen der Proteine wieder aufnehmen.[5] In einem Artikel, der 2014 in Nature erschien, konnte Alexandra Olaya-Castro vom Londoner University College in einer wunderschönen theoretischen Studie zeigen, dass das Exciton und die Molekülschwingungen – das farbige Rauschen – sich ein einzelnes Energiequant so teilen, dass man es nicht erklären kann, ohne auf die Quantenmechanik zurückzugreifen.[6]

Um in vollem Umfang einschätzen zu können, welchen Beitrag die beiden Formen des molekularen Rauschens zum Transport der Excitonen leisten, kehren wir noch einmal zu einer musikalischen Metapher zurück: Wir stellen uns das Photosystem als Orchester vor, in dem die verschiedenen Instrumente die Rolle der Pigmentmoleküle übernehmen; das Exciton ist die Melodie. Weiter stellen wir uns vor, dass die Musik mit einem Violinsolo beginnt, gespielt von dem Pigmentmolekül, welches das Photon einfängt und dessen Energie in ein schwingendes Exciton verwandelt. Die Melodie des Excitons wird zunächst von den anderen Streichinstrumenten aufgenommen, dann von den Bläsern, und schließlich kommt sie beim Schlagzeug an, dessen Rhythmus die Funktion des Reaktionszentrums übernimmt. Weiter stellen wir uns vor, dass die Melodie in einem Konzertsaal gespielt wird, in dem das Publikum dicht an dicht sitzt und das weiße Rauschen beisteuert: Hier werden Chipstüten geöffnet und Stühle gerückt, es wird gehustet und geniest. Der Dirigent ist das farbige Rauschen.

Stellen wir uns vor, wir würden das Konzert an einem sehr unruhigen Abend besuchen: Das Publikum macht einen solchen Lärm, dass die Musiker weder sich selbst noch ihre Kollegen hören können. In dem ganzen Durcheinander beginnt die erste Violine zu spielen, aber die anderen Musiker hören es nicht und können deshalb die Melodie nicht aufgreifen. Das ist das Quanten-Zeno-Szenario, in dem ein zu starkes Rauschen den quantenmechanischen Transport verhindert. Bei einem sehr geringen Rauschen jedoch, beispielsweise in einem leeren Konzertsaal ohne Publikum, hören die Musiker nur aufeinander; sie nehmen die erste Melodie auf wie einen Ohrwurm, den man nicht mehr aus dem Kopf bekommt, und spielen sie immer wieder. Das ist das Gegenteil mit zu großer Quantenkohärenz: Das Exciton wandert durch das ganze System, gelangt aber am Ende nicht an eine bestimmte Stelle.

In der Komfortzone, in der ein diszipliniertes Publikum genau den richtigen Geräuschpegel erzeugt, reichen die Störungen aus, damit die Musiker aus ihren monotonen Wiederholungen herausgerissen werden und die vollständige Partitur mit ihrer gesamten Dynamik zum Klingen bringen. Manche Instrumente verfallen immer noch in einen anderen Rhythmus, wenn hin und wieder ein ungehobelter Zuhörer eine Chipstüte aufreißt, aber der Dirigent kann sie dann mit einem Wink seines Taktstocks wieder auf Linie bringen, so dass sie die Musik der Photosynthese spielen.

Gedanken über die Triebkraft des Lebendigen

In Kapitel 2 haben wir einen Blick in eine Dampfmaschine geworfen und dabei festgestellt, dass sie ihre Triebkraft aus den Zufallsbewegungen in einem Meer billardkugelähnlicher Moleküle bezieht, deren molekulares Durcheinander in eine Richtung gelenkt wird und den Kolben im Zylinder antreibt. Dann haben wir gefragt, ob man das Leben ausschließlich mit dem gleichen thermodynamischen Prinzip der »Ordnung aus Unordnung« erklären kann, die eine Dampfmaschine antreibt. Ist ein Lebewesen nur eine besonders raffinierte Dampfmaschine?

Davon sind viele Wissenschaftler überzeugt, aber der Gedanke bedarf einer kleinen, subtilen Verfeinerung. In der Komplexitätstheorie studiert man die Neigung mancher Formen chaotischer Zufallsbewegungen, Ordnung durch das Phänomen der Selbstorganisation zu erzeugen. Ein Beispiel haben wir bereits erörtert: In einer Flüssigkeit bewegen sich die Moleküle vollkommen chaotisch, aber wenn wir das Wasser aus der Badewanne abfließen lassen, strömt es von selbst geordnet im Uhrzeiger- oder Gegenuhrzeigersinn um den Abfluss. Diese makroskopische Ordnung erkennt man auch in den Konvektionsströmungen in einem Topf mit heißem Wasser, bei Hurrikanen und Tornados, beim roten Fleck auf dem Jupiter und vielen anderen Naturerscheinungen. Die Selbstorganisation wirkt auch bei verschiedenen biologischen Phänomenen mit, so beim Schwarmverhalten von Vögeln, Fischen oder Insekten, dem Streifenmuster der Zebras oder der komplexen fraktalen Struktur mancher Blätter.

An allen diesen Systemen fällt auf, dass sich die makroskopische Ordnung, die wir sehen können, auf der Ebene der Moleküle nicht widerspiegelt. Wenn wir mit einem sehr leistungsfähigen Mikroskop die einzelnen Moleküle beobachten könnten, die durch den Badewannenabfluss fließen, so würden wir zu unserer Überraschung feststellen, dass sie sich fast ausschließlich nach dem Zufallsprinzip bewegen, wobei nur ein geringfügiges Übergewicht in Richtung der Bewegung im Uhrzeiger- oder Gegenuhrzeigersinn besteht. Auf molekularer Ebene herrscht nur Chaos – aber Chaos mit einem leichten Ungleichgewicht, das auf makroskopischer Ebene zu Ordnung führt: Ordnung aus dem Chaos, wie das Prinzip manchmal genannt wird.[7]

Die Ordnung aus dem Chaos ist ein ganz ähnliches Konzept wie Erwin Schrödingers »Ordnung aus Unordnung«, die hinter der Triebkraft der Dampfmaschinen steht. Aber das Lebendige ist anders. Zwar gibt es auch in lebenden Zellen eine Fülle ungeordneter Molekülbewegungen, die eigentliche Lebenstätigkeit ist aber eine genau koordinierte Bewegung von Elementarteilchen in Enzymen, Photosynthesesystemen, DNA und anderswo. Dem Leben wohnt auf mikroskopischer Ebene eine Ordnung inne; »Ordnung aus Chaos« kann also nicht die einzige Erklärung für die grundlegenden, charakteristischen Eigenschaften des Lebendigen sein. Das Leben gleicht eben nicht einer Dampfmaschine.

Forschungsarbeiten aus jüngster Zeit legen aber die Vermutung nahe, dass das Leben nach den Prinzipien einer Quantenversion der Dampfmaschine funktioniert.

Die Funktionsweise von Dampfmaschinen wurde erstmals im 19. Jahrhundert von dem Franzosen Sadi Carnot skizziert. Er war der Sohn von Napoleons Kriegsminister Lazare Carnot, der zuvor eine Stellung im Ingenieurkorps der Armee Ludwigs XVI. bekleidet hatte. Nach der Absetzung des Königs flüchtete Lazare Carnot im Gegensatz zu vielen seiner Aristokratenkollegen nicht aus dem Land, sondern er schloss sich der Revolution an; als Kriegsminister war er insbesondere für die Aufstellung der französischen Revolutionsarmee verantwortlich, die die preußische Invasion zurückschlug. Er war aber nicht nur ein ausgezeichneter Militärstratege, sondern auch Mathematiker, Liebhaber von Musik und Dichtung (seinen Sohn benannte er nach dem mittelalterlichen persischen Dichter Saadi) und Ingenieur: Er schrieb ein Buch über die Frage, wie Maschinen eine Energieform in eine andere umwandeln.

Sadi zeigte ebenfalls ein wenig vom revolutionären und nationalistischen Eifer seines Vaters: 1814, als Paris wieder einmal von den Preußen belagert wurde, beteiligte er sich als Student an der Verteidigung der Stadt. Außerdem hatte er einen ähnlichen technischen Verstand wie sein Vater, und er schrieb ein bemerkenswertes Buch mit dem Titel Réflexions sur la puissance motrice du feu (Betrachtungen über die bewegende Kraft des Feuers), das 1824 erschien und häufig als Ausgangspunkt für die Wissenschaft der Thermodynamik gilt.

Seine Anregung bezog Sadi Carnot aus der Konstruktion der Dampfmaschinen. Nach seiner Überzeugung war Frankreich in den napoleonischen Kriegen nur deshalb geschlagen worden, weil man sich nicht die Kraft des Dampfes zunutze gemacht hatte, um ähnlich wie in England eine Schwerindustrie aufzubauen. Die Dampfmaschine war zwar in England erfunden und mit Erfolg kommerziell eingesetzt worden, ihre Konstruktion war aber im Wesentlichen der Tüftelei und der Intuition des schottischen Erfinders James Watt und anderer Ingenieure zu verdanken. Eine theoretische Grundlage fehlte völlig. Carnot bemühte sich darum, diesen Mangel zu beheben, und beschrieb in mathematischen Begriffen, wie eine mit Wärme betriebene Maschine (wie etwa die, die eine Lokomotive antreibt) über einen Kreisprozess Arbeit verrichten kann; deshalb spricht man in diesem Zusammenhang bis heute vom Carnot-Prozess oder Carnot-Zyklus.

Der Carnot-Zyklus beschreibt, wie eine Wärmekraftmaschine Energie von einem heißen an einen kalten Ort überträgt und einen Teil dieser Energie nutzt, um nützliche Arbeit zu verrichten, bevor sie in den Ausgangszustand zurückkehrt. Eine Dampfmaschine überträgt beispielsweise Wärme von dem heißen Kessel auf den kühleren Kondensator und gewinnt dabei einen Teil der Wärmeenergie in Form von Dampf, der einen Kolben bewegen und damit die Räder einer Lokomotive antreiben kann. Das abgekühlte Wasser kehrt in den Kessel zurück, wo es in einer weiteren Runde des Carnot-Zyklus erneut aufgeheizt werden kann.

Das Prinzip des Carnot-Zyklus gilt für alle Maschinen, die Wärme nutzen, um Arbeit zu verrichten, von den Dampfmaschinen, die zur Triebkraft der industriellen Revolution wurden, bis zu dem Benzinmotor, der unser Auto antreibt, oder der elektrischen Pumpe, die unseren Kühlschrank kühlt. Wie Carnot zeigen konnte, hängt die Effizienz solcher Maschinen, ja sogar »jeder nur vorstellbaren Wärmemaschine«, wie er es formulierte, von wenigen Grundprinzipien ab. Außerdem bewies er, dass die Effizienz jeder klassischen Wärmekraftmaschine ein theoretisches Maximum, das heute als Carnot-Wirkungsgrad bezeichnet wird, nicht überschreiten kann. So hat beispielsweise ein Elektromotor, der mit 100 Watt elektrischer Energie eine mechanische Leistung von 25 Watt liefert, einen Wirkungsgrad von 25 Prozent: 75 Prozent der eingesetzten Energie gehen als Wärme verloren. Klassische Wärmekraftmaschinen sind nicht besonders effizient.

Die Prinzipien und die Einschränkungen der Carnot’schen Wärmekraftmaschinen haben einen außerordentlich großen Geltungsbereich: Man kann sie sogar auf die Photozellen anwenden, die auf den Hausdächern die Lichtenergie einfangen und in elektrischen Strom umwandeln. Das Gleiche gilt für die biologischen Photozellen in den Chloroplasten der Blätter, die wir in diesem Buch bereits beschrieben haben. Eine solche Quanten-Wärmekraftmaschine erfüllt eine ähnliche Aufgabe wie eine klassische Wärmekraftmaschine, aber die Funktion des Dampfes wird von Elektronen erfüllt, und Lichtphotonen treten an die Stelle der Wärmequelle. Die Elektronen nehmen zunächst Photonen auf und werden angeregt, so dass sie mehr Energie enthalten. Diese Energie können sie dann bei Bedarf wieder abgeben und damit nützliche chemische Arbeit verrichten. Die Idee geht auf die Arbeiten von Albert Einstein zurück und wurde später zum Grundprinzip für die Funktionsweise des Lasers. Dabei stellt sich nur das Problem, dass viele dieser Elektronen ihre Energie als Wärme abgeben, bevor sie die Gelegenheit haben, sie nutzbar zu machen. Damit hat auch eine solche Quanten-Wärmekraftmaschine nur einen begrenzten Wirkungsgrad.

Erinnern wir uns noch einmal an das Reaktionszentrum der Photosynthesekomplexe: Es ist der endgültige Bestimmungsort für die schwingenden Excitonen. Bisher haben wir uns auf den Prozess der Energieabgabe konzentriert; die eigentliche Photosynthesetätigkeit findet aber im Reaktionszentrum selbst statt. Dort wird die empfindliche Energie der Excitonen in die stabile chemische Energie der Elektronenüberträgermoleküle umgewandelt, mit deren Hilfe Pflanzen oder Mikroorganismen viele nützliche Tätigkeiten verrichten, darunter den Aufbau weiterer Pflanzen oder Mikroorganismen.

Was im Reaktionszentrum stattfindet, ist ebenso bemerkenswert wie der Transport der Excitonen, aber noch viel rätselhafter. Der chemische Prozess, durch den sich Elektronen zwischen Atomen hin und her bewegen, heißt Oxidation. Bei vielen Oxidationsvorgängen springen Elektronen aktiv von einem Atom (das dadurch oxidiert wird) zu einem anderen. Bei anderen jedoch, so beim Verbrennen von Kohle, Holz oder sonstigen Brennstoffen auf Kohlenstoffbasis, verteilen sich Elektronen, die anfangs ausschließlich zu einem Atom gehören, am Ende auf andere Atome: Der Elektronenspender erleidet unter dem Strich einen Elektronenverlust (genau wie wir unter dem Strich Schokolade verlieren, wenn wir unseren Schokoriegel mit anderen teilen). Wenn also Kohlenstoff an der Luft verbrennt, teilt er am Ende die Elektronen in seinen äußeren Umlaufbahnen mit dem Sauerstoff, so dass die Molekülbindungen des Kohlendioxids entstehen. Bei einer solchen Verbrennungsreaktion sind die äußeren Elektronen des Kohlenstoffs nur relativ locker gebunden, so dass sie sich leicht verteilen können. Im Photosynthese-Reaktionszentrum einer Pflanze oder eines Mikroorganismus dagegen dient Energie dazu, die Elektronen unmittelbar aus Wassermolekülen herauszuziehen, in denen sie eigentlich weitaus fester gebunden sind. Letztlich werden dabei zwei H_2O-Moleküle gespalten, und es entstehen ein O_2-Molekül, vier positiv geladene Wasserstoffionen und vier Elektronen. Da die Wassermoleküle also ihre Elektronen verlieren, ist das Reaktionszentrum der einzige Ort in der Natur, an dem Wasser oxidiert wird.

Im Jahr 2011 beschrieb der amerikanische Physiker Marlan Scully, der derzeit als Professor sowohl an der Texas A&M University als auch in Princeton tätig ist, zusammen mit Kollegen von mehreren US-Universitäten einen klugen Weg zum Bau einer hypothetischen Quanten-Wärmekraftmaschine, mit der man die Wirkungsgradbeschränkungen der Standard-Quantenmaschine überwinden könnte.[8] Zu diesem Zweck wird das molekulare Rauschen genutzt, um ein Elektron in eine Superposition zweier gleichzeitiger Energiezustände zu bringen. Wenn dieses Elektron dann die Energie eines Photons aufnimmt und »angeregt« wird, bleibt es in der Superposition zweier (jetzt höherer) Energiezustände. Damit vermindert sich dank der Kohärenz der beiden Energiezustände die Wahrscheinlichkeit, dass das Elektron in den ursprünglichen Zustand zurückfällt und dabei seine Energie als Abwärme verliert – das Ganze ähnelt dem Beispiel mit dem in Kapitel 4 beschriebenen Interferenzmuster im Doppelspaltexperiment. Dort werden bestimmte Positionen auf dem hinteren Schirm, die das Atom bei nur einem geöffneten Spalt erreichen kann, durch destruktive Interferenz unzugänglich, wenn beide Spalte offen sind. Hier stimmt das feine Zusammenspiel zwischen molekularem Rauschen und Quantenkohärenz eine Quanten-Wärmekraftmaschine so ab, dass die ineffiziente Vergeudung thermischer Energie sich vermindert und damit der Wirkungsgrad über die Carnot-Grenze hinaus steigt.

Aber ist eine solche feine Abstimmung auf der Quantenebene möglich? Dazu müsste man im subatomaren Maßstab sowohl die Position als auch den Energiegehalt einzelner Elektronen so einstellen, dass sie genau das richtige Ausmaß an Interferenz zeigen – nur dann verstärkt sich der Energiefluss auf den effizienten Wegen, während er sich auf den verschwenderischen vermindert. Darüber hinaus müsste man das molekulare weiße Rauschen in der Umgebung so abstimmen, dass es die aus dem Takt geratenen Elektronen in den gleichen Rhythmus zurückholt; das darf aber nicht zu heftig geschehen, sonst werden sie in andere Rhythmen gestoßen, und die Kohärenz geht verloren. Gibt es im Universum irgendeinen Ort, an dem wir mit einem derart fein abgestimmten Maß an molekularer Ordnung rechnen können, so dass dort die subtilen Quanteneffekte in der subatomaren Welt nutzbar werden?

Scullys 2011 erschienener Artikel war ausschließlich theoretischer Natur. Bisher hat niemand eine Quanten-Wärmekraftmaschine gebaut, die den erwarteten, über das Carnot-Maß hinausgehenden Wärmeüberschuss nutzen kann. Allerdings wies die gleiche Arbeitsgruppe in einem weiteren, 2013 erschienenen Artikel auf eine seltsame Tatsache im Zusammenhang mit den Reaktionszentren der Photosynthese hin.[9] Alle diese Zentren sind nicht mit einem einzelnen Chlorophyllmolekül ausgestattet, das als einfache quantenmechanische Wärmekraftmaschine wirken könnte, sondern mit zwei Chlorophyllmolekülen, die als spezielles Paar bezeichnet werden.

Die beiden Chlorophyllmoleküle dieses speziellen Paars sind zwar identisch gebaut, aber in dem Proteingerüst in unterschiedliche Umgebungen eingebettet, so dass sie mit geringfügig unterschiedlicher Frequenz schwingen – sie sind nicht ganz genau gestimmt. In dem zweiten Artikel weisen Scully und seine Kollegen darauf hin, dass eine solche Struktur die Reaktionszentren der Photosynthese genau mit der molekularen Architektur ausstattet, die für eine Funktion als quantenmechanische Wärmekraftmaschine notwendig ist. Wie die Wissenschaftler zeigen konnten, ist das spezielle Paar des Chlorophylls offensichtlich darauf abgestimmt, mit Hilfe der Quanteninterferenz ineffiziente Wege der Energieverschwendung zu blockieren und dem Akzeptormolekül die Energie mit einer Effizienz zu liefern, die um 18 bis 27 Prozent über der vor nahezu 200 Jahren von Carnot entdeckten Grenze liegt. Das mag sich nicht nach einem großen Unterschied anhören, solange man nicht bedenkt, dass der weltweite Energieverbrauch nach den derzeitigen Schätzungen von 2010 bis 2040 um etwa 56 Prozent wachsen wird: Dann scheint die Entwicklung einer Technologie, mit der man die Energieeffizienz um einen vergleichbaren Betrag steigern könnte, auf einmal von höchster Wichtigkeit zu sein.

Dieser außergewöhnliche Befund ist wieder einmal ein bemerkenswertes Beispiel dafür, wie Lebewesen, deren Wurzeln in der Welt der Quanten liegen, offensichtlich über Fähigkeiten verfügen, die unbelebten makroskopischen Maschinen verwehrt bleiben. Damit ein solches Szenario funktioniert, ist natürlich die Quantenkohärenz notwendig. Einem anderen Artikel zufolge, der im Juli 2014 erschien, konnte eine Arbeitsgruppe aus niederländischen, schwedischen und russischen Forschern Quantenschwebungen im Reaktionszentrum des pflanzlichen Photosystems II[3] nachweisen und behauptete dann, diese Zentren würden als »für Quanten konstruierte Lichtfallen« dienen.[10] Und wie bereits erwähnt, sind die Reaktionszentren der Photosynthese in der Evolution vor zwei bis drei Milliarden Jahren entstanden. Fast während der gesamten Geschichte unseres Planeten nutzten Pflanzen und Mikroorganismen also offenbar quantenverstärkte Wärmekraftmaschinen und damit ein so komplexes, cleveres Prinzip, dass es uns bis heute nicht gelungen ist, es künstlich nachzuvollziehen. Sie pumpten damit Energie in den Kohlenstoff und stellten die gesamte Biomasse her, aus der Mikroorganismen, Pflanzen und Tiere bestehen – und natürlich auch wir selbst. Auch wir nutzen die Quantenenergie früherer Zeiten in Form fossiler Brennstoffe, die unsere Häuser wärmen, unsere Autos antreiben und die Grundlage für den größten Teil der heutigen Industrie bilden. Wenn wir mit unserer modernen Technologie von der uralten natürlichen Quantentechnologie lernen, können sich daraus gewaltige Nutzeffekte ergeben.

In der Photosynthese wird also das Rauschen anscheinend dazu genutzt, die Effizienz des Excitonentransports zum Reaktionszentrum zu steigern und die Sonnenenergie einzufangen, sobald sie im Reaktionszentrum ankommt. Aber diese Fähigkeit, aus der molekularen Not – dem Rauschen – eine quantenmechanische Tugend zu machen, beschränkt sich nicht auf die Photosynthese. Im Jahr 2013 ersetzte die Arbeitsgruppe von Nigel Scrutton an der Universität Manchester – das Team, das mit den in Kapitel 3 beschriebenen Experimenten den Protonen-Tunneleffekt in Enzymen studierte – die normalen Atome in einem Enzym durch schwerere Isotope. Der Austausch der Isotope führte dazu, dass die molekularen Sprungfedern des Proteins schwerer wurden und ihre Vibrationen – das farbige Rauschen – andere Frequenzen annahmen. Nach den Befunden der Wissenschaftler waren der Protonen-Tunneleffekt und die Enzymaktivität in dem schwereren Enzym beeinträchtigt.[11] Man kann also vermuten, dass die metronomähnlichen Schwingungen des Protein-Rückgrats im normalen Zustand mit den natürlichen, leichteren Isotopen zu Tunneleffekt und Enzymaktivität beitragen. Zu ähnlichen Ergebnissen mit anderen Enzymen gelangte auch die Arbeitsgruppe von Judith Klinman an der University of California.[12] Das Rauschen lenkt also nicht nur die Photosynthese, sondern es ist offenbar auch an der Verstärkung von Enzymwirkungen beteiligt. Und wie gesagt: Enzyme sind die Motoren des Lebens, die jedes einzelne Molekül in jeder Zelle jedes Lebewesens auf unserem Planeten erzeugt haben. Gute Vibrationen dürften also entscheidend dazu beitragen, uns alle am Leben zu erhalten.

Leben am quantenmechanischen Rand eines klassischen Sturms

Schiff auf See: Ungewitter mit Donner und Blitz

William Shakespeare,
Der Sturm (Regieanweisung zur Eröffnung)

Liefern solche Befunde in irgendeiner Form eine Antwort auf die Frage nach der Natur des Lebens, die Schrödinger vor Jahrzehnten stellte? Wir haben uns bereits seiner Erkenntnis angeschlossen, dass Leben ein von Ordnung beherrschtes System ist, wobei sich die Ordnung von ganz oben bis ganz unten erstreckt, von den hochorganisierten Organismen durch den stürmischen thermodynamischen Ozean bis hinab zum Quantenfundament (Abbildung 10.1). Und was dabei entscheidend ist: Die Dynamik des Lebens befindet sich in einem fein ausbalancierten Gleichgewicht, so dass Ereignisse auf der Quantenebene sich in der makroskopischen Welt auswirken können, genau wie Pascual Jordan es schon in den 1930er Jahren prophezeite. Dieses makroskopische Ansprechen auf den Quantenbereich ist eine einzigartige Eigenschaft des Lebendigen und erlaubt es ihm, potentiell Phänomene auf der Quantenebene wie Tunneleffekte, Kohärenz und Verschränkung zu nutzen. Das ist für uns alle von Bedeutung.

Aber – und das ist ein großes Aber – eine solche Nutzung der Quantenwelt ist nur dann möglich, wenn die Dekohärenz in Schach gehalten werden kann. Ansonsten verliert das System seinen Quantencharakter und verhält sich ganz und gar klassisch oder thermodynamisch, das heißt, es funktioniert nach den Regeln der »Ordnung aus Unordnung«. Wissenschaftler wehren die Dekohärenz ab, indem sie ihre Quantenreaktionen vor aufdringlichem »Rauschen« schützen. Wie wir in diesem Kapitel erfahren haben, hat sich das Lebendige offenbar eine ganz andere Strategie zu eigen gemacht. Statt zu verhindern, dass das Rauschen die Kohärenz stört, nutzt es das Rauschen, um die Verbindung zur Quantenwelt aufrechtzuerhalten. In Kapitel 6 haben wir uns das Leben als Granitblock vorgestellt, der so fein ausbalanciert ist, dass er durch Ereignisse auf der Quantenebene beeinflusst wird. Aus Gründen, die wir in Kürze genauer erläutern werden, wechseln wir jetzt die Metapher und ersetzen unseren Granitblock durch ein großes Segelschiff.

Zu Beginn liegt unser imaginäres Segelschiff im Trockendock, wo es genau ausbalanciert auf einem schmalen Kiel aus einzelnen, sorgfältig aufgereihten Atomen ruht. In diesem gefährlich wackeligen Zustand reagiert unser Schiff wie eine lebende Zelle auf Ereignisse auf der Quantenebene, die in den Atomen seines Kiels stattfinden. Der Tunneleffekt eines Protons, die Anregung eines Elektrons oder die Verschränkung eines Atoms – all das kann sich auf das ganze Schiff auswirken, vielleicht weil sich dadurch seine empfindliche Balance im Trockendock ändert. Weiter stellen wir uns aber vor, dass der Kapitän kluge, überraschende Wege gefunden hat, um die heiklen Quantenphänomene wie Kohärenz, Tunneleffekt, Superposition oder Verschränkung zu nutzen, um mit dem Schiff zu navigieren, sobald es die Segel gesetzt hat.

Aber wie gesagt: Noch liegt das Schiff im Trockendock und fährt nirgendwohin. Und auch wenn es in seinem empfindlich ausbalancierten Zustand potentiell Phänomene auf der Quantenebene ausnutzen kann, ist es mit seiner wackeligen Stellung durch den kleinsten nur vorstellbaren Windstoß gefährdet – es muss vielleicht nur von einem einzigen Luftmolekül berührt werden, und schon kippt das ganze Schiff um. Das Problem, die aufrechte Position des Schiffes und damit auch seine Empfindlichkeit gegenüber den Quantenereignissen im Kiel zu bewahren, würde ein Ingenieur dadurch lösen, dass er das Schiff in eine luftdichte Kiste einschließt und die gesamte Luft herauspumpt, damit kein verirrtes Billardkugelmolekül es stören kann. Außerdem würde der Ingenieur das ganze System bis dicht über den absoluten Nullpunkt herunterkühlen, so dass nicht einmal Molekülschwingungen das empfindliche Gleichgewicht stören. Ein erfahrener Kapitän dagegen weiß, dass es noch eine andere Möglichkeit gibt, das Schiff aufrecht zu halten: Man muss es in turbulente thermodynamische Gewässer entlassen.

Dass ein Schiff im Wasser leichter eine aufrechte Position beibehält als an Land, halten wir für selbstverständlich, aber wenn wir unter molekularen Gesichtspunkten darüber nachdenken, liegt der Grund für die größere Stabilität nicht sofort auf der Hand. Wir haben gerade gesagt, ein Ingenieur werde ein Schiff mit schmalem Kiel im Trockendock dadurch aufrecht halten, dass er es vor allen potentiellen Beeinträchtigungen durch verirrte Atome oder Moleküle schützt. Aber ist nicht das Meer voller streunender Atome und Moleküle, die nach dem Zufallsprinzip gegeneinander und gegen den Kiel jedes Schiffes stoßen wie die Billardkugeln, mit denen wir uns in Kapitel 2 beschäftigt haben? Wie kommt es, dass das fein ausbalancierte Schiff an Land durch winzige Stöße zum Umkippen gebracht werden kann, während dies im Wasser nicht der Fall ist?

Mit der Antwort sind wir wieder bei den von Schrödinger beschriebenen Regeln der »Ordnung aus Unordnung«. Das Schiff wird tatsächlich auf der Steuer- und der Backbordseite von Billionen Molekülstößen getroffen. Natürlich balanciert es jetzt nicht mehr auf seinem ultradünnen Kiel, sondern es wird durch den Auftrieb des Wassers getragen, und da von beiden Seiten so viele Stöße auf das Schiff treffen, ist die durchschnittliche Kraft an Bug und Heck oder auf Back- und Steuerbord die gleiche. Schwimmende Schiffe fallen nicht um, weil sie durch Billionen zufälliger Molekülstöße aufrecht gehalten werden: Ordnung (die senkrechte Lage des Schiffes) erwächst aus Unordnung (den Billionen zufälligen Billardkugel-Molekülstößen).

Aber natürlich kann ein Schiff sogar auf hoher See kentern. Stellen wir uns vor, der Kapitän hätte sein Schiff in einem stürmischen Meer zu Wasser gelassen, aber das Segel noch nicht gesetzt. Die Wellen, die das Schiff treffen, sind nun gar nicht mehr besonders zufällig, sondern große Wogen, die von der einen oder anderen Seite heranrollen, und können das instabile Schiff leicht umwerfen. Unser kluger Kapitän weiß aber, wie er die Stabilität seines Schiffes verbessern kann: Er lässt die Segel setzen, so dass er die Kraft des Windes nutzen kann, um das Schiff in der Senkrechten zu halten (Abbildung 10.2).

Abb. 10.2: Das Leben steuert auf der Grenze zwischen klassischer und quantenmechanischer Welt. Die lebende Zelle gleicht einem Schiff, dessen schmaler Kiel bis in die Quantenebene der Realität hinabreicht und deshalb Quantenphänomene wie Tunneleffekt oder Verschränkung nutzbar machen kann, um am Leben zu bleiben. Lebende Zellen müssen die Verbindung zum Quantenbereich aktiv aufrechterhalten; der thermodynamische Sturm – das molekulare Rauschen – zerstört dabei die Quantenkohärenz nicht, sondern wird genutzt, um sie aufrechtzuerhalten.

Auch diese Vorgehensweise mag auf den ersten Blick widersprüchlich erscheinen. Man könnte damit rechnen, dass die Unwägbarkeiten des Windes und unberechenbare Böen durch ihr Zusammenwirken ein bereits instabiles Schiff ebenfalls umstürzen könnten, statt es zu stabilisieren – insbesondere da sie nicht zufällig wehen, sondern in der Regel auf eine Seite des Schiffes mit größerer Kraft einwirken als auf die andere. Aber der Kapitän weiß, wie er den Winkel von Segel und Steuerruder einstellen muss, damit die Wirkung von Wind und Strömung den Böen entgegenwirkt und jeder Druck auf die eine oder andere Seite ausgeglichen wird. Auf diese Weise kann er den rundherum tobenden Sturm nutzen, um sein Schiff aufrecht zu halten.

Das Leben, so scheint es, gleicht dem metaphorischen Schiff: Es segelt mit einem klugen Kapitän an Bord durch stürmische klassische Gewässer. Das genetische Programm, das in nahezu vier Milliarden Jahren der Evolution fein abgestimmt wurde, kann durch die vielfältigen Tiefen der quantenmechanischen und klassischen Bereiche navigieren. Statt sich vor den Stürmen zu verstecken, nimmt das Leben sie an und nutzt ihre molekularen Winde und Böen, die seine Segel füllen und das Schiff aufrecht halten, so dass sein schmaler Kiel die thermodynamischen Gewässer durchdringt und mit der Welt der Quanten in Verbindung tritt (Abbildung 10.2). Seine tiefen Wurzeln erlauben es dem Lebendigen, jene seltsamen Phänomene auszunutzen, die sich am Rand der Quantenwelt zeigen.

Verschafft uns dies neue Antworten auf die Frage, was Leben eigentlich ist? Nun ja, es gibt noch eine weitere Vermutung, und wir weisen ausdrücklich darauf hin, dass es sich wirklich um Spekulationen handelt. Aber nachdem wir schon einen so weiten Weg hinter uns gebracht haben, können wir der Versuchung nicht widerstehen. Erinnern wir uns noch einmal an das Thema, das wir in Kapitel 2 im Zusammenhang mit dem Unterschied zwischen Belebtem und Unbelebtem angesprochen haben – an den Unterschied, den unsere Vorväter als »Seele« bezeichneten. Der Tod, so glaubten sie, besteht darin, dass die Seele den Körper verlässt. Die mechanistische Philosophie eines Descartes verbannte den Vitalismus und verwarf zumindest bei Pflanzen und Tieren auch die Seele, aber der Unterschied zwischen den Lebenden und den Toten blieb dennoch rätselhaft. Können wir mit unseren neuen Kenntnissen über das Leben einen quantenmechanischen Lebensfunken an die Stelle der Seele stellen? Vielen wird es schon verdächtig vorkommen, dass wir diese Frage überhaupt stellen und damit die Grenzen der konventionellen Wissenschaft über den Bereich der Glaubwürdigkeit hinaus in den der Pseudowissenschaft oder sogar einer Art Spiritualität verschieben. Das ist hier aber nicht unsere Absicht. Wir möchten vielmehr eine Idee anbieten, die, so unsere Hoffnung, mystische und metaphysische Spekulationen zumindest durch ein Körnchen naturwissenschaftlicher Theorie ersetzen kann.

In Kapitel 2 haben wir die Fähigkeit des Lebendigen, seinen hochgeordneten Zustand aufrechtzuerhalten, mit einer Vorrichtung an einem Billardtisch verglichen, die ein Dreieck aus Kugeln in der Mitte des Tisches erhält, in dem sie Kugeln, die durch Kollisionen mit anderen Kugeln in einem »thermodynamischen« System von ihrem Platz gestoßen werden, erkennt und ersetzt. Nachdem wir jetzt mehr darüber wissen, wie das Leben funktioniert, sehen wir, dass seine Selbsterhaltung dem komplexen molekularen Apparat aus Enzymen, Pigmenten, DNA, RNA und anderen Biomolekülen zu verdanken ist, deren Eigenschaften zum Teil von quantenmechanischen Phänomenen wie Tunneleffekt, Kohärenz und Verschränkung abhängen.

Die in diesem Kapitel beschriebenen Befunde aus jüngerer Zeit legen die Vermutung nahe, dass manche der vielfältigen, durch Quanteneffekte verstärkten Aktivitäten oder vielleicht sogar alle – die wir uns vorstellen können wie die Aktivitäten auf dem belebten Deck unseres Schiffes – durch die bemerkenswerte Fähigkeit des Lebendigen aufrechterhalten werden, sich thermodynamische Stürme und Böen zunutze zu machen, um die Verbindung mit dem tieferliegenden Bereich der Quantenmechanik zu bewahren. Aber was geschieht, wenn der thermodynamische Sturm zu stark weht und metaphorisch den Mast des Schiffes brechen lässt? Sobald die ihres Segels beraubte Zelle nicht mehr in der Lage ist, sich die thermodynamischen Böen – das weiße und farbige Rauschen – zunutze zu machen und sich nicht mehr aufrecht halten kann, wird sie von den Wellen und Wogen in ihrem Inneren hin und her gestoßen; unser metaphorisches Schiff stampft und rollt, und am Ende geht seine Verbindung mit dem geordneten Bereich der Quanten verloren (Abbildung 10.3). Ohne diese Verbindung können Kohärenz, Verschränkung, Tunneleffekt oder Superposition das makroskopische Verhalten der Zelle nicht mehr beeinflussen, so dass die von den Quanten abgekoppelte Zelle im turbulenten thermodynamischen Wasser versinkt und zu einem ganz und gar klassischen Objekt wird. Wenn ein Schiff einmal gesunken ist, wird kein Sturm es wieder schwimmen lassen; und wenn ein Lebewesen einmal vom stürmischen Ozean der Molekülbewegungen erfasst wurde, kann vermutlich auch kein Sturm seine Verbindung zu der Welt der Quanten wiederherstellen.

Abb. 10.3: Vielleicht geht im Tod die Verbindung des Lebewesens zum geordneten Quantenbereich verloren, so dass es den Zufallskräften der Thermodynamik schutzlos ausgesetzt ist.

Können wir die Quantenbiologie für eine neue Technologie des Lebendigen nutzen?

Stürme können ein gesunkenes Schiff nicht wieder zum Schwimmen bringen, Menschen aber sind dazu in der Lage. Mit ihrem Erfindungsreichtum können sie viel mehr erreichen als zufällige Kräfte. Wie wir in Kapitel 9 erörtert haben, ist die Wahrscheinlichkeit, dass ein Wirbelsturm geistlos durch einen Schrottplatz fegt und rein zufällig einen Jumbojet zusammensetzt, verschwindend gering. Aber Luftfahrtingenieure können Flugzeuge bauen. Können wir auch Lebewesen zusammensetzen? Wie wir an mehreren Stellen in diesem Buch deutlich gemacht haben, ist es bisher noch niemandem gelungen, Leben aus unbelebten Chemikalien herzustellen. Nach dem berühmten Bonmot von Richard Feynman bedeutet das, dass wir das Phänomen des Lebens nicht vollständig verstehen. Aber vielleicht können unsere neugewonnenen Erkenntnisse aus der Quantenbiologie uns die Mittel an die Hand geben, um neues Leben zu erschaffen und vielleicht sogar eine revolutionäre Technologie des Lebendigen aufzubauen.

Die Technologie des Lebendigen ist uns natürlich vertraut. Auf eine ihrer Formen, die Landwirtschaft, sind wir angewiesen, um unsere Lebensmittel zu erzeugen. Aber wir nutzen auch andere Produkte aus der Palette der Technologie des Lebendigen, wie zum Beispiel Brot, Käse, Bier und Wein, die von Hefe und Bakterien aus Mehl, Milch, Getreide und Fruchtsäften hergestellt wurden. Auf ähnliche Weise profitiert unsere moderne Welt auch von der Nutzung der unbelebten Produkte einstmals lebender Zellen, so der Enzyme, mit denen Mary Schweitzer die Dinosaurierknochen abbaute. Ganz ähnliche Enzyme benutzt man, um Naturfasern zu zerkleinern und den Stoff für Kleidungsstücke herzustellen, oder sie werden biologischen Waschmitteln zugesetzt, mit denen wir diese Kleidungsstücke reinigen. Die milliardenschweren Unternehmen der Biotechnologie und der Pharmaindustrie produzieren Hunderte von Naturprodukten, darunter die Antibiotika, die uns vor Infektionen schützen. Die Energiebranche nutzt die Fähigkeit von Mikroorganismen, überschüssige Biomasse in Biotreibstoffe umzuwandeln, und viele Materialien, auf die wir im modernen Leben zurückgreifen, wie Bauholz und Papier, waren früher ebenso lebendig wie die fossilen Brennstoffe, mit denen wir unsere Häuser heizen und unsere Autos antreiben. Selbst im 21. Jahrhundert sind wir also nach wie vor stark von der jahrtausendealten Technologie des Lebendigen abhängig. Wer noch Zweifel hat, sollte einmal The Road (Die Straße) von Cormac McCarthy lesen, einen Horrorroman über die düstere Welt, die uns bleiben würde, wenn wir achtlos unsere Technologie des Lebendigen zerstören.

Die vorhandene Biotechnologie hat allerdings ihre Grenzen. Wie wir gehört haben, laufen manche Schritte der Photosynthese mit außerordentlich hoher Effizienz ab, aber für die meisten anderen gilt das nicht, und insgesamt wird Sonnenenergie nur mit außerordentlich geringer Effizienz in chemische Energie umgewandelt, die wir in der Landwirtschaft ernten können. Das liegt daran, dass Pflanzen und Mikroorganismen ganz andere Ziele haben als wir: Sie verwenden Ressourcen auf die Herstellung von Blüten und Samen, die für das Einfangen der Energie nicht unbedingt notwendig sind, wohl aber für ihr eigenes Überleben. Ähnlich die Mikroorganismen, die Antibiotika, Enzyme oder pharmazeutische Wirkstoffe produzieren: Hier läuft die Herstellung äußerst verschwenderisch ab, weil ihre von der Evolution vorgegebenen Ziele sie zwingen, eine Menge unnötiger Dinge herzustellen, beispielsweise neue Mikroorganismenzellen.

Können wir das Leben so verändern, dass es sich nach unseren Vorgaben richtet? Natürlich sind wir dazu in der Lage: Schon heute profitieren wir gewaltig davon, dass es Menschen gelungen ist, wilde Pflanzen und Tiere in domestizierte Nutzpflanzen und Nutztiere zu verwandeln, die für die Nutzung durch den Menschen optimiert sind. Der Prozess der künstlichen Selektion, durch den wir uns Pflanzen mit größeren Samen oder zahme, für die Landwirtschaft geeignete Tiere verschafft haben, ist zwar höchst erfolgreich, er hat aber auch seine Grenzen. Wir können nichts selektionieren, was die Natur nicht bereits vorgefertigt hat. So werden beispielsweise jedes Jahr Milliarden für Düngemittel ausgegeben, die im Boden den durch intensive Landwirtschaft aufgebrauchten Stickstoff ersetzen. Aber Nutzpflanzen aus der Gruppe der Leguminosen wie Erbsen oder Linsen brauchen keinen Stickstoffdünger. In ihren Wurzeln leben Bakterien, die das Gas unmittelbar aus der Luft einfangen. Die Landwirtschaft wäre wesentlich effizienter, wenn wir künstlich Getreidepflanzen herstellen könnten, die wie Erbsen ihren eigenen Stickstoff fixieren. Aber diese Fähigkeit hat sich in der Evolution bei keiner einzigen Getreideart entwickelt.

Dennoch kann man auch diese Einschränkung zumindest teilweise überwinden. Ende des 20. Jahrhunderts nahm die Gentechnik, die genetische Manipulation von Pflanzen, Mikroorganismen und auch Tieren, einen großen Aufschwung. Heute stammen die Erntemengen wichtiger Nutzpflanzen wie der Sojabohnen zum größten Teil von gentechnisch veränderten Pflanzen, die gegen Krankheiten oder Herbizide resistent sind, und man bemüht sich auch, Gene für die Stickstofffixierung in Getreidepflanzen einzuschleusen. Auch in der Biotechnologiebranche greift man häufig auf gentechnisch veränderte Mikroorganismen zurück, um Antibiotika und andere pharmazeutische Wirkstoffe zu produzieren.

Aber auch hier gibt es wieder Grenzen. Mit den Methoden der Gentechnik verschiebt man meist Gene von einer Spezies in eine andere. Die Reispflanze beispielsweise produziert Vitamin A (Betacarotin) in ihren Blättern, aber nicht in den Samen; deshalb ist das Vitamin in dem Grundnahrungsmittel, von dem sich die Menschen in vielen Entwicklungsländern ernähren, kaum enthalten. Vitamin A ist aber für unser Immunsystem und das Sehvermögen unentbehrlich; deshalb führt Vitamin-A-Mangel in den ärmsten, von Reis abhängigen Regionen der Welt dazu, dass jedes Jahr Millionen Kinder an Infektionen sterben oder blind werden. In den 1990er Jahren schleusten Peter Beyer von der Universität Freiburg und Ingo Potrykus von der Eidgenössischen Technischen Hochschule in Zürich mit gentechnischen Methoden zwei Gene für die Herstellung von Vitamin A in das Reisgenom ein; das eine stammte von Narzissen, das andere von einer Mikroorganismenart. Beide sorgten dafür, dass der so veränderte Reis in seinen Samen große Mengen Vitamin A produzierte. Der Goldene Reis, wie Beyer ihn wegen der gelben Farbe seiner Samen nannte, liefert heute für Kinder den größten Teil des Vitamin-A-Tagesbedarfs. Aber auch wenn die Gentechnik eine sehr erfolgreiche Technologie ist, bastelt sie am Leben eigentlich nur herum. Die neue Wissenschaft der synthetischen Biologie zielt darauf ab, ganz neue Lebensformen zu konstruieren und damit eine wahrhaft revolutionäre Technologie des Lebendigen zu schaffen.

In der synthetischen Biologie gibt es zwei einander ergänzende Ansätze. Die »Top-down«-Methode haben wir bereits im Zusammenhang mit den »synthetischen Lebensformen« kennengelernt, die der Genomsequenzierungspionier Craig Venter konstruierte: Er tauschte das Genom eines Bakteriums aus der Gruppe der Mycoplasmen gegen eine chemisch synthetisierte Version aus. Durch diesen Austausch konnte seine Arbeitsgruppe relativ geringfügige Abwandlungen im Mycoplasma-Genom vornehmen. Aber es war immer noch ein Mycoplasma: Radikale Veränderungen in den biologischen Eigenschaften des Bakteriums gab es nicht. Für die kommenden Jahre plant Venters Team tiefgreifende Abwandlungen; aber auch diese werden Schritt für Schritt in dem Top-down-Verfahren der synthetischen Biologie stattfinden. Die Arbeitsgruppe schafft kein neues Leben, sondern sie wandelt bereits vorhandenes Leben ab.

Der zweite Ansatz beruht auf dem Prinzip »Bottom-up« und ist weitaus radikaler: Hier modifiziert man keine bereits vorhandenen Lebewesen, sondern man will aus unbelebten Chemikalien ganz neue Lebensformen zusammensetzen. Viele Menschen würden ein solches Vorhaben für gefährlich oder sogar für ein Sakrileg halten. Ist es überhaupt machbar? Nun ja, Lebewesen wie wir Menschen sind außerordentlich komplizierte Maschinen. Wie jede Maschine kann man sie zerlegen und so ihre Konstruktionsprinzipien aufdecken; und anschließend kann man diese Konstruktionsprinzipien nutzen, um noch bessere Maschinen zu bauen.

Leben, von Grund auf neu gebaut

Die Anhänger des Bottom-up-Ansatzes träumen davon, ganz neue Lebensformen herzustellen, die unsere Welt verändern könnten. Architekten beispielsweise beschäftigen sich heute stark mit dem Begriff der Nachhaltigkeit: nachhaltige Häuser, Büros, Fabriken und Städte. Aber auch wenn moderne Gebäude oder Städte heute häufig als nachhaltig bezeichnet werden, sind sie vorwiegend auf die Tätigkeit und die Fähigkeiten wahrhaft nachhaltiger Lebewesen angewiesen, nämlich der Menschen, die sie in Schuss halten: Wenn ein Sturm die Ziegel vom Dach weht, bestellen wir den Dachdecker, der hinaufklettert und sie ersetzt. Wenn unsere Wasserleitung undicht ist, bestellen wir den Installateur, und wenn unser Auto eine Panne hat, müssen wir es in die Werkstatt schleppen lassen. All diese manuelle Instandhaltung ist notwendig, damit die Schäden repariert werden, die das von Wind, Regen und anderen Umwelteinflüssen verursachte billardkugelähnliche molekulare Stoßen anrichtet.

Bei Lebewesen ist das anders: Unser Körper hält sich selbst instand, indem er geschädigtes oder abgenutztes Gewebe erneuert, ersetzt und repariert. Solange wir leben, sind wir wahrhaft nachhaltig. Die moderne Architektur hat in den letzten Jahren verstärkt versucht, bestimmte Eigenschaften des Lebendigen in vielen Vorzeigebauwerken nachzuahmen. Der auch als »The Gherkin« (»Die Gurke«) bezeichnete Wolkenkratzer von Norman Foster zum Beispiel, der seit 2003 die Londoner Skyline bereichert, besitzt eine sechseckige Außenhaut, für die der Gießkannenschwamm die Anregung lieferte. Sie verteilt sehr effizient die Belastungen im Gebäude. Im Eastgate Centre in Harare (Zimbabwe) ahmte der Architekt Mick Pearce für Lüftung und Kühlung die Luftkanalsysteme von Termitenhügeln nach. Eine noch kühnere Vision hat Rachel Armstrong, die Mitdirektorin der Architektur-Forschungsgruppe AVATAR an der University of Greenwich: Sie malt sich wirklich nachhaltige Gebäude mit einer wahrhaft biometrischen Architektur aus. Zusammen mit mehreren anderen visionären Architekten träumt sie davon, Gebäude aus künstlichen lebenden Zellen zu errichten, die in der Lage sind, sich selbst zu erhalten, zu reparieren und sogar zu vermehren.[13] Würde ein solches lebendes Bauwerk durch Wind, Regen oder Überschwemmungen beschädigt, könnte es wie ein Lebewesen den Schaden wahrnehmen und sich selbst reparieren.

Armstrongs Ideen lassen sich auch auf andere synthetische Bestandteile unseres Lebensumfeldes übertragen. Mit lebendem Material könnte man beispielsweise Prothesen konstruieren, künstliche Gliedmaßen oder Gelenke, die sich genau wie lebendes Gewebe selbst reparieren und gegen Angriffe von Mikroorganismen verteidigen. Man könnte künstliche Lebensformen sogar in den menschlichen Organismus injizieren, damit sie beispielsweise Krebszellen suchen und zerstören. Pharmazeutische Wirkstoffe, Brennstoffe und Lebensmittel könnte man aus maßgeschneiderten synthetischen Lebensformen herstellen, die nicht durch eine Evolutionsvergangenheit vorbelastet sind. Weiter in der Zukunft liegt die Science-Fiction-Vision von lebenden Robotern, Androiden, die in der Gesellschaft niedere Arbeiten übernehmen oder auch den Mars erdähnlich gestalten könnten, so dass er für Menschen bewohnbar wird; träumen könnte man auch von der Konstruktion lebender Raumschiffe, die unsere Galaxis erkunden.

Die Idee, synthetische Lebensformen von Grund auf neu zu konstruieren, lässt sich bis auf den Anfang des 20. Jahrhunderts zurückverfolgen. Damals schrieb der französische Biologe Stéphane Ludec: »Wie die synthetische Chemie, die mit der künstlichen Herstellung der einfachsten organischen Produkte begann, so muss auch die biologische Synthese sich zunächst mit der Herstellung von Formen zufriedengeben, die denen der niedersten Lebewesen ähneln.«[14] Wie wir in Kapitel 9 beschrieben haben, sind selbst die »niedersten« heutigen Lebewesen außerordentlich komplex gebaute Bakterien, die aus Tausenden von Teilen bestehen und sich derzeit nicht durch irgendein denkbares Bottom-up-Verfahren herstellen lassen. Das Leben muss von etwas viel Einfacherem als einem Bakterium ausgegangen sein. Von den derzeit vernünftigsten Vermutungen war in dem genannten Kapitel die Rede: Danach handelte es sich bei unseren allerersten Vorfahren um Moleküle einer sich selbst replizierenden, enzymatisch aktiven RNA (Ribozyme) oder um ein Protein, das in irgendeinem kleinen Bläschen eingeschlossen wurde und eine sich selbst verdoppelnde, einfache Zellstruktur bildete, eine Protozelle. Wie die ersten Protozellen – falls es sie überhaupt gab – beschaffen waren, ist keineswegs klar. Viele Wissenschaftler vermuten, dass sie in mikroskopisch kleinen Gesteinsporen Schutz fanden, so auch in dem Gestein von Isua, das wir in Kapitel 9 kennengelernt haben: Es war voller einfacher biochemischer Verbindungen, die das Leben unterstützen können. Andere glauben, sie seien Blasen oder Tröpfchen aus biochemischen Substanzen gewesen, die durch irgendeine Art Membran abgetrennt waren und im Urozean schwammen.

Die meisten Anhänger eines Bottom-up-Ansatzes der synthetischen Biologie beziehen ihre Anregung aus Theorien über den Ursprung des Lebens und bemühen sich, künstliche, lebende Protozellen zu bauen, die durch einen im Labor angelegten Urozean schwimmen. Vermutlich am einfachsten sind verschiedenartige Tröpfchen oder Bläschen aus Öl in Wasser oder Wasser in Öl. Solche Gebilde lassen sich leicht herstellen; jeder von uns hat beim Anrühren einer Salatsauce schon Millionen von ihnen erzeugt. Öl und Wasser vermischen sich bekanntlich nicht, sondern trennen sich schnell. Gibt man jedoch ein Netzmittel wie Senf hinzu, das heißt eine Substanz, deren Moleküle sich zwischen die von Wasser und Öl schieben, muss man nur noch gut schütteln und schon hat man das Salatdressing. Dieses sieht auf den ersten Blick glatt und homogen aus, in Wirklichkeit besteht es aber aus Billionen winziger, stabiler Öltröpfchen.

Martin Hanczyc von der Süddänischen Universität konnte aus Öl-in-Wasser-Tröpfchen, die durch ein Detergens stabilisiert wurden, bemerkenswert lebensnahe Protozellen herstellen. Diese sind sehr einfach und bestehen häufig aus nur fünf Substanzen. In richtigen Anteilen gemischt, lagern sich die Zutaten von selbst zu öligen Tröpfchen zusammen. Im Inneren der Tröpfchen können einfache chemische Vorgänge ablaufen, mit deren Hilfe sich die Protozelle, getrieben von Konvektionsströmungen (Wärmezirkulation), in ihrer Umwelt fortbewegt. Es sind die gleichen chemischen Kräfte, die dafür sorgen, dass die Öltröpfchen überhaupt zusammenfinden. Sie können sogar eine einfache Form von Wachstum und Selbstverdoppelung vollziehen: Dazu absorbieren sie Rohstoffe aus ihrer Umwelt, und das führt dazu, dass sie letztlich zu zwei Tröpfchen zerbrechen.[15]

Hanczycs Protozellen sind im Vergleich zu echten, lebenden Zellen umgestülpt: Sie haben ein öliges Inneres, und das Wasser befindet sich außerhalb. Die meisten anderen Wissenschaftler streben die Herstellung von Protozellen mit einem wässrigen Inneren an. Das schafft außerdem die Möglichkeit, sie mit vorgefertigten, wasserlöslichen Biomolekülen zu füllen. Der Genetiker Jack Szostak beispielsweise brachte 2005 RNA-Ribozyme in Protozellen.[16] Von den Ribozymen war in Kapitel 9 bereits die Rede: Sie sind RNA-Moleküle, die genau wie DNA genetische Information kodieren können, außerdem aber auch eine Enzymaktivität besitzen. Wie die Arbeitsgruppe nachweisen konnte, waren die mit Ribozym versehenen Protozellen in der Lage, eine einfache Form der Vererbung zu vollziehen, wobei sie sich wie Hanczycs Protozellen zweiteilten. Im Jahr 2014 stellte eine Arbeitsgruppe unter Leitung von Sebastian Lecommandoux an der Radboud-Universität in den Niederlanden andersartige Protozellen her: Hier waren mehrere Kompartimente mit Enzymen gefüllt, und die konnten – wie in einer lebenden Zelle – einen einfachen Metabolismus betreiben, der kaskadenartig von einem Kompartiment zum anderen verlief.[17]

Solche dynamischen, chemisch aktiven Protozellen sind sicher faszinierende, eindrucksvolle Konstruktionen; aber sind sie lebendig? Um diese Frage zu beantworten, müssen wir uns auf eine funktionierende Definition für das Leben einigen. Die nächstliegende, die Selbstverdoppelung, eignet sich für viele Zwecke, man verlangt damit aber zu viel. Die meisten Zellen im Körper eines Erwachsenen, so die roten Blutzellen und die Nervenzellen, verdoppeln sich nicht, und doch sind sie zweifellos lebendig. Selbst ganze Menschen, beispielsweise buddhistische Mönche oder katholische Priester, machen sich (in der Regel) nicht die Mühe, das chaotische Geschäft der Fortpflanzung zu betreiben, und doch bleiben sie lange am Leben. Die Selbstverdoppelung ist also zwar sicher für das langfristige Überleben einer Spezies unentbehrlich, sie ist aber keine unabdingbare Eigenschaft des Lebendigen.

Von einer Eigenschaft des Lebendigen, die von noch grundsätzlicherer Bedeutung ist als die Selbstverdoppelung, war bereits die Rede, und biomimetische Architekten streben danach, sie nachzuahmen: die Selbsterhaltung. Damit wir unsere von unten nach oben konstruierten Protozellen als Lebewesen einstufen können, müssen wir von ihnen also zumindest verlangen, dass sie in der Lage sind, sich im turbulenten thermodynamischen Ozean selbst zu erhalten.

Leider ist aber auch nach dieser stärker eingeschränkten Definition für Leben keine der Protozellen aus der derzeitigen Generation lebendig. Selbst solche, die einige Tricks wie eine einfache Form der Zweiteilung beherrschen, produzieren Töchter, die der Ausgangszelle nicht genau gleichen: Sie enthalten geringere Mengen der Ausgangsbestandteile wie Ribozyme oder Enzyme, so dass diese Vorräte mit dem weiteren Fortschreiten der Verdoppelung irgendwann zur Neige gehen. Und auch wenn Protozellen wie die aus Lecommandoux’ Arbeitsgruppe einen Stoffwechsel betreiben können, der dem eines einfachen Lebewesens ähnelt, müssen sie mit aktiven Biomolekülen nachgefüllt werden, weil sie diese nicht selbst wieder ergänzen können. Die Protozellen der derzeitigen Generation gleichen aufgezogenen Uhren: Sie behalten ihren chemischen Ausgangszustand bei, der von vorgefertigten Enzymen und Substraten getragen wird, bis diese zur Neige gehen. Danach sorgt das ständige Bombardement der bewegten Moleküle aus der Umgebung dafür, dass die Organisation der Protozellen sich auflöst: Sie werden allmählich immer chaotischer und vom Zufall bestimmt, bis sie sich schließlich nicht mehr von ihrer Umwelt unterscheiden. Im Gegensatz zu Lebewesen sind künstliche Protozellen nicht in der Lage, ihr Uhrwerk selbst wieder aufzuziehen.

Fehlt ihnen ein Bestandteil? Das Fachgebiet ist natürlich noch sehr jung, und wahrscheinlich wird man in den kommenden Jahrzehnten große Fortschritte erzielen. In diesem letzten Abschnitt unseres Buches wollen wir der Idee nachgehen, dass die Quantenmechanik den fehlenden Funken liefern könnte, der künstliche Lebensformen belebt und zu echten synthetischen Lebewesen macht. Mit einem solchen Fortschritt würden wir nicht nur eine revolutionäre neue Technologie einführen, sondern er würde uns auch endlich ein Mittel an die Hand geben, mit dem wir die uralte, in Kapitel 2 gestellte Frage beantworten können: Was ist Leben?

Wir und andere haben die Ansicht vertreten, dass die Thermodynamik nur eine unzureichende Beschreibung des Lebendigen ermöglicht, weil sie die Fähigkeit der Lebewesen, sich den Quantenbereich zunutze zu machen, nicht berücksichtigt. Leben ist nach unserer Überzeugung auf die Quantenmechanik angewiesen. Aber haben wir recht? Wie bereits erörtert wurde, lässt sich dies mit der heute verfügbaren Technik nur schwer beweisen, denn man kann die Quantenmechanik in einer lebenden Zelle nicht einfach ein- und ausschalten. Wir prophezeien aber, dass Leben, ob natürlich oder künstlich, ohne die in diesem Buch beschriebenen seltsamen Aspekte der Quantenmechanik nicht möglich ist. Um festzustellen, ob wir recht haben, gibt es nur einen Weg: Man muss synthetisches Leben mit und (wenn möglich) ohne seltsame Quanteneigenschaften herstellen und untersuchen, welche Form am besten funktioniert.

Start frei für die erste Quanten-Protozelle

Stellen wir uns vor, wir würden eine einfache lebende Zelle ausschließlich aus unbelebtem Material aufbauen. Sie ist vielleicht nur zu einfachen Tätigkeiten in der Lage und findet beispielsweise in einem im Labor nachgebildeten Urozean ihre eigene Nahrung. Wir haben vor, ein solches Gebilde auf zweierlei Weise aufzubauen. Einmal wollen wir uns dazu der seltsamen Eigenschaften der Quantenmechanik bedienen – das Produkt nennen wir Quanten-Protozelle. Im zweiten Fall tun wir das nicht, sondern wir bauen eine klassische Protozelle.

Ein guter Ausgangspunkt für beide sind die Protozellen von Sebastian Lecommandoux, die aus mehreren Kompartimenten bestehen und von Membranen umhüllt sind. Wegen ihrer Unterteilung können wir die einzelnen Lebensfunktionen auf verschiedene Kompartimente verteilen. Als Nächstes müssen wir unsere Protozellen-Hülle mit einer Energiequelle ausstatten: Wir entscheiden uns für die in unerschöpflicher Menge vorhandenen energiereichen Photonen, das Sonnenlicht. Wir beladen ein Kompartiment mit einem Wald aus Pigmentmolekülen und Gerüstproteinen, die zusammen eine Art Solarzelle bilden; diese wird Photonen einfangen und deren Energie wie ein künstlicher Chloroplast in Excitonen umwandeln. Die durcheinandergewürfelten Pigmentmoleküle sind aber wahrscheinlich nicht zu dem höchst effizienten Energietransport in der Lage, der für die Photosynthese charakteristisch ist, denn in dem molekularen Tohuwabohu lässt sich die Quantenkohärenz, die für einen effizienten Energietransport notwendig ist, nicht aufrechterhalten. Um den Quantenrhythmus einzufangen, müssen wir die Pigmentmoleküle so ausrichten, dass die kohärente Welle durch das System fließen kann.

An diese Aufgabe machte sich 2013 eine Arbeitsgruppe an der Universität Chicago unter Leitung des Wissenschaftlers Greg Engel, eines Pioniers auf dem Gebiet der Quanten-Photosynthese. Das Team verknüpfte Pigmentmoleküle in einer festen Anordnung. Wie der FMO-Komplex der grünen Schwefelbakterien, an dem Engel erstmals die Quantenkohärenz entdeckt hatte (Kapitel 4), so zeigte auch dieses künstliche Pigmentsystem kohärente Quantenschwebungen, die sich selbst bei Raumtemperatur für einige Dutzend Femtosekunden fortsetzten.[18] Um die Solarzelle unserer Quanten-Protozelle mit kohärenzverstärkten Excitonen auszustatten, füllen wir sie also mit einem Wald von Engels aneinandergehefteten Pigmentmolekülen. Die klassische Protozelle enthält die gleichen Pigmente, diese sind aber zufällig angeordnet, so dass das Exciton einen gewundenen Weg durch das System nehmen muss. Damit können wir testen, ob die Quantenkohärenz für den Excitonentransport in der Photosynthese unbedingt notwendig oder entbehrlich ist.

Aber wie wir bereits erfahren haben, ist das Einfangen von Licht nur der erste Schritt im Prozess der Photosynthese. Als Nächstes müssen wir die Energie des instabilen Excitons in eine stabile chemische Form überführen. Auch hier hat man bereits gewisse Fortschritte erzielt. Als Scully und seine Mitarbeiter in ihrem 2013 erschienenen Artikel nachwiesen, dass es sich beim Reaktionszentrum der Photosynthese offenbar um eine Quanten-Wärmekraftmaschine handelt, folgerten sie im Weiteren daraus, dass biologische Quanten-Wärmekraftmaschinen zur Anregung für die Konstruktion effizienterer Photozellen werden könnten.[19] Später im gleichen Jahr nahm ein Team an der Universität Cambridge die Wissenschaftler beim Wort und erstellte einen detaillierten Bauplan für eine solche künstliche Photozelle, die als Quanten-Wärmekraftmaschine arbeitet.[20] Die Gruppe konstruierte ein künstliches Reaktionszentrum aus den verknüpften Pigmentmolekülen, die man in Engels Labor hergestellt hatte, und konnte anschließend zeigen, dass sich damit ein energiereiches Elektron auf ein Akzeptormolekül übertragen lässt. Die Effizienz übersteigt dabei die Carnot-Grenze, wie Scullys Gruppe es in ganz ähnlicher Form bereits in der natürlichen Photosynthese entdeckt hatte.

Stellen wir uns also vor, dass unsere Quanten-Solarzelle an ein künstliches Reaktionszentrum gebunden ist, ähnlich wie beim Modell der Arbeitsgruppe aus Cambridge. Dieses Reaktionszentrum kann energiereiche Elektronen in Form chemischer Energie einfangen. Auch hier bauen wir für unsere klassische Protozelle ein Konkurrenzsystem, das eine ähnliche Energieübertragung ermöglicht, aber ohne die über Carnot hinausgehende Quanteneffizienz. Nachdem das Licht eingefangen wurde, kann es zum Aufbau komplexer Biomoleküle genutzt werden, so auch zur Synthese der zelleigenen Pigmentmoleküle.

Aber wie Elektronen, so sind auch Biosynthesereaktionen auf weitere Energie angewiesen, die in unseren Zellen die Zellatmung liefert (Kapitel 3). Wir lassen uns von der Zellatmung anregen und verschieben einige energiereiche Elektronen, die von der Photosynthese geliefert werden, in ein »Kraftwerkskompartiment«, wo sie wie in den natürlichen Atmungsketten durch Tunneleffekte von einem Enzym zum anderen wandern und ATP bilden, den molekularen Energieträger der Zelle. Auch hier wollen wir das Atmungskompartiment künstlich aufbauen und die Rolle der Quantenmechanik in diesem lebenswichtigen biologischen Prozess erforschen.

Unsere Quanten-Protozelle ist nun sowohl mit einer Elektronen- als auch mit einer Energiequelle ausgestattet und verfügt damit über die Voraussetzungen, um alle biochemischen Substanzen selbst herzustellen; sie braucht nur noch eine Quelle für die Rohstoffe. Also stellen wir ihr als Nahrung einen einfachen Zucker zur Verfügung: Glucose, gelöst in unserem Labor-Urozean. Nun müssen wir ATP-getriebene Zuckertransporter installieren, damit die Glucose ins Innere der Zelle gepumpt wird, und mehrere weitere Enzyme müssen ihre Atome so umstellen – Technik auf Quantenebene –, dass komplexere Biomoleküle entstehen. Wie wir in Kapitel 3 erörtert haben, nutzen viele dieser Enzyme normalerweise den Tunneleffekt von Elektronen und Protonen, wir wollen hier aber Versionen konstruieren, die mit oder ohne Rückgriff auf die Quantenwelt funktionieren; damit wollen wir herausfinden, ob die Quantenmechanik tatsächlich ein unentbehrliches Schmiermittel für solche Lebensmotoren ist.

Eine weitere Eigenschaft, die wir unserer quantengestützten Protozelle gern mitgeben würden, ist die Fähigkeit, den Sturm des molekularen Rauschens zur Aufrechterhaltung der Quantenkohärenz nutzbar zu machen. Derzeit weiß man so wenig darüber, wie dem Leben dieser Trick gelingt, dass man sich seine technische Nachbildung nicht glaubwürdig vorstellen kann. Viele Faktoren dürften beteiligt sein: So weiß man zum Beispiel, dass die extrem enge molekulare Umgebung in lebenden Zellen viele biochemische Reaktionen abwandelt[21] und vielleicht auch dazu beiträgt, die Zufallswirkungen des Rauschens einzuschränken. Also packen wir die Protozellen dicht mit Biomolekülen voll, um die beengten Verhältnisse in einer lebendigen Umgebung nachzuahmen; dann, so unsere Hoffnung, werden die thermodynamischen Winde und Böen besser dazu beitragen können, die Quantenkohärenz aufrechtzuerhalten.

Dennoch bleibt unsere Quanten-Protozelle ein sehr hilfsbedürftiges Gebilde, dem alle Enzyme in vorgefertigter Form mitgegeben werden müssen. Um sie autark zu machen, müssen wir ein weiteres Kompartiment, das Steuerungszentrum, mit einem künstlichen Genom auf DNA-Basis ausstatten, das alles Nötige selbst codiert, und außerdem muss dort auch ein Apparat angesiedelt sein, der den Protonencode auf Quantenebene in Proteine umsetzen kann. Das alles ähnelt dem Top-down-Ansatz von Craig Venter, nur mit dem Unterschied, dass wir unser Genom in eine nichtlebende Protozelle einschleusen. Und schließlich können wir unsere Protozelle sogar mit einem Navigationssystem ausstatten, vielleicht mit einer molekularen Nase, mit der sie ihre Nahrung lokalisiert. Dazu nutzt sie das Prinzip der Quantenverschränkung in den Geruchsrezeptoren, das wir in Kapitel 5 kennengelernt haben, und einen molekularen Motor, der sie durch den Urozean vorwärtstreibt. Wir könnten sogar ein Navigationssystem auf Quantenbasis einbauen, wie wir es von unserem Rotkehlchen kennen, damit sie sich in unserem Labor-Urozean orientieren kann.

Was wir hier beschrieben haben, ist kaum mehr als eine biologische Phantasie, die nicht mehr Realitätsgehalt hat als Shakespeares Ariel. Wir haben eine ungeheure Menge von Details übergangen und im Interesse der Einfachheit und Verständlichkeit nicht erwähnt, vor welchen kolossalen Herausforderungen ein von unten nach oben angelegtes Projekt der synthetischen Biologie in Wirklichkeit stehen würde. Selbst wenn man ein solches Projekt in Angriff nähme, würde man sicher nicht versuchen, alle genannten Prozesse in einem einzigen Schritt zu verwirklichen wie in unserem zuvor beschriebenen Phantasierezept, sondern man würde als Erstes den einfachsten und am besten aufgeklärten Prozess – vielleicht die Photosynthese – in einer Protozelle installieren. Schon das allein wäre eine große Leistung, und man hätte damit ein hervorragendes Modellsystem, mit dem man die Rolle der Quantenkohärenz in der Photosynthese genauer erforschen könnte. Sollte sich eine solche Leistung tatsächlich als möglich erweisen, könnte man in den nächsten Schritten weitere Komponenten hinzunehmen und damit eine immer größere Komplexität herstellen, bis man am Ende vielleicht eine wirklich künstliche lebende Zelle geschaffen hätte. Das aber wird nach unserer Prophezeiung nur auf dem quantenmechanischen Weg zum Leben möglich sein: Wir sind überzeugt, dass Leben schlicht und einfach nicht funktioniert, wenn es nicht mit der Quantenwelt verbunden ist.

Würde man sich tatsächlich irgendwann an ein solches Projekt machen, wäre es damit endlich möglich, neues Leben zu erzeugen. Ein solcher Fortschritt könnte zum Ausgangspunkt für eine wahrhaft revolutionäre Technologie des Lebendigen werden: künstliches Leben, das in der Lage ist, auf der Grenze zwischen quantenmechanischer und klassischer Welt zu navigieren. Künstliche lebende Zellen könnte man so konstruieren, dass sie als Bausteine wahrhaft nachhaltiger lebendiger Gebäude dienen; man könnte Mikrochirurgen konstruieren, die unser geschädigtes oder abgenutztes Gewebe reparieren oder ersetzen. Die in diesem Buch beschriebenen phantastischen Eigenschaften der Quantenbiologie von der Photosynthese bis zur Enzymwirkung, von der Quantennase bis zum Quantengenom und vom Quantenkompass vielleicht sogar bis zum Quantengehirn könnte man nutzbar machen, um eine schöne neue Welt von quantensynthetischen Lebewesen aufzubauen, die ihre natürlich geborenen Verwandten von der Mühsal befreien, die Menschheit mit fast allem Notwendigen zu versorgen.

Aber was vielleicht noch wichtiger ist: Die Möglichkeit, neues Leben aus dem Nichts zu erschaffen, würde der Biologie endlich eine Antwort auf Feynmans berühmten Satz liefern, dass »ich nicht verstehe, was ich nicht herstellen kann«. Wäre ein solches Projekt tatsächlich erfolgreich, könnten wir endlich behaupten, dass wir das Leben mit seiner bemerkenswerten Fähigkeit, sich die Kräfte des Chaos zunutze zu machen und auf dem schmalen Grat zwischen klassischer Welt und Quantenwelt zu segeln, verstehen.

Die Sonn umhüllt, aufrühr’sche Wind entboten,

Die grüne See mit der azurnen Wölbung

In lauten Kampf gesetzt, den furchtbarn Donner …

William Shakespeare, Der Sturm

Epilog: Quantenleben

Das Rotkehlchen, das wir in Kapitel 1 kennengelernt haben, hat in der Mittelmeersonne überwintert. Jetzt hüpft es zwischen den spärlichen Gehölzen und den antiken Steinen von Karthago in Tunesien herum und frisst sich Fett an: mit Fliegen, Käfern, Würmern und Samen, alles Biomasse, die von den quantengetriebenen Photosynthesemaschinen, die wir Pflanzen und Mikroorganismen nennen, aus Sonne und Licht gewonnen wurde. Aber jetzt steigt die Sonne am Mittagshimmel immer höher, und ihre glühende Hitze hat die flachen Bäche, die sich durch die Waldlandschaft winden, ausgetrocknet. Auch der Wald wird immer trockener und unwirtlicher für unseren kleinen europäischen Singvogel. Es ist an der Zeit, sich wieder auf den Weg zu machen.

Der Tag ist schon weit fortgeschritten. Der winzige Vogel erhebt sich in die Luft und landet auf einem Zweig hoch oben in einer Zeder. Sorgfältig putzt er sich, genau wie er es vor einigen Monaten getan hat, und lauscht den Rufen anderer Rotkehlchen, die ebenfalls den Drang empfinden, sich für einen langen Flug bereitzumachen. Als die letzten Sonnenstrahlen hinter dem Horizont verschwinden, wendet das Rotkehlchen seinen Schnabel nach Norden, breitet die Flügel aus und erhebt sich in den Abendhimmel.

Das Rotkehlchen fliegt zur nordafrikanischen Küste und von dort weiter quer über das Mittelmeer. Es nimmt in umgekehrter Richtung mehr oder weniger die gleiche Route wie sechs Monate zuvor, und als Leitfaden dient ihm wiederum der Vogelkompass mit seiner quantenverschränkten Nadel. Jeder Schlag seiner Flügel wird durch die Kontraktion von Muskelfasern angetrieben, deren Energie durch die Quantentunneleffekte der Elektronen und Protonen in den Atmungsenzymen geliefert wird. Nach vielen Stunden erreicht es die spanische Küste und landet in Andalusien in einem bewaldeten Flusstal. Dort ruht es sich aus, umgeben von üppiger Vegetation aus Weiden, Ahorn, Ulmen und Erlen, Obstbäumen und blühenden Oleandersträuchern, alles Produkte der quantengetriebenen Photosynthese. Duftstoffmoleküle wehen in seine Atemwege, docken an Duftrezeptormolekülen an und lösen Quantentunneleffekte aus, die Nervensignale über quantenkohärente Ionenkanäle ins Gehirn leiten. Das Gehirn sagt ihm, dass Zitrusblüten in der Nähe sind; dort halten sich schmackhafte Bienen und andere Bestäuberinsekten auf, die ihm zusätzliche Ausdauer für die nächste Etappe seiner Reise liefern werden.

Nach mehrtägigem Flug findet das Rotkehlchen schließlich zurück in den skandinavischen Fichtenwald, von dem aus es sich viele Monate zuvor auf den Weg gemacht hatte. Seine erste Aufgabe besteht jetzt darin, einen Partner zu finden. Die Rotkehlchenmännchen sind schon mehrere Tage zuvor eingetroffen, und die meisten von ihnen haben geeignete Nistplätze gefunden, die sie bei den Weibchen mit ihrem Gesang anpreisen. Unser Rotkehlchen fühlt sich zu einem besonders musikalischen Vogel hingezogen und genießt im Rahmen des Werbungsrituals mehrere schmackhafte Maden, die das Männchen gesammelt hat. Nach einer kurzen Paarung vereinigt sich der Samen des Männchens mit der Eizelle des Weibchens, und die auf Quanten basierende genetische Information, die über Form, Körperbau, Biochemie, Physiologie, Anatomie und sogar den Gesang jedes Vogelpaars bestimmt, wird nahezu fehlerlos kopiert und an eine neue Rotkehlchengeneration weitergegeben. Die wenigen durch Quanten-Tunneleffekte entstandenen Fehler liefern das Material für die weitere Evolution der Spezies.

Wie wir in den vorangegangenen Kapiteln betont haben, können wir natürlich bisher nicht sicher sein, ob tatsächlich alle gerade beschriebenen Aspekte quantenmechanische Grundlagen haben. In einem Punkt jedoch besteht kein Zweifel: Vieles von dem, was so wunderschön und einzigartig ist an Rotkehlchen und Clownfischen, an Bakterien, die unter dem Antarktiseis leben, an Dinosauriern, die durch die Wälder der Jurazeit gestreift sind, an Monarchfaltern, Taufliegen, Pflanzen und Mikroorganismen, erwächst aus der Tatsache, dass ihre Wurzeln wie unsere eigenen in der Welt der Quanten liegen. Noch bleibt vieles zu entdecken, aber das Schöne an jedem neuen Forschungsgebiet ist gerade das Unbekannte. Oder, wie Isaac Newton sagte:

Ich weiß nicht, wie ich der Welt erscheinen mag, aber mir selbst kommt es vor, als wäre ich nur ein Junge, der an der Küste des Meeres spielt und sich daran ergötzt, hier und da einen ungewöhnlich glatten Kiesel oder eine hübschere Muschelschale zu finden, während der große Ozean der Wahrheit ganz und gar unerforscht vor mir liegt.

Dank

Dieses Buch zu schreiben, hat drei Jahre gedauert, die Autoren arbeiten jedoch schon seit fast zwei Jahrzehnten gemeinsam auf dem spannenden neuen Forschungsgebiet, in dem Quantenphysik, Biochemie und Biologie zusammenfließen. In einem so interdisziplinären Feld wie der Quantenbiologie kann man unmöglich jemals so zum Experten werden, dass man alle wissenschaftlichen Aspekte – die nur gemeinsam das vollständige Bild ausmachen – in ausreichender Breite und Tiefe und mit der notwendigen Sicherheit erklären kann. Das gilt insbesondere dann, wenn man für ein Laienpublikum das allererste Buch über das Thema schreiben will.

Keiner von uns hätte dieses Buch allein schreiben können, trotz unserer jeweiligen Fachkenntnisse aus der Welt der Physik beziehungsweise der Biologie. Und ebenso gewiss ist, dass wir ohne die Hilfe und den Rat vieler Kollegen, von denen die meisten in ihren Forschungsgebieten weltweit führend sind, nicht so weit gekommen wären. Aber nun sind wir beide ungeheuer stolz auf unser Gemeinschaftswerk.

Paul Davies danken wir für viele fruchtbare Diskussionen, die er mit uns beiden während der letzten 15 Jahre über Quantenmechanik und ihre potentielle Bedeutung für die Biologie geführt hat. Zu Dank verpflichtet sind wir auch den vielen Physikern, Chemikern und Biologen, die das neue Fach gerade mit Riesenschritten voranbringen und auf ihren jeweiligen Spezialgebieten über Erfahrungen und Detailwissen verfügen, die wir nicht haben. Insbesondere danken wir Jennifer Brookes, Gregory Engel, Adam Godbeer, Seth Lloyd, Alexandra Olaya-Castro, Martin Plenio, Sandu Popescu, Thorsten Ritz, Gregory Scholes, Nigel Scrutton, Paul Stevenson, Luca Turin und Vlatko Vedral. Außerdem möchten wir Mirela Dumic danken, der Koordinatorin am Institute of Advanced Studies (IAS) des Surrey Institute, die 2012 in Surrey nahezu allein unseren höchst erfolgreichen internationalen Workshop »Quantum Biology: Current Status and Opportunities« organisierte, der vom IAS, dem BBSRC (Biotechnology and Biological Sciences Research Council) und dem Projekt MILES (Models and Mathematics in Life and Social Sciences) gemeinsam finanziert wurde. Bei dem Workshop trafen zahlreiche führende Wissenschaftler aus der ganzen Welt zusammen – das Fachgebiet ist noch in der Entwicklung und die Zahl der darin arbeitenden Forscher relativ überschaubar –, und sie vermittelten uns das Gefühl, dass wir wirklich ein Teil dieser faszinierenden Wissenschaftlergemeinde sind.

Nachdem der Entwurf des Buches vorlag, baten wir einige der zuvor genannten Kollegen, es zu lesen und uns ihre Meinung zu sagen. Hier danken wir insbesondere Martin Plenio, Jennifer Brookes, Alexandra Olaya-Castro, Gregory Scholes, Nigel Scrutton und Luca Turin. Ebenso danken wir Philip Ball, Pete Downes und Greg Knowles, die den letzten Entwurf teilweise oder ganz durchlasen und so viele kluge, hilfreiche Kommentare abgaben, dass das Buch dadurch enorm gewonnen hat. Ein großer Dank geht auch an unseren Agenten Patrick Walsh, ohne den das Ganze nicht in Gang gekommen wäre, und an Sally Gaminara bei Random House, die an uns glaubte und von dem Projekt so begeistert war. Ein noch größeres Dankeschön gilt Patrick und Carrie Plitt bei Cornville & Walsh für ihre Beratung und ihre Vorschläge zu Aufbau und Format des Buches; außerdem halfen sie mit, die Endfassung zu gestalten, die Lichtjahre von dem schwerfälligen ersten Stadium entfernt ist. Dankbar sind wir auch Gillian Somerscales für das ausgezeichnete Lektorat.

Nicht zuletzt danken wir unseren Familien für ihre unermüdliche Unterstützung, insbesondere in Phasen, in denen Termine, die wir selbst oder unsere Verleger uns auferlegt hatten, näher rückten, so dass wir alle anderen Verpflichtungen hintanstellten und uns mit unseren Laptops zurückzogen. Wir haben die Abende, Wochenenden und Familienferien nicht mehr gezählt, in denen die Quantenbiologie an erster Stelle stehen musste. Wir hoffen, das Buch war die Mühe wert.

Für uns beide und für das neue Gebiet der Quantenbiologie wünschen wir uns, dass die Reise gerade erst begonnen hat.

Jim Al-Khalili und Johnjoe McFadden

August 2014

Anmerkungen

Kapitel 1: Einleitung

1 P. W. Atkins, »Magnetic field effects«, Chemistry in Britain, Bd. 12 (1976), S. 214.

2 S. Emlen, W. Wiltschko, N. Demong und R. Wiltschko, »Magnetic direction finding: evidence for its use in migratory indigo buntings«, Science, Bd. 193 (1976), S. 505–508.

Kapitel 2: Was ist Leben?

1 S. Harris, »Chemical potential: turning carbon dioxide into fuel«, The Engineer, 9. August 2012, http://www.theengineer.co.uk/energy-and-environment/in-depth/chemical-potential-turning-carbon-dioxide-into-fuel/1013459.article#ixzz2upriFA00 (abgerufen am 6.03.2015).

2 Die Naturwissenschaften, Bd. 20 (1932), S. 815–821.

3 Pascual Jordan, 1938, zitiert in P. Galison, M. Gordin und D. Kaiser (Hrsg.), Quantum Mechanics: Science and Society. London: Routledge, 2002, S. 346.

4 H. C. Longuet-Higgins, »Quantum mechanics and biology«, Biophysical Journal, Bd. 2 (1962), S. 207–215.

5 M. P. Murphy und L. A. J. O’Neil (Hrsg.), What is Life? The Next Fifty Years: Speculations on the Future of Biology. Cambridge: Cambridge University Press, 1995. [dt. Was ist Leben? Die Zukunft der Biologie: eine alte Frage in neuem Licht – 50 Jahre nach Erwin Schrödinger. Üb. v. S. Kuhlmann-Krieg. Heidelberg: Spektrum Akad. Verlag, 1997].

Kapitel 3: Die Motoren des Lebendigen

1 R. P. Feynman, R. B. Leighton und M. L. Sands, The Feynman Lectures on Physics. Reading, MA: Addison-Wesley, 1964, Bd. 1, S. 3–6 [dt. Feynman-Vorlesungen über Physik, Bd. 1.: Mechanik, Strahlung, Wärme. Übers. von Heinz Köhler und Eckhard Schröder, 5., verb. Aufl.. München: Oldenbourg, 2007, S. 38].

2 M. H. Schweitzer, Z. Suo, R. Avci, J. M. Asara, M. A. Allen, F. T. Arce und J. R. Horner, »Analyses of soft tissue from Tyrannosaurus rex suggest the presence of protein«, Science, Bd. 316: 5822 (2007), S. 277–280.

3 J. Gross, »How tadpoles lose their tails: path to discovery of the first matrix metalloproteinase«, Matrix Biology, Bd. 23: 1 (2004), S. 3–13.

4 G. E. Lienhard, »Enzymatic catalysis and transition-state theory«, Science, Bd. 180: 4082 (1973), S. 149–154.

5 C. Tallant, A. Marrero und F. X. Gomis-Ruth, »Matrix metalloproteinases: fold and function of their catalytic domains«, Biochimica et Biophysica Acta (Molecular Cell Research), Bd. 1803: 1 (2010), S. 20–28.

6 A. J. Kirby, »The potential of catalytic antibodies,« Acta Chemica Scandinavica, Bd. 50: 3 (1996), S. 203–210.

7 Don DeVault und Britton Chance, »Studies of photosynthesis using a pulsed laser: I. Temperature dependence of cytochrome oxidation rate in chromatium. Evidence for tunneling«, BioPhysics, Bd. 6 (1966), S. 825.

8 J. J. Hopfield, »Electron transfer between biological molecules by thermally activated tunneling«, Proceedings of the National Academy of Sciences, Bd. 71 (1974), S. 3640–3644.

9 Yuan Cha, Christopher J. Murray und Judith Klinman, »Hydrogen tunnelling in enzyme reactions«, Science, Bd. 243: 3896 (1989), S. 1325–1330.

10 L. Masgrau, J. Basran, P. Hothi, M. J. Sutcliffe und N. S. Scrutton, »Hydrogen tunneling in quinoproteins«, Archives of Biochemistry and Biophysics, Bd. 428: 1 (2004), S. 41–51; L. Masgrau, A. Roujeinikova, L. O. Johannissen, P. Hothi, J. Basran, K. E. Ranaghan, A. J. Mulholland, M. J. Sutcliffe, N. S. Scrutton und D. Leys, »Atomic description of an enzyme reaction dominated by proton tunneling«, Science, Bd. 312: 5771 (2006), S. 237–241.

11 David R. Glowacki, Jeremy N. Harvey und Adrian J. Mulholland, »Taking Ockham’s razor to enzyme dynamics and catalysis«, Nature Chemistry, Bd. 4 (2012), S. 169–76.

Kapitel 4: Quantenschwebungen

1 Aus der BBC-Fernsehserie Fun to Imagine 2: Fire (1983), verfügbar auf YouTube: http://www.youtube.com/watch?v=ITpDrdtGAmo (abgerufen am 6.03.2015).

2 Interview mit CBC News (3. November 2010), verfügbar unter: http://www.cbc.ca/news/technology/quantum-weirdness-used-by-plants-animals-1.912061 (abgerufen am 6.03.2015).

3 G. S. Engel, T. R. Calhoun, E. L. Read, T.-K. Ahn, T. Mančal, Y.-C. Cheng, R. E. Blankenship und G. R. Fleming, »Evidence for wavelike energy transfer through quantum coherence in photosynthetic systems«, Nature, Bd. 446 (2007), S. 782–786.

4 I. P. Mercer, Y. C. El-Taha, N. Kajumba, J. P. Marangos, J. W. G. Tisch, M. Gabrielsen, R. J. Cogdell, E. Springate und E. Turcu, »Instantaneous mapping of coherently coupled electronic transitions and energy transfers in a photosynthetic complex using angle-resolved coherent optical wave-mixing«, Physical Review Letters, Bd. 102: 5 (2009), S. 057402.

5 E. Collini, C. Y. Wong, K. E. Wilk, P. M. Curmi, P. Brumer und G. D. Scholes, »Coherently wired light-harvesting in photosynthetic marine algae at ambient temperature«, Nature, Bd. 463: 7281 (2010), S. 644–647.

6 G. Panitchayangkoon, D. Hayes, K. A. Fransted, J. R. Caram, E. Harel, J. Wen, R. E. Blankenship und G. S. Engel, »Long-lived quantum coherence in photosynthetic complexes at physiological temperature«, Proceedings of the National Academy of Sciences, Bd. 107: 29 (2010), S. 12766–12770.

7 T. R. Calhoun, N. S. Ginsberg, G. S. Schlau-Cohen, Y. C. Cheng, M. Ballottari, R. Bassi und G. R. Fleming, »Quantum coherence enabled determination of the energy landscape in light-harvesting complex II«, Journal of Physical Chemistry B, Bd. 113: 51 (2009), S. 16291–16295.

Kapitel 5: Findet Nemos Heim!

1 2. Mose 30, 34–35; Übersetzung von Martin Luther.

2 Zitiert in A. Le Guerer, Scent: The Mysterious and Essential Power of Smell. New York: Kodadsha America Inc., 1994, S. 12 [dt. Die Macht der Gerüche: eine Philosophie der Nase. Üb. v. W. Krege. Stuttgart: Klett-Cotta, 1992].

3 R. Eisner, »Richard Axel: one of the nobility in science«, P&S Columbia University College of Physicians and Surgeons, Bd. 25: 1 (2005).

4 C. S. Sell, »On the unpredictability of odor«, Angewandte Chemie, International Edition (English), Bd. 45: 38 (2006), S. 6254–6261.

5 K. Mori und G. M. Shepherd, »Emerging principles of molecular signal processing by mitral/tufted cells in the olfactory bulb«, Seminars in Cell Biology, Bd. 5: 1 (1994), S. 65–74.

6 L. Turin, The Secret of Scent: Adventures in Perfume and the Science of Smell. London: Faber & Faber, 2006, S. 4.

7 L. Turin, »A spectroscopic mechanism for primary olfactory reception«, Chemical Senses, Bd. 21: 6 (1996), S. 773–791.

8 Turin, The Secret of Scent, S. 176.

9 C. Burr, The Emperor of Scent: A True Story of Perfume and Obsession. New York: Random House, 2003.

10 A. Keller und L. B. Vosshall, »A psychophysical test of the vibration theory of olfaction«, Nature Neuroscience, Bd. 7: 4 (2004), S. 337 f.

11 M. I. Franco, L. Turin, A. Mershin und E. M. Skoulakis, »Molecular vibration-sensing component in Drosophila melanogaster olfaction«, Proceedings of the National Academy of Science, Bd. 108: 9 (2011), S. 3797–3802.

12 J. C. Brookes, F. Hartoutsiou, A. P. Horsfield und A. M. Stoneham, »Could humans recognize odor by phonon assisted tunneling?«, Physical Review Letters, Bd. 98: 3 (2007), S. 038101.

Kapitel 6: Der Monarch und das Quantenrotkehlchen

1 F. A. Urquhart, »Found at last: the monarch’s winter home«, National Geographic, August 1976.

2 R. Stanewsky, M. Kaneko, P. Emery, B. Beretta, K. Wager-Smith, S. A. Kay, M. Rosbash und J. C. Hall, »The cryb mutation identifies cryptochrome as a circadian photoreceptor in Drosophila«, Cell, Bd. 95: 5 (1998), S. 681–692.

3 H. Zhu, I. Sauman, Q. Yuan, A. Casselman, M. Emery-Le, P. Emery und S. M. Reppert, »Cryptochromes define a novel circadian clock mechanism in monarch butterflies that may underlie sun compass navigation«, PLOS Biology, Bd. 6: 1 (2008), e4.

4 D. M. Reppert, R. J. Gegear und C. Merlin, »Navigational mechanisms of migrating monarch butterflies«, Trends in Neurosciences, Bd. 33: 9 (2010), S. 399–406.

5 P. A. Guerra, R. J. Gegear und S. M. Reppert, »A magnetic compass aids monarch butterfly migration«, Nature Communications, Bd. 5: 4164 (2014), S. 1–8.

6 A. T. von Middendorf, Die Isepiptesen Russlands: Grundlagen zur Erforschung der Zugzeiten und Zugrichtungen der Vögel Russlands. St. Petersburg, 1853.

7 H. L. Yeagley und F. C. Whitmore, »A preliminary study of a physical basis of bird navigation«, Journal of Applied Physics, Bd. 18: 1035 (1947).

8 M. M. Walker, C. E. Diebel, C. V. Haugh, P. M. Pankhurst, J. C. Montgomery und C. R. Green, »Structure and function of the vertebrate magnetic sense«, Nature, Bd. 390: 6658 (1997), S. 371–376.

9 M. Hanzlik, C. Heunemann, E. Holtkamp-Rotzler, M. Winklhofer, N. Petersen und G. Fleissner, »Superparamagnetic magnetite in the upper beak tissue of homing pigeons«, Biometals, Bd. 13: 4 (2000), S. 325–331.

10 C. V. Mora, M. Davison, J. M. Wild und M. M. Walker, »Magnetoreception and its trigeminal mediation in the homing pigeon«, Nature, Bd. 432 (2004), S. 508–511.

11 C. Treiber, M. Salzer, J. Riegler, N. Edelman, C. Sugar, M. Breuss, P. Pichler, H. Cadiou, M. Saunders, M. Lythgoe, J. Shaw und D. A. Keays, »Clusters of iron-rich cells in the upper beak of pigeons are macrophages not magnetosensitive neurons«, Nature, Bd. 484 (2012), S. 367–370.

12 S. T. Emlen, W. Wiltschko, N. J. Demong, R. Wiltschko und S. Bergman, »Magnetic direction finding: evidence for its use in migratory indigo buntings«, Science, Bd. 193: 4252 (1976), S. 505–508.

13 L. Pollack, »That nest of wires we call the imagination: a history of some key scientists behind the bird compass sense«, Mai 2012, S. 5: http://www.ks.uiuc.edu/History/magnetoreception (abgerufen am 6.03.2015).

14 Ebd., S. 6.

15 K. Schulten, H. Staerk, A. Weller, H.-J. Werner und B. Nickel, »Magnetic field dependence of the geminate recombination of radical ion pairs in polar solvents«, Zeitschrift für Physikalische Chemie, NF, Bd. 101 (1976), S. 371–390.

16 Pollack, »That nest of wires we call the imagination«, S. 11.

17 K. Schulten, C. E. Swenberg und A. Weller, »A biomagnetic sensory mechanism based on magnetic field modulated coherent electron spin motion«, Zeitschrift für Physikalische Chemie, NF, Bd. 111 (1978), S. 1–5.

18 Aus P. Hore, »The quantum robin«, Navigation News, Oktober 2011.

19 N. Lambert, »Quantum biology«, Nature Physics, Bd. 9: 10 (2013), und die dort genannten Literaturangaben.

20 M. J. M. Leask, »A physicochemical mechanism for magnetic field detection by migratory birds and homing pigeons«, Nature, Bd. 267 (1977), S. 144 f.

21 T. Ritz, S. Adem und K. Schulten, »A model for photoreceptor-based magnetoreception in birds«, Biophysical Journal, Bd. 78: 2 (2000), S. 707–718.

22 M. Liedvogel, K. Maeda, K. Henbest, E. Schleicher, T. Simon, C. R. Timmel, P. J. Hore und H. Mouritsen, »Chemical magnetoreception: bird cryptochrome 1a is excited by blue light and forms long-lived radical-pairs«, PLOS One, Bd. 2: 10 (2007), e1106.

23 C. Nießner, S. Denzau, K. Stapput, M. Ahmad, L. Peichl, W. Wiltschko und R. Wiltschko, »Magnetoreception: activated cryptochrome 1a concurs with magnetic orientation in birds«, Journal of the Royal Society Interface, Bd. 10: 88 (August 2013), 20130638.

24 T. Ritz, P. Thalau, J. B. Phillips, R. Wiltschko und W. Wiltschko, »Resonance effects indicate a radical-pair mechanism for avian magnetic compass«, Nature, Bd. 429 (2004), S. 177–80.

25 S. Engels, N.-L. Schneider, N. Lefeldt, C. M. Hein, M. Zapka, A. Michalik, D. Elbers, A. Kittel, P. J. Hore und H. Mouritsen, »Anthropogenic electromagnetic noise disrupts magnetic compass orientation in a migratory bird«, Nature, Bd. 509 (2014), S. 353–356.

26 E. M. Gauger, E. Rieper, J. J. Morton, S. C. Benjamin und V. Vedral, »Sustained quantum coherence and entanglement in the avian compass«, Physical Review Letters, Bd. 106: 4 (2011), 040503.

27 M. Ahmad, P. Galland, T. Ritz, R. Wiltschko und W. Wiltschko, »Magnetic intensity affects cryptochrome-dependent responses in Arabidopsis thaliana«, Planta, Bd. 225: 3 (2007), S. 615–624.

28 M. Vacha, T. Puzova und M. Kvicalova, »Radio frequency magnetic fields disrupt magnetoreception in American cockroach«, Journal of Experimental Biology, Bd. 212: 21 (2009), S. 3473–3477.

Kapitel 7: Quantengene

1 Y. M. Shtarkman, Z. A. Kocer, R. Edgar, R. S. Veerapaneni, T. D’Elia, P. F. Morris und S. O. Rogers, »Subglacial Lake Vostok (Antarctica) accretion ice contains a diverse set of sequences from aquatic, marine and sediment-inhabiting bacteria and eukarya«, PLOS One, Bd. 8: 7 (2013), e67221.

2 J. D. Watson und F. H. C. Crick, »Molecular structure of nucleic acids: a structure for deoxyribose nucleic acid«, Nature, Bd. 171 (1953), S. 737 f.

3 C. Darwin, On the Origin of Species, Kap. 4 [dt. Über die Entstehung der Arten durch natürliche Zuchtwahl. Üb. v. J. V. Carus; Nachdruck Darmstadt: Wissenschaftliche Buchgesellschaft, 1992, S. 115].

4 J. D. Watson und F. H. C. Crick, »Genetic implications of the structure of deoxyribonucleic acid«, Nature, Bd. 171 (1953), S. 964–969.

5 W. Wang, H. W. Hellinga und L. S. Beese, »Structural evidence for the rare tautomer hypothesis of spontaneous mutagenesis«, Proceedings of the National Academy of Sciences, Bd. 108: 43 (2011), S. 17644–17648.

6 A. Datta und S. Jinks-Robertson, »Association of increased spontaneous mutation rates with high levels of transcription in yeast«, Science, Bd. 268: 5217 (1995), S. 1616 ff.

7 J. Bachl, C. Carlson, V. Gray-Schopfer, M. Dessing und C. Olsson, »Increased transcription levels induce higher mutation rates in a hypermutating cell line«, Journal of Immunology, Bd. 166: 8 (2001), S. 5051–5057.

8 P. Cui, F. Ding, Q. Lin, L. Zhang, A. Li, Z. Zhang, S. Hu und J. Yu, »Distinct contributions of replication and transcription to mutation rate variation of human genomes«, Genomics, Proteomics and Bioinformatics, Bd. 10: 1 (2012), S. 4–10.

9 J. Cairns, J. Overbaugh und S. Millar, »The origin of mutants«, Nature, Bd. 335 (1988), S. 142–145.

10 John Cairns über Jim Watson, Cold Spring Harbor Oral History Collection. Interview verfügbar unter: http://library.cshl.edu/oralhistory/interview/james-d-watson/meeting-jim-watson/watson/ (abgerufen am 6.03.2015).

11 J. Gribbin, In Search of Schrödinger’s Cat. London: Wildwood House, 1984; repr. Black Swan, 2012 [dt. Auf der Suche nach Schrödingers Katze. Üb. v. F. Griese. München: Piper, 1987].

12 J. McFadden und J. Al-Khalili, »A quantum mechanical model of adaptive mutation«, Biosystems, Bd. 50: 3 (1999), S. 203–211.

13 J. McFadden, Quantum Evolution. London: HarperCollins, 2000.

14 Eine kritische Rezension wurde hier veröffentlicht: http://arxiv.org/abs/quant-ph/0101019; unsere Antwort findet sich unter: http://arxiv.org/abs/quant-ph/0110083 (abgerufen am 6.03.2015).

15 H. Hendrickson, E. S. Slechta, U. Bergthorsson, D. I. Andersson und J. R. Roth, »Amplification-mutagenesis: evidence that ›directed‹ adaptive mutation and general hypermutability result from growth with a selected gene amplification«, Proceedings of the National Academy of Sciences, Bd. 99: 4 (2002), S. 2164–2169.

16 Zum Beispiel: J. D. Stumpf, A. R. Poteete und P. L. Foster, »Amplification of lac cannot account for adaptive mutation to Lac+ in Escherichia coli«, Journal of Bacteriology, Bd. 189: 6 (2007), S. 2291–2299.

17 Zum Beispiel: E. S. Kryachko, »The origin of spontaneous point mutations in DNA via Löwdin mechanism of proton tunneling in DNA base pairs: cure with covalent base pairing«, International Journal Of Quantum Chemistry, Bd. 90: 2 (2002), S. 910–923; Zhen Min Zhao, Qi Ren Zhang, Chun Yuan Gao und Yi Zhong Zhuo, »Motion of the hydrogen bond proton in cytosine and the transition between its normal and imino states«, Physics Letters A, Bd. 359: 1 (2006), S. 10–13.

Kapitel 8: Geist

1 Interview für die Los Angeles Times, 14. Februar 1995.

2 J.-M. Chauvet, E. Brunel-Deschamps, C. Hillaire und J. Clottes, Dawn of Art. The Chauvet Cave: The Oldest Known Paintings in the World. New York: Harry N. Abrams, 1996 [dt. Grotte Chauvet: altsteinzeitliche Höhlenkunst im Tal der Ardèche. Üb. v. K. Wüst. Sigmaringen: Thorbecke, 1995].

3 Zitiert in J. Hadamard, Essay on the Psychology of Invention in the Mathematical Field. Princeton: Princeton University Press, 1945. Nach Angaben von Daniel Dennett in »Memes and the exploitation of imagination«, Journal of Aesthetics and Art Criticism, Bd. 48 (1990), S. 127–135 (verfügbar unter http://ase.tufts.edu/cogstud/dennett/papers/memeimag.htm#5), stammt diese häufig zitierte Aussage in Wirklichkeit nicht von Mozart, sondern ihre Herkunft ist unklar. Wir haben uns entschlossen, dennoch dabeizubleiben, denn ganz gleich, wer ihr Urheber ist, er beschreibt damit sehr hübsch ein vertrautes, aber bemerkenswertes Phänomen.

4 J. McFadden, »The CEMI field theory gestalt information and the meaning of meaning«, Journal of Consciousness Studies, Bd. 20: 3–4 (2013), S. 152–182.

5 Chauvet et al., Dawn of Art.

6 M. Kinsbourne, »Integrated cortical field model of consciousness«, in Experimental and Theoretical Studies of Consciousness, CIBA Foundation Symposium No. 174. Chichester: Wiley, 2008.

7 K. Saeedi, S. Simmons, J. Z. Salvail, P. Dluhy, H. Riemann, N. V. Abrosimov, P. Becker, H.-J. Pohl, J. J. L. Morton und M. L. W. Thewalt, »Room-temperature quantum bit storage exceeding 39 minutes using ionized donors in silicon-28«, Science, Bd. 342: 6160 (2013), S. 830–833.

8 D. Hofstadter, Gödel, Escher, Bach: An Eternal Golden Braid. New York: Basic Books, 1979) [dt. Gödel, Escher, Bach: ein endloses geflochtenes Band. Üb. v. P. Wolff-Windegg u. a. Stuttgart: Klett-Cotta, 1985].

9 R. Penrose, Shadows of the Mind: A Search for the Missing Science of Consciousness. Oxford: Oxford University Press, 1994 [dt. Schatten des Geistes: Wege zu einer neuen Physik des Bewusstseins. Üb. v. A. Ehlers. Heidelberg: Spektrum Akad. Verlag, 1995].

10 S. Hameroff, »Quantum computation in brain microtubules? The Penrose–Hameroff ›Orch OR‹ model of consciousness«, Philosophical Transactions of the Royal Society Series A, Bd. 356: 1743 (1998), S. 1869–1895; S. Hameroff und R. Penrose, »Consciousness in the universe: a review of the ›Orch OR‹ theory«, Physics of Life Reviews, Bd. 11 (2014), S. 39–78.

11 M. Tegmark, »Importance of quantum decoherence in brain processes«, Physical Review E, Bd. 61 (2000), S. 4194–4206.

12 Zum Beispiel: A. Litt, C. Eliasmith, F. W. Kroon, S. Weinstein und P. Thagard, »Is the brain a quantum computer?«, Cognitive Science, Bd. 30: 3 (2006), S. 593–603.

13 G. Bernroider und J. Summhammer, »Can quantum entanglement between ion transition states effect action potential initiation?«, Cognitive Computation, Bd. 4 (2012), S. 29–37.

14 J. McFadden, Quantum Evolution. London: HarperCollins, 2000; J. McFadden, »Synchronous firing and its influence on the brain’s electromagnetic field: evidence for an electromagnetic theory of consciousness«, Journal of Consciousness Studies, Bd. 9 (2002), S. 23–50; S. Pockett, The Nature of Consciousness: A Hypothesis (Lincoln, NE: Writers Club Press, 2000); E. R. John, »A field theory of consciousness«, Consciousness and Cognition, Bd. 10: 2 (2001), S. 184–213; J. McFadden, »The CEMI field theory closing the loop«, Journal of Consciousness Studies, Bd. 20: 1–2 (2013), S. 153–168.

15 J. McFadden, »The CEMI field theory gestalt information and the meaning of meaning«.

16 C. A. Anastassiou, R. Perin, H. Markram und C. Koch, »Ephaptic coupling of cortical neurons«, Nature Neuroscience, Bd. 14: 2 (2011), S. 217–223; F. Frohlich und D. A. McCormick, »Endogenous electric fields may guide neocortical network activity«, Neuron, Bd. 67: 1 (2010), S. 129–143.

17 J. McFadden, »The CEMI field theory closing the loop«.

18 W. Singer, »Consciousness and the structure of neuronal representations«, Philosophical Transactions of the Royal Society B: Biological Sciences, Bd. 353: 1377 (1998), S. 1829–1840.

Kapitel 9: Wie das Leben begann

1 S. L. Miller, »A production of amino acids under possible primitive earth conditions«, Science, Bd. 117: 3046 (1953), S. 528 f.

2 G. Cairns-Smith, Seven Clues to the Origin of Life: A Scientific Detective Story. Cambridge: Cambridge University Press, 1985 [dt. Biologische Botschaften: eine Detektivgeschichte der Evolution. Üb. v. M. Castro und J. Saupe. Frankfurt: Fischer Taschenbuch Verlag, 1990].

3 J. McFadden, Quantum Evolution. London: HarperCollins, 2000; J. McFadden und J. Al-Khalili, »Quantum coherence and the search for the first replicator«, in D. Abbott, P. C. Davies und A. K. Patki (Hrsg.), Quantum Aspects of Life. London: Imperial College Press, 2008.

4 A. Patel, »Quantum algorithms and the genetic code«, Pramana Journal of Physics, Bd. 56 (2001), S. 367–381; verfügbar unter http://arxiv.org/abs/quant-ph/0002037 (abgerufen am 6.03.2015).

Kapitel 10: Quantenbiologie: Leben am Rande des Sturms

1 M. B. Plenio und S. F. Huelga, »Dephasing-assisted transport: quantum networks and biomolecules«, New Journal of Physics, Bd. 10 (2008), 113019; F. Caruso, A. W. Chin, A. Datta, S. F. Huelga und M. B. Plenio, »Highly efficient energy excitation transfer in light-harvesting complexes: the fundamental role of noise-assisted transport«, Journal of Chemical Physics, Bd. 131 (2009), 105106–105121.

2 M. Mohseni, P. Rebentrost, S. Lloyd und A. Aspuru-Guzik, »Environment-assisted quantum walks in photosynthetic energy transfer«, Journal of Chemical Physics, Bd. 129: 17 (2008), 174106.

3 B. Misra und G. Sudarshan, »The Zeno paradox in quantum theory«, Journal of Mathematical Physics, Bd. 18 (1977), S. 746: http://dx.doi.org/10.1063/1.523304.

4 S. Lloyd, M. Mohseni, A. Shabani und H. Rabitz, »The quantum Goldilocks effect: on the convergence of timescales in quantum transport«, 2011, verfügbar unter http://arXiv.org/abs/1111.4982 (abgerufen am 6.03.2015).

5 A. W. Chin, S. F. Huelga und M. B. Plenio, »Coherence and decoherence in biological systems: principles of noise-assisted transport and the origin of long-lived coherences«, Philosophical Transactions of the Royal Society A, Bd. 370 (2012), S. 3658–3671; A. W. Chin, J. Prior, R. Rosenbach, F. Caycedo-Soler, S. F. Huelga und M. B. Plenio, »The role of non-equilibrium vibrational structures in electronic coherence and recoherence in pigment-protein complexes«, Nature Physics, Bd. 9: 2 (2013), S. 113–118.

6 E. J. O’Reilly und A. Olaya-Castro, »Non-classicality of molecular vibrations activating electronic dynamics at room temperature«, Nature Communications, Bd. 5 (2014), 3012.

7 I. Stewart, Does God Play Dice?: The New Mathematics of Chaos. Harmondsworth: Penguin UK, 1997 [dt. Spielt Gott Roulette?: Chaos in der Mathematik. Üb. v. G. Menzel; Basel: Birkhäuser, 1990]; S. Kauffman. The Origins of Order: Self-Organization and Selection in Evolution. New York: Oxford University Press, 1993; J. Gleick, Chaos: Making a New Science. New York: Random House, 1997 [dt. Chaos – die Ordnung des Universums: Vorstoß in Grenzbereiche der modernen Physik. Üb. v. P. Prange. München: Droemer Knaur, 1988].

8 M. O. Scully, K. R. Chapin, K. E. Dorfman, M. B. Kim und A. Svidzinsky, »Quantum heat engine power can be increased by noise-induced coherence«, Proceedings of the National Academy of Sciences, Bd. 108: 37 (2011), S. 15097–15100.

9 K. E. Dorfman, D. V. Voronine, S. Mukamel und M. O. Scully, »Photosynthetic reaction center as a quantum heat engine«, Proceedings of the National Academy of Sciences, Bd. 110: 8 (2013), S. 2746–2751.

10 M. Ferretti, V. I. Novoderezhkin, E. Romero, R. Augulis, A. Pandit, D. Zigmantas und R. Van Grondelle, »The nature of coherences in the B820 bacteriochlorophyll dimer revealed by two-dimensional electronic spectroscopy«, Physical Chemistry Chemical Physics, Bd. 16 (2014), S. 9930–9939.

11 C. R. Pudney, A. Guerriero, N. J. Baxter, L. O. Johannissen, J. P. Waltho, S. Hay und N. S. Scrutton, »Fast protein motions are coupled to enzyme H-transfer reactions«, Journal of the American Chemical Society, Bd. 135 (2013), S. 2512–2517.

12 J. P. Klinman und A. Kohen, »Hydrogen tunnelling links protein dynamics to enzyme catalysis«, Annual Review of Biochemistry, Bd. 82 (2013), S. 471–496.

13 R. Armstrong und N. Spiller, »Living quarters«, Nature, Bd. 467 (2010), S. 916–919.

14 S. Ludec, The Mechanism of Life. London: William Heinemann, 1914.

15 T. Toyota, N. Maru, M. M. Hanczyc, T. Ikegami und T. Sugawara, »Selfpropelled oil droplets consuming ›fuel‹ surfactant«, Journal of the American Chemical Society, Bd. 131: 14 (2009), S. 5012 f.

16 I. A. Chen, K. Salehi-Ashtiani und J. W. Szostak, »RNA catalysis in model protocell vesicles«, Journal of the American Chemical Society, Bd. 127: 38 (2005), S. 13213–13219.

17 R. J. Peters, M. Marguet, S. Marais, M. W. Fraaije, J. C. van Hest und S. Lecommandoux, »Cascade reactions in multicompartmentalized polymersomes«. Angewandte Chemie International Edition (English), Bd. 53: 1 (2014), S. 146–150.

18 D. Hayes, G. B. Griffin und G. S. Engel, »Engineering coherence among excited states in synthetic heterodimer systems«, Science, Bd. 340: 6139 (2013), S. 1431–1434.

19 K. E. Dorfman et al., »Photosynthetic reaction center as a quantum heat engine«. Proceedings of the National Academy of the United States of America, Bd. 110: 8 (2013), S. 2746–2751.

20 C. Creatore, M. A. Parker, S. Emmott und A. W. Chin, »An efficient biologically-inspired photocell enhanced by quantum coherence«, 2013, verfügbar unter http://arXiv.org/abs/1307.5093 (abgerufen am 6.03.2015).

21 C. Tan, S. Saurabh, M. P. Bruchez, R. Schwartz und P. Leduc, »Molecular crowding shapes gene expression in synthetic cellular nanosystems«, Nature Nanotechnology, Bd. 8: 8 (2013), S. 602–608; M. S. Cheung, D. Klimov und D. Thirumalai, »Molecular crowding enhances native state stability and refolding rates of globular proteins«, Proceedings of the National Academy of Sciences, Bd. 102: 13 (2005), S. 4753–4758.

Register

2D-FTES (Zweidimensionale Fourier-Transform-Elektronenspektroskopie) 153

3D-Drucker 344

Aale 164
absoluter Nullpunkt 67 f., 70, 107 f., 144, 310, 359, 376

Acetophenon 196–199
adaptive Mutationen 273 ff., 277 f.

Akkretionseis 245

Aktionspotential 176, 299, 300 ff., 300, 302, 318, 320, 324
aktives Zentrum (Enzym) 96–101, 97, 120

Akzeptor 102, 192 ff., 202, 372, 392

Al-Khalili, Jim 27, 275, 279

Alice im Wunderland (1865) 48

Aminosäuren 48, 79 f., 89, 89, 94–98, 97, 100, 121, 235, 334 f., 339, 352, 360

Aminosäureketten 100,

Aminosäureperlen 80, 94, 360

Aminosäuresequenzen 339

Anemonenfisch siehe Clownfisch

Anosmie 198

Antarktis 241 f., 244, 247, 255
aperiodische Kristalle 252 f.

Äquator 6, 7, 217, 241

Aristoteles 33 ff., 44 f.

Armstrong, Rachel 385 f.

Arvedlund, Michael 167

Aspect, Alain 18–21, 24, 137

Atkins, Peter 5 f.

Atmungsenzyme 104–107, 121, 398

Atombombe 63, 333

ATP 104, 158 f., 393

ATPase 104

Auf der Suche nach Schrödingers Katze (1984) 273

Avery, Oswald 46

Axel, Richard 176 ff., 180, 191

Bachelard, Gaston 162

Badewannenabfluss 366

Bakterien 46, 50, 102 f., 107, 153, 156 f., 161, 215, 245 f., 262, 271–274, 336 ff., 363, 381, 383, 386, 391, 399

Bakterienviren 271

Ballon 64 ff., 356,

Bären 170, 173, 286, 290

Bateson, William 260

Beach Boys 364

Bernroider, Gustav 319

Bertalanffy, Ludwig von 60

Betrachtungen über die bewegende Kraft des Feuers (1814) 368

Bewusstsein 288–292, 295 ff., 304 f., 314–317, 319–324, 331

Bewusstseinstheorie von Penrose und Hameroff 314–317

Beyer, Peter 383 f.

Big Bang 337

Billardmodell 38–42, 45, 64 f., 69, 95 f., 101, 119, 148, 336, 355 f., 355, 358, 366, 376 f., 379, 385

Bindung 5, 89 ff., 89, 96 f., 103, 181, 186 f., 187, 193 f., 196, 199, 232, 250, 275, 281 f., 321

Bindungskraft 15

Bindungsproblem 292, 295, 315, 319–322

Biochemiker 44, 60, 105, 113 f., 339

Biomoleküle 21, 23, 25 f., 73, 76, 84, 92, 98, 104, 121, 124, 147, 159, 192, 247, 279, 332, 337, 357, 379, 388 f., 392 ff.

Biomoleküle, hochstrukturierte 98

Bison 287, 290–297, 301, 303 f., 320, 324

Blattschneiderameise 31

Bloch-Kugel 307

Bohr, Niels 53, 55, 61

Boltzmann, Ludwig 38 f., 45, 47, 65

Born, Max 61

Bottom-up-Ansatz 384–387

Bowyer, Adrian 344

Boyle, Robert 64

Brookes, Jennifer 27, 200 f.

Brugger, Kenneth C. 205

Brunel-Deschamps, Carole 286

Brunel-Deschamps, Eliette 284 ff.

Buchner, Eduard 82 f., 85

Buck, Linda 178 ff., 191

Bugs Bunny 185

Burr, Chandler 196

Cairns-Smith, Graham 342

Cairns, John 271–278

Calhoun, Tessa 157

Carnot-Grenze 371 f., 392

Carnot-Wirkungsgrad 369

Carnot-Zyklus 368

Carnot, Lazare 367

Carnot, Sadi 367 ff., 372, 392

Carroll, Lewis 48

Casteret, Norbert 284

Cech, Thomas 339

Cellularpathologie, Die (1858) 43

Chance, Britton 106 ff., 111 ff., 117

Chaos 40 f., 177, 367, 396

Charles, Jacques 64

Chauvet-Höhle 287, 292, 296 f.

Chauvet, Jean-Marie 285 ff., 324
chirale Moleküle 187 f., 190, 201

Chlorophyll 147 f., 148, 150 f., 153, 155, 157 f., 209, 358 ff., 364, 372

Chloroplast 44, 147, 158, 358, 360, 369, 391

Chondrit (Meteoritentyp) 30, 32

Chromosomen 43, 46, 50, 70, 271, 337, 339

Chymosin 83
circadiane Uhr 207–210

Clapton, Eric 188, 201

Clemens, William A. 168

Clownfisch 163–170, 173, 203, 211, 289, 399

Codierung mit Protonen 264–270

Computer 9, 26, 32, 111, 125, 155, 220, 248, 296, 303–306, 309, 312, 314, 317, 344 ff.

Computerdenken (1989) 305

Computertheorie des Geistes 303

Computerviren 345 f.

Condon, Edward 108

CPU (Computer-Zentraleinheit) 306

Crick, Francis 46 f., 249 ff., 251, 253, 263, 265 ff.

Cryptochrom 22, 209 ff., 234 ff., 240

Curiosity (NASA-Fahrzeug)

Cyanobakterien 337

Cytoplasma 44, 147

D-Wave 311 f.

Dampflokomotiven 33, 38 f., 42 f., 51, 57, 119, 321, 355, 356, 368

Dampfmaschinen 11, 38 f., 318, 355 f., 355, 366 ff.

Darwin, Charles 5, 8, 46, 256–261, 325, 331 f., 347

Darwin, Erasmus 256

Datta, Abhijit 270

Davies, Paul 27

Davis, Captain John 242

De Vries, Hugo 261

Dekohärenz 70, 101, 110, 120, 142-145 ff., 154, 156, 161, 239, 310, 310, 312, 319 f., 349 f., 354, 356, 363 f., 375

Delbrück, Max 262 f., 271 f., 274

Descartes, René 37 f., 77 f., 304, 379

Desoxyribonukleinsäure siehe DNA

Desoxyribose 47

Detektor 135 ff., 139, 153, 188

Deuterium 13 f., 116 f., 196, 198 ff., 203, 279, 333

Deuteron 14 f.

DeVault, Don 106 ff., 111 ff., 117

Dichtefunktionaltheorie (DFT) 281

Digitalcomputer 306
diktatorische Verstärkung 98

Dipenten 186 f., 187, 196, 200 f.

Dixson, Daniella 167

DNA 4, 23, 46 f., 50, 70, 84, 94, 103, 121, 147 f., 178, 246–251, 251, 253 f., 263 ff., 269-282, 281, 316, 337-341, 344 f., 352, 357, 367, 379, 388, 394

DNA-Ablesen 269 ff., 275 f., 338 f.

DNA-Basen 253, 266, 282, 341, 352

DNA-Code 253

DNA-Doppelhelix 47 f., 51, 68, 249–252, 251, 254, 263, 265, 265, 268, 279, 288, 338

DNA-Polymerase 251, 254, 266, 269, 338

DNA-Sequenzierungstechnik 246

DNA-Stränge 47, 250, 254, 265 f., 276, 280, 282

DNA-Verdoppelung 255, 265–270, 267,

Donor 102, 192 ff., 202

Doppelhelix siehe DNA-Doppelhelix

Doppelspaltexperiment 125–142, 127, 131, 153, 156, 288, 356, 363, 371
doppelter Potentialtopf 280
drunken walk 151

Dualismus 304

Durchzugleser-Modell 200 f.

Dyson, Malcolm 183–186, 191 f.

E.-coli-Zellen 274, 276 ff.

Eastgate Centre 385

Einbrecher 58 f., 138 f.

Einstein, Albert 18, 20 f., 52, 223, 227 f., 240, 322, 369
elektromagnetischen Feld siehe EM-Feld

Elektromagnetismus 36, 51, 53, 322

Elektronen-Tunneleffekt 111–113 siehe auch Tunneleffekt

Elektronenmikroskope 10, 23, 25

Elektronenpaare 89, 225, 228, 232, 235, 238

Elektronensprünge 105, 108

Elektronentransfer 102, 105, 108, 112 f.

Elektronenüberträgermoleküle 370

Elektronenübertragung 105, 107 f., 111

Elektronenwellen 10, 112

EM-Feld 321–324

Emlen-Trichter 218 f., 219, 238

Emlen, John 218

Emlen, Steve 218, 220

Emperor’s New Mind, The (1989) 305

Engel 37

Engel, Greg 27, 153, 157, 160, 361, 391

Enten 286

Entrainment 208, 234

Entropie 41

Enzymreaktionen 111, 113 f., 117, 150, 192, 279
erbliche Abwandlungen 258–260, 262, 272
erbliche Faktoren 45, 259 f.

erbliche Mutationen 262

Erbsen 45, 256, 259, 383

Erdmagnetfeld 4, 6 f. 31, 210 f., 213 ff., 219, 231, 239, 235

Eulen 286

Europa (Jupitermond) 244

Evolutionstheorie 5, 256 f., 259 f., 271 f., 274

Exciton 149 ff., 149, 153 f., 154, 157 f., 312, 316, 358–361, 363 ff., 369 f., 373, 391 f.

Exercitationes de generatione animalium (1651) 45
extrazelluläre Matrix 79 ff., 92, 94

Extremophilen 244

Fantastic Voyage (1966) 92
farbiges Rauschen 360, 364 f., 374, 380

Fenna-Matthews-Olson-Protein 153

Fermentation 78

Feynman, Richard 51, 72, 92, 100 f., 122 ff., 126, 157, 306, 381, 395

Findet Nemo (2003) 164

Finding Nemo (2003) 164

Finken 5, 219

Fleming, Graham 152, 152, 154–157, 197, 361, 364

Fliegen-T-Labyrinth-Experiment 197 f., 208 f., 211

FMO-Komplexe 154–157, 160, 391

FMO-Protein 153

Formation de l’esprit scientifique, La (1938) 163
fossile Brennstoffe 49, 373, 382

Fossilien 73 ff., 81, 179, 256, 330, 373

Foster, Norman 385

Frankenstein 51

Franklin, Rosalind 47
freie Energie 41 f.

Freud, Sigmund 173

Fromme, Hans 216

Frösche 3, 81, 84, 92 ff., 96, 98 f., 120 f., 166

Galen 172

Galilei, Galileo 36

Gamow, George 108

Ganymed (Jupitermond) 29

Gärung 44, 78

Gasgesetze 64 ff.

Gebäude aus künstlichen lebenden Zellen 386

Generationen 45 ff., 61, 63, 81, 160, 200, 247, 249, 253, 259–262, 312, 389, 398

Geodynamo-Effekt 212

Gerlach, Gabriele 166 f., 197, 211

Geruchsrezeptoren 201 f., 247, 293 f., 316, 394

Geruchssinn 26, 167–174, 176, 198 ff., 203, 209, 211, 293

Geschmacksrezeptoren 172 f.

Geschmackssinn 172
gespenstische Fernwirkung 18, 228, 240, 315

Gherkin, The 385

Ghostbusters (1984) 80

Gilbert, Jim 207

Gitarren 53 ff., 153, 188, 193, 196, 201, 360

Godbeer, Adam 281

Gödel, Kurt 313 f., 317, 323

Goldener Reis 384

Gondwana 241

Gravitation 11, 36, 161, 315, 321

Gribbin, John 273

Grinsekatze 48

Grönland 325–328, 328, 331, 336 f., 347, 353

Gross, Jerome 84, 92

Grotte Chauvet siehe Chauvet-Höhle

Gurney, Ronald 108

Haie 164, 167, 170

Haldane, J. B. S. 331–335

Hameroff, Stuart 314–320

Hamlet (1603/04) 32, 72 f.

Hanczyc, Martin 387 f.

Handschuhe 187, 190, 229 f.

Hansen, Christan 83

Harvey, William 38, 45

Hasler, Arthur 168

Heisenberg, Werner 55 ff, 59, 61, 362

Heisenberg‘sche Unschärferelation 20, 63

Hell Creek 74, 84

Hendrix, Jimi 188, 201

Henne-Ei-Dilemma 339

Hermogenes 34

Herschbach, Dudley 233

Herzog, Werner 287

Hillaire, Christian 284

Hirsche 183, 287

Hofstadter, Douglas 314

Höhle der vergessenen Träume, Die (2011) 287

Homo erectus 171

Homo sapiens 74

Hooke, Robert 43

Hooker, Joseph 325

Hopfield, John 111

Hore, Peter 231

Hormon, Bob 74

Horner, Jack 74

Hoyle, Fred 337

Huelga, Susana 361

Hühnersuppe 336

Hund, Friedrich 108

Hunde 169 f., 170, 173, 205, 226, 289

Huxley, Thomas 221

Hyänen 286

Hydrolyse 89 f.

Hypothese der RNA-Welt 340

IETS (inelastische Elektronen-Tunnelspektroskopie) 192

In Search of Schrödinger’s Cat (1984) 273

Indigofinken 219
industrielle Revolution 38, 82, 368
inelastische Elektronen-Tunnelspektroskopie 192
inelastischer Tunneleffekt 193, 202 f.

Interferenz, destruktive 128 f., 128, 139 f., 319, 371

Interferenz, konstruktive 128 f., 128, 140, 319

Interferenzmuster 127 ff., 130–136, 131, 133, 143 f., 153, 371

Inuit 326 f.

Ion, Definition 95

Ionen 95, 176, 301 f., 302, 318–322

Ionenkanäle 299, 301 ff., 302, 318–324, 398

Isua 328 ff., 328, 329, 332, 337, 343, 347, 387

Jacobson-Organ 171

Jinks-Robertson, Sue 270

Johannsen, Wilhelm 260

Jordan, Pascual 61 ff., 70, 98 f., 162, 357, 375

Jupiter 29, 244, 366

Kanonenkugeln 43, 51, 57, 355 f., 355

Katalysatoren 82 f., 85, 88, 91, 99, 121

Katalyse 82, 97 ff., 289

Katzen 48, 289

Kaulquappen 81, 84, 92 ff., 120

Keller, Andreas 197, 199
kinetischer Isotopeneffekt 114–118, 196, 279, 333

Kinsbourne, Marcel 304
klassische Physik 11, 36, 53 f., 63, 65 f., 129

Klinman, Judith 114, 117, 119, 374

Knoll, Max 10

Kohärenz 101, 143 f., 308 f., 310, 317, 354, 356, 358 f., 361, 371, 375, 379 f. siehe auch Dekohärenz sowie Quantenkohärenz

Kollagen 73, 75 ff., 79 ff., 84, 88 f., 89, 94-97, 97, 118, 349

Kollagenase 76 ff., 80, 82 f., 84, 88 f., 92, 94 f., 97–101, 97, 113, 118, 120

Kollagenfasern 75 f., 79–82, 84, 92, 94 ff., 120

Kollagenkette 76, 113, 120

Konvektionsströmungen 366, 388

Kopernikus 5

Kratylos 34

Kritische Theorie der Formbildung (1928) 61

Kugel-Stab-Biomoleküle 101, 124

Kühne, Wilhelm Friedrich 78, 82
künstliche Enzyme 100
künstliche Getreidepflanzen 383
künstliche Intelligenz 9, 297
künstliche lebende Zellen für Gebäude 386
künstliche Photosynthese 160, 392
künstliche Protozellen 387, 390, 394 f.

künstliche Selektion 382
künstliches Leben 50, 337, 386, 390, 395
künstliches Magnetfeld 216 f.

Lachse 3, 168 ff.

Lactose 274, 276 ff.

Lamarck, Chevalier de 256 f., 259, 262, 272
lamarckistische Evolutionstheorie 257, 259, 262 f., 272

Lavoisier, Antoine 38

Leask, Mike 233 f.

Lebenskräfte 44, 78

Lecommandoux, Sebastien 388 f., 391

Leeuwenhoek, Anton van 43

Leib-Seele-Problem 296

Ley-Lines 5

Lichtrezeptoren 22, 210

Life on the Edge (2014) 20

Limonenmoleküle 175 f., 181

Lloyd, Seth 124, 154 f., 361

Longuet-Higgins, Christopher 68

Löwdin, Per-Olov 254, 267, 273 f., 278

Löwen 286

Ludec, Stéphane 386

Luria, Salvador 262 f., 271 f., 274

Ma vie souterraine (1966) 284

MacDougall, Duncan 34

Magnetfeld der Erde 4, 7, 21, 212 f., 216 f., 232 f., 236, 238

Magnetosphäre 212

Magnetresonanztomographie siehe MRT

Magnetsinn 4, 6 f., 16, 21, 30, 32, 210 f., 213–218, 220, 223, 233 ff., 237, 240, 316

Mammut 286 f.

Manhattan-Projekt 333

Marcus, Rudolph 105

Mars 29, 32, 227, 386

Masel, Rich 49

Max-Planck-Institut 220, 222

Maxwell, James Clerk 36, 321

McCarthy, Cormac 382

McCarthy, Joseph 333

McFadden, Johnjoe 27, 273, 275, 277, 279, 314, 321

McGregor, Vic 326 ff.

Mechanisten 60

Mechanosensoren 294

Meerschweinchen 38

Mendel, Gregor 45 f., 259 f.

Mendels Faktoren 45 f., 259 ff.

Mercaptane 186

Mercer, Ian 156

Merkel, Fritz 216

Messungen 19 f., 24–26, 59, 137, 139 f., 141 f., 229 f., 243, 269 f., 273, 275 f., 321, 328, 330, 362 f.

Metabolismus 76, 388

Michel-Beyerle, Maria-Elisabeth 221 f.

Middendorf, Aleksandr von 212 f.

Mikrotubuli 312–318, 320

Miller-Urey-Experiment 334 f.

Miller, Stanley 333 ff., 347

Mitochondrien 44, 102 ff., 121, 158

Molekularbiologie 68, 111, 124, 178, 271, 273 f.

molekulare Zufallsverteilung 24 f.

molekulares Rauschen 358 ff., 363 f., 371, 377, 393

Monarchfalter 3, 204–211, 236, 399

Mond 2, 29 f., 37, 40, 165

Monismus 304

Moorbath, Stephen 327 f.

Morgan, Thomas Hunt 261 f.

Mori, Kensaki 189

Moschus 183 f., 184, 189, 199 f.

motorische Nerven 299, 302 f.

Mouritsen, Henrik 236, 239

Mozart, Wolfgang Amadeus 292

MRT 9, 15 f., 23, 25, 69, 215

Mutationen 67, 171, 179, 209 f., 248 f., 255 f., 261 ff., 266–275, 267, 277 ff., 283, 332

Nachtfalter 170, 173

NADH (Nicotinamid-Adenin-Dinucleotid-Hydrid) 103, 114, 158

Nano-U-Boot 92 f., 120, 145 ff.

Nanomaschinen, biologische 73, 76, 96, 103

Nanotechnologie 92, 145

NASA 30, 122, 171, 311

Nashörner 286 f.

Natriumchlorid 252
natürliche Selektion 8, 96, 257 f., 260 f., 263, 271, 332, 340, 363, 382

Nazi-Ideologie 62

Neigungskompass 6 f., 17, 211, 217 f.

Neodarwinisten 262 f., 271

Nerv-Muskel-Endplatte 301, 324
neuronales Netz 111, 292, 303 f., 318 ff., 323

Neuronen 174, 174, 176, 178–181, 194, 201, 215, 293 ff., 298, 299, 300, 302–306, 315 f., 318, 320, 322 ff.

Neurotransmitter 121, 299-303, 300, 302, 316, 324

New York Times 124 f, 144, 305, 347

Newton, Isaac 36, 38, 123, 399

Newton‘sche Gesetze 11, 33, 36, 57, 124, 355 f.

Newton‘sche Mechanik 36, 51, 109, 161, 355, 377, 380

Newtons Apfelbaum 36, 123, 145, 162

Nichtlokalität 226

Nicotinamid-Adenin-Dinucleotid-Hydrid 103, 114, 158

Nietzsche, Friedrich 163, 171

Nishimura, Mitsuo 107

Nombre Noir (Parfüm) 191, 293

Nordpol 6 f., 7, 212, 217, 237, 306

Nucleinsäuren 250, 335

Nucleotide 47, 251, 268

Odotoptheorie 189 f.

Öl-in-Wasser-Tröpfchen 387 f.

Olaya-Castro, Alexandra 364
olfaktorische Neuronen 174, 174, 176, 178, 181, 194, 299

On the Origin of Species (1859) 257

Oparin-Haldane-Hypothese 331, 333 f.

Oparin, Alexander 331–335

Orangeringel-Anemonenfisch siehe Clownfisch

Orchester 359, 364

Ordnung aus Chaos 367

Ordnung aus Ordnung 67, 70, 98, 254

Ordnung aus Unordnung 65 ff., 69, 355 f., 356, 366 f., 375 f.

Organellen 44, 102, 158

Organiker 60

Oxidation 102, 157 f., 370

Panspermie 331

Panther 286
paranormale Phänomene 18, 213, 223, 323

Pasteur, Louis 44, 78

Patel, Apoorva D. 352

Pauli-Ausschlussprinzip 225

Paulus 204

Pawlow‘sche Konditionierung 198

Pearce, Mick 385

Penrose-Hamerhoff-Hypothese (Bewusstseins-Theorie) 315 ff., 320

Penrose, Roger 305, 312, 314–317, 320, 323

Peptidbindungen 79 f., 89 ff., 89, 94, 96–100, 97, 120

Pfeilparadoxon 361 f.

Pferd 256, 286 f., 289 f.

phantastische Reise, Die (1966) 92

Phillips, Peregrine 82 f.

Photosynthese 22, 44, 85, 103, 112, 124, 145–153, 156 f., 159–160, 202, 209, 247, 277, 288, 305, 312, 316, 319, 323, 330, 337, 347, 352, 357–365, 367, 369 f., 372 ff., 382, 391–395, 397 f.

Picosekunde 317

Planck, Max 5, 52, 54

Platon 34

Plenio, Martin 361, 364

Polarisation 19 ff., 24

Potrykus, Ingo 383

Proteasen 76, 83

Proteinketten 79, 94 f., 96

Proto-Selbstreplikator 349, 351

Protoenzym 347–350

Protonen-Tunneleffekt 113 f., 117, 279, 282, 373 f.

Protoplasma 44, 60

Protozelle 387–395

Pseudogene 179
ptolemäisch-geozentrisches Sonnensystem-Modell 5

Qi 34

Quant 53, 118–121, 141

Quanten-Ionenkanäle 318–324

Quanten-Protozelle 390–395

Quanten-Superposition siehe Superposition

Quanten-Tunneleffekt 108–111 siehe auch Tunneleffekt

Quanten-Wärmekraftmaschine 369, 371 f., 392

Quanten-Zeno-Effekt 361 ff.

Quantencomputer 124 f., 144, 154, 160, 200, 305 f., 308–312, 310, 314 f., 317, 349, 352, 359

Quanteneffekte 25, 70, 113, 117, 119, 357, 371, 379

Quantenfahrt 155, 347

Quanteninterferenz 372

Quantenkohärenz 25, 118 f., 142, 144, 152 f., 152, 155 f., 160 f., 277, 312, 316 f., 319, 352, 357, 359 ff., 363, 365, 371, 373, 377, 391–395

Quantenmessungen 20, 24 f., 141–145, 230, 269 f., 273, 275

Quantenpfad 155

Quantenschwebung 152–162

Quantenspin 14, 19 f., 223–231

Quantentheorie 5, 52 f., 55, 161

Quantentransport

Quantenverschränkung 17 f., 21 f., 24 f., 137, 220, 222 f., 226, 228, 230, 239, 288, 307–310, 307, 310, 312, 315 f., 320, 354, 356, 375, 377, 379 f., 394

Quantum Evolution (2000) 277, 314
quantum walk 155

Qubit 306–312, 307, 310, 315 f., 319, 349 f.

Radfahrer 115 ff.

Radikalpaare 22, 222, 232 ff., 236 f.

Raman-Spektrum 185 f.

Raman, Chandrasekhara Venkata 185 ff.

Ratten 170, 173, 179

Raumschiffe, lebende 386

Rauschen 67, 142, 239, 358–361, 363 ff., 371, 373 ff., 377, 380, 393 f.

Reaktanten 82, 86, 88

Reaktionszentrum (Protein), 151 f., 154 f., 154, 157, 352, 359 f., 365, 369 f., 373, 392

Reaumur, René Antoine Ferchault 77 f.

Réflexions sur la puissance motrice du feu (1814) 368

Reis 308 f., 383 f.

Relativitätstheorie 11, 19, 21, 32, 52, 161, 227

Replikatoren 332, 335, 337 f., 340, 343 ff., 347–353

Reppert, Steven 210 f., 236

Rezeptorneuron 201, 215

Ribose 341

Ribozyme 339 ff., 343, 387 ff.

Ritz, Thorsten 22, 27, 235–238

RNA 179, 269, 337–347, 352, 379, 387 f.

RNA-Basen 340 f.

RNA-Ketten 339, 343

Road, The (2006) 382

Rosenberg, Ethel 333

Rosetta (NASA-Sonde) 30

Rosing, Minik 329

Rotkehlchen 210–212, 216 ff., 222, 231, 234, 236, 238 ff., 289, 356, 394, 397 ff.

Rotkelchige Nachtkerze 261

RuBisCo (Enzym) 159

Ruska, Ernst 10

Rutherford, Ernest 53

Saadi 367

Sanduhr 87 f., 88, 90 f., 96 f.

Saturn 29

Schachbrett 308 f., 349

Schallwellen 12, 112, 129, 173

Schatten des Geistes (1994) 314

Schiffe 181, 374–381, 377, 380

Schildkröten 3, 214

Schlammvulkane 328 ff., 332, 336

Schlangen 173

Schmiere 331–336, 341

Schnappkieferameise 31 f.

schnelle Triplettreaktion 17, 22

Scholes, Greg 27, 156

Schrödinger-Gleichung 56 f., 308

Schrödinger, Erwin 51, 56 f., 59, 61, 63–71, 98 f., 124, 161, 228, 247, 252–255, 263, 273, 282, 316, 355, 357, 367, 374, 376

Schulten, Klaus 17, 21 f., 25, 220–223, 225, 232–236

Schwarzkörperstrahlung 5

Schwefelwasserstoffgruppe 184

Schweitzer, Mary 74 ff., 84, 92, 381

Schwingungsdetektor 188

Schwingungstheorie 187 ff., 194 f., 197, 199

Scrutton, Nigel 27, 117, 119, 373

Scully, Marlan 370, 372, 392

Seele 34 f., 37, 44, 49, 296, 304, 378 f.

Selbstassemblierung

Selbstreplikatoren 337 f., 343 ff., 347 ff., 351 ff.

Selektivität 318 f.

Senfgas 182 f.

Serpentingestein 331, 347

Shadows of the Mind, The (1994) 314

Shakespeare, William 72, 171, 177, 374, 394, 396

Sheldrake, Rupert 5

Shelley, Mary 51

Shepherd, Gordon 189

Shor-Algorithmus 311

Shor, Peter 311

Skoulakis, Efthimios 197, 199

Sokrates 34, 313

Sonne als Kernfusionsreaktor 11

Sonnenenergie 149 f., 160, 373, 382

Sonnenkompass 207 f., 210
spezielles Paar 372

Spin 14, 17, 25, 223–232, 299, 311 f.

Spin-Singulettzustand 225

Spin-Triplettzustand 225

Spottdrosseln 5

Staerk, Hubert 220 ff.

Stardust (NASA-Mission) 30

Steinzeitmensch 292, 325

Steuerungsszentrum 62, 96, 394

Stoffwechsel 76, 85, 147, 245, 247, 332, 389

Stoneham, Marshall 200

Straße, Die (2006) 382

Stratigraphie 327

Sturm, Der (1611/1623) 374, 394, 396

Südpol 6 f., 7, 217, 241 f., 306

Summhammer, Johann 319

Superposition 13–16, 20, 23 f., 26, 125, 139, 142 f., 224, 228–232, 235, 237 ff., 275–280, 307, 307, 315 f., 348 ff., 352, 356, 363, 371, 375, 380

Sutton, Walter 46

Synapsen 300 f., 300, 303, 324
synthetische Biologie 49

Szent-Györgyi, Albert 105

Szostak, Jack 388

Taufliegen 197, 203, 209 ff., 234, 236, 240, 261 f., 399

Tautomere 251, 264, 266 ff, 267, 275 f., 280

Tautomerisierung 263

Tautomerposition 266, 276, 280 ff., 281

Teleportation 9

Teller, Edward 333

Tensorwechselwirkung 14

Tetrahymena 339

Theorie des Übergangszustandes 85, 90 f., 99 ff.

Thermodynamik 33, 38–43, 45, 48, 51, 63 f., 66, 68 f., 355 f., 355, 368, 377, 380, 390

Tinba 345 f.

Tod 34, 62, 378, 380

Top-down-Methode 384

Tornado 337, 366

Triplettreaktion 17, 22, 25, 220, 222, 232

Troktolith (Meteoritentyp) 30

Truman, Harry S. 333

Tunneleffekt 12 f., 23, 26, 108–114, 117–121, 145, 161, 192 ff., 196, 200–203, 264, 267 ff, 275, 277 ff., 282, 316, 333, 348–352, 354 f., 373 ff., 377, 379 f., 393, 398

Turin, Luca 191 f., 194–197, 199, 293

Tyrannosaurus rex 72 f., 79 f., 92, 240, 289

Über die Entstehung der Arten (1859) 257

Übungen über die Erzeugung der Tiere (1651) 45

Unvollständigkeitssätze 312 ff.

Urey, Harold 333 ff.

Urknall 13, 296, 337

Urquhart, Fred und Norah 204 ff., 208

Urreplikator 332, 335

Ursuppe 76, 335–342, 345, 347

Vedral, Vlatko 27, 239

Venter, Craig 50, 336 f., 384, 394

Vererbung, Ungenauigkeit 67, 255 f.

Verschränkung siehe Quantenverschränkung

Violine 53 f., 365

Virchow, Rudolf 43

Viren 10, 15, 262 f., 271 f., 336, 338, 345

Vitalisten 44, 60, 82

VMO (Vomeronasalorgan) 171

Vosshall, Leslie 197, 199

Voyager-Missionen 29 f., 244

Wallace, Alfred Russel 257

Was ist Leben? (1944) 63, 67

Was ist Leben? 50 Jahre nach Erwin Schrödinger (1993) 69

Wasserstoff-Atomkern 12, 90, 253

Wasserstoffbrücken 250 f., 253, 264 f., 268, 276, 281 f., 352

Watson, James 46 f., 249, 250 f., 253, 262 f., 265 ff., 271
weißes Rauschen 360, 364 f., 371, 380

Welle-Teilchen-Dualität 9f., 12

Wellenfunktion 57 ff., 61, 138 ff., 142, 144, 275, 315

Wellenlängen 10, 54, 126 f., 130, 141

Wellenmechanik 57, 63

Wellentheorie 52

What is Life? (1944) 63, 67

What is Life? The Next Fifty Years (1993) 69

Wikingersiedler 325 f., 328

Wiltschko, Wolfgang und Roswitha, 6 f., 16, 21 f., 215–220, 222 f., 234, 236 ff.

Wöhler, Friedrich 44

Wolke der Wahrscheinlichkeit 112

World Wide Web 304 f.

Wostok-Station 242 f., 246

Wostoksee 243–246, 249, 255, 282

Wright, Robert H. 188, 200

Yeagley, Henry 13 f.

Young, Thomas 128

Zellatmung 102 ff., 159, 393

Zellmembran 146, 174, 176, 178, 181, 202, 300, 302, 318, 337

Zeno von Elea 361

Zeno-Paradox 362

Zitteraal 31

Zombies 291, 296, 304, 324

Zucker 46 ff., 103, 121, 146 f., 158 f., 211, 250 f., 274, 335, 337, 341, 393

Zufallspfad 151

Zufallsprinzip 25, 38 f., 64 f., 69, 150, 168, 198, 262 f., 341, 366, 376

Zugvögel 3, 5, 212 f., 219, 236

Zustandsgleichung idealer Gase 64

Zweidimensionale Fourier-Transform-Elektronenspektroskopie 153

Fußnoten

Kapitel 1: Einleitung

[1] Herkömmlicherweise werden die deterministischen physikalischen Theorien, die der Quantenmechanik vorausgingen, einschließlich der speziellen und allgemeinen Relativitätstheorie, zusammenfassend als »klassische« Physik bezeichnet – im Gegensatz zur »nicht klassischen« Quantenmechanik.

[2] Allerdings wäre es falsch, sich vorzustellen, dass physikalische Wellen beim Tunneleffekt durch Lücken in einer Barriere dringen; vielmehr besteht für abstrakte mathematische Wellen eine gewisse Wahrscheinlichkeit, dass sie sofort das Quantenteilchen auf der anderen Seite der Barriere finden. Wir bemühen uns in diesem Buch, zur Erklärung von Quantenphänomenen so weit wie möglich intuitive Analogien zu verwenden, in Wirklichkeit widerspricht die Quantenmechanik aber völlig der Intuition, und es besteht die Gefahr, dass man aus Gründen der besseren Verständlichkeit zu stark vereinfacht.

[3] Von jedem chemischen Element gibt es verschiedene Formen, die man Isotope nennt. Ein Element ist durch die Zahl der Protonen in den Kernen seiner Atome definiert: Wasserstoff enthält ein Proton, Helium zwei, und so weiter. Die Zahl der Neutronen im Atomkern kann aber schwanken. Deshalb gibt es drei Formen oder Isotope des Wasserstoffs: Die Atome des normalen Wasserstoffs enthalten nur ein Proton, bei den schwereren Isotopen Deuterium und Tritium kommen zusätzlich noch ein beziehungsweise zwei Neutronen hinzu.

[4] Wissenschaftlich ausgedrückt, verdankt das Deuteron seine Stabilität der »Tensorwechselwirkung«, einer Eigenschaft der Kernkraft, die das Proton und das Neutron zusammenhält und das Paar zwingt, sich in einer Quanten-Superposition zweier Drehimpulszustände aufzuhalten, die man S-Welle und D-Welle nennt.

[5] Wir sollten klarstellen, dass sich Quantenphysiker nicht einer derart stark vereinfachten Sprache bedienen. Korrekter wäre: Zwei weit voneinander entfernte, aber verschränkte Teilchen sind nichtlokal verbunden, weil sie Teile des gleichen Quantenzustandes sind. Aber eine solche Formulierung hilft uns hier nicht viel weiter, oder?

[6] Da man sich Licht aber nicht nur als Teilchen, sondern auch als Welle vorstellen kann, ist der Begriff der Polarisation (im Gegensatz zum Quantenspin) leichter zu verstehen, wenn man sich darunter die Richtung vorstellt, in der eine Lichtwelle schwingt.

[7] Auch hier vereinfachen wir der besseren Verständlichkeit wegen absichtlich übermäßig stark. Wenn wir eine bestimmte Eigenschaft eines Quantenteilchens – beispielsweise seine Position – messen, heißt das, dass wir in der Frage, wo es sich befindet, nicht mehr unsicher sind: In einem gewissen Sinn wird es in den Brennpunkt gerückt und ist nicht mehr unscharf. Das heißt aber nicht, dass es sich nun wie ein klassisches Teilchen verhalten würde. Nach dem Heisenberg’schen Unschärfeprinzip hat es jetzt keine feste Geschwindigkeit mehr. Ein Teilchen an einer definierten Position befindet sich zu diesem Zeitpunkt sogar in einer Superposition und bewegt sich mit allen möglichen Geschwindigkeiten in alle möglichen Richtungen. Und was den Quantenspin angeht, den man nur in der Quantenwelt findet, so führt seine Messung sicher nicht dazu, dass sich das Teilchen klassisch verhält.

Kapitel 2: Was ist Leben?

[1] Ende des 19. Jahrhunderts wies der schottische Physiker James Clerk Maxwell nach, dass elektrische und magnetische Kräfte zwei Aspekte der gleichen elektromagnetischen Kraft sind.

[2] Gemeint ist hier die amerikanische Form des Billards, auch Pool-Billard genannt.

[3] »Freie Energie« gehört zu den wichtigsten Begriffen der Thermodynamik; er entspricht ziemlich gut der hier gegebenen Beschreibung.

[4] Allerdings sollte man darauf hinweisen, dass manche Biochemiker auch Vitalisten waren.

[5] Allerdings galten Averys Experimente zu jener Zeit nicht als definitiver Beweis, dass DNA das genetische Material ist – die Diskussion köchelte noch bis zur Zeit von Crick und Watson weiter.

[6] Ein Mikroliter Wasser hat ein Volumen von einem Kubikmillimeter.

[7] Diese Beziehung steckt in der Gleichung, die Max Planck im Jahr 1900 formulierte: E = hν; Dabei ist E die Energie, ν die Frequenz und h die sogenannte Planck-Konstante. Aus dieser Gleichung kann man ablesen, dass die Energie proportional zur Frequenz ist.

[8] Dieser Vorgang wird manchmal als »Zusammenbruch der Wellenfunktion« bezeichnet; in den heutigen Standardlehrbüchern bezeichnet man damit nicht den physischen Zusammenbruch einer echten Welle, sondern eine Veränderung in der mathematischen Beschreibung des Elektrons.

[9] Max Born stellte als Erster in der Quantenmechanik die Verbindung zwischen Schrödingers Wellenfunktion und Wahrscheinlichkeiten her.

[10] Das Gesetz wird mit der Gleichung PV = nRT beschrieben; dabei ist n die betrachtete Gasmenge, R die universelle Gaskonstante, P der Druck, V das Volumen und T die Temperatur.

Kapitel 3: Die Motoren des Lebendigen

[1] Der Wortbestandteil »Nano«- bezeichnet Strukturen in der Größenordnung von einem Nanometer, das heißt einem Milliardstel Meter.

[2] Hefen sind einzellige Pilze.

[3] Es gibt natürlich wichtige Ausnahmen: Substanzen wie Sauerstoff reagieren gern, werden aber durch Prozesse auf unserem Planeten auch ständig neu gebildet, insbesondere durch Organismen wie Pflanzen, die Sauerstoff in die Atmosphäre abgeben.

[4] Die Ausgangssubstanzen einer chemischen Reaktion bezeichnet man auch als Edukte oder Reaktanten; wird die Reaktion aber durch ein Enzym oder einen anderen Katalysator beschleunigt, spricht man nicht von einem Edukt, sondern von einem Substrat.

[5] Die Namen der meisten Enzyme beginnen mit dem Namen des Ausgangsmoleküls oder Substrats, das in der Reaktion verbraucht wird, und enden auf -ase: Kollagenase ist also ein Enzym, das auf Kollagen einwirkt.

[6] Solche Bindungen bezeichnet man als kovalent.

[7] Ein Ion ist ein Atom oder ein Molekül, das eine elektrische Ladung trägt, weil ihm Elektronen fehlen (positives Ion) oder weil es überzählige Elektronen enthält (negatives Ion).

[8] Erinnern wir uns noch einmal an Kapitel 2: Organellen sind die »Organe« der Zellen, innere Strukturen, die bestimmte Funktionen wie die Atmung ausführen.

[9] In der Wissenschaft wird meist das Kelvin (K) als Temperatureinheit benutzt. Eine Veränderung um 1 Kelvin entspricht einer Veränderung um den Betrag von 1 Grad Celsius. Die Kelvin-Skala beginnt aber beim absoluten Nullpunkt, das heißt bei – 273 Grad Celsius. Die Körpertemperatur des Menschen beträgt demnach beispielsweise 310 K.

[10] Die Frage, warum Quanten-Tunneleffekte dann notwendig sein sollen, um die Kernverschmelzungsvorgänge im Inneren der Sonne zu erklären, ist durchaus berechtigt. Aber dort reichen selbst die unglaublich hohen Temperaturen und Druckverhältnisse nicht aus, um die elektrische Abstoßung zu überwinden, die die Verschmelzung zweier positiv geladener Protonen verhindert; deshalb muss die Quantenmechanik auch hier Hilfestellung leisten.

Kapitel 4: Quantenschwebungen

[1] Als Schwebungen bezeichnet man Lautstärkeschwankungen – eine Art Pulsieren –, die entstehen, wenn zwei Töne nahezu die gleiche Frequenz haben und demnach fast gleich klingen.

[2] Die Schlitze müssen tatsächlich sehr schmal sein und sehr dicht nebeneinanderliegen. In den Experimenten, die man in den 1990er Jahren machte, handelte es sich bei dem Schirm um eine Goldfolie, und die Schlitze waren ungefähr einen einzigen Mikrometer (ein Tausendstelmillimeter) breit.

[3] Wir gehen hier davon aus, dass der Detektor eine Effizienz von 100 Prozent hat und auf jeden Fall reagiert, wenn ein Atom den von ihm beobachteten Spalt passiert, ohne dass er jedoch den Weg des Atoms beeinträchtigt. In der Praxis ist das natürlich nicht möglich, denn wie wir noch genauer erfahren werden, stören wir durch den Akt der Beobachtung zwangsläufig den Durchgang des Atoms.

[4] Eine Femtosekunde ist ein Millionstel einer Milliardstelsekunde (10-15 Sekunden).

[5] Im Problem des Handlungsreisenden geht es darum, den kürzesten Weg durch eine große Zahl von Städten zu finden. Mathematisch wird es als NP-schweres Problem bezeichnet: Es gibt dafür auch theoretisch keine Abkürzung zu einer Lösung, sondern die optimale Lösung findet man nur, indem man mit großem Rechenaufwand alle möglichen Routen erschöpfend überprüft.

[6] Die Formulierung »Verbrennung von Wasser« bedeutet natürlich nicht, dass Wasser ein Brennstoff wie Kohle wäre; der Begriff wird hier vielmehr in einem weiten Sinn gebraucht und bezeichnet den molekularen Prozess der Oxidation.

[7] Hier müssen wir allerdings eine Einschränkung vornehmen: Die Gravitationskraft lässt sich mit der Quantenmechanik bisher nicht erklären, weil die allgemeine Relativitätstheorie (mit der wir die Gravitation erklären) mit der Quantenmechanik unvereinbar zu sein scheint. Die Vereinigung von Quantenmechanik und allgemeiner Relativitätstheorie zu einer Quantentheorie der Gravitation ist bis heute eine der größten ungelösten Aufgaben in der Physik.

Kapitel 5: Findet Nemos Heim!

[1] Leider wird diese Bekanntheit heute in freier Wildbahn zu einer Bedrohung für die Tiere: Sie sind zu Lieblingen von Wilderern geworden, die massenhaft Tiere abfischen, um den blühenden Aquarienmarkt mit Clownfischen zu versorgen. Man sollte also zu Hause keinen »Nemo« halten; diese Fische gehören in echte Korallenriffe!

[2] Zu diesem Zeitpunkt begünstigen wahrscheinlich die stärkeren Gezeiten die Verbreitung der Eier.

[3] Man achte auf den unausgesprochenen Rassismus!

[4] chemisch: 1-Methyl-4(1-methylethenyl)-Cyclohexen.

[5] Ein Picoampere ist ein Billionstel (10-12) Ampere.

[6] »Exprimieren« bedeutet, dass ein Gen aktiv ist, das heißt, seine Information wird in RNA umgeschrieben, die dann zum Proteinsyntheseapparat wandert und dazu dient, das von dem betreffenden Gen codierte Protein, beispielsweise ein Enzym oder einen bestimmten Geruchsrezeptor, zu erzeugen.

[7] Moschus wurde traditionell aus einer ganzen Reihe natürlicher Quellen gewonnen, unter anderem auch aus den Geschlechtsdrüsen der Moschushirsche, den Gesichtsdrüsen der Moschusochsen, den Exkrementen des Baummarders und dem Urin des Klippschliefers. Heute werden Moschusdüfte aber fast ausschließlich synthetisch hergestellt.

[8] Zu einem chiralen Molekül gibt es ein Spiegelbild, das sich nicht mit ihm zur Deckung bringen lässt.

[9] In Wirklichkeit hielt Hendrix eine Rechtshänder-Gitarre verkehrt herum, aber er kehrte auch die Reihenfolge der Saiten um, so dass sich das hohe E in der gleichen Position befand wie bei einer Linkshänder-Gitarre.

[10] So riechen zum Beispiel sowohl (4S,4aS,8aR)-(K)-Geosmin als auch das spiegelbildliche Molekül (4R,4aR,8aS)-(C)-Geosmin »erdig« oder »moderig«.

[11] Als Anosmie bezeichnet man die Unfähigkeit, Gerüche wahrzunehmen: Dieser Zustand ist bei Menschen in der Regel mit Verletzungen des Nasenepithels verbunden, man kennt aber auch seltene genetisch bedingte Formen.

Kapitel 6: Der Monarch und das Quantenrotkehlchen

[1] Der Begriff »Triplett« kann hier zu Verwirrung führen, wenn man kein Experte für Quantenmechanik ist, insbesondere da er sich nur auf ein Elektronenpaar bezieht. Deshalb hier eine ganz kurze Erklärung: Man sagt, ein Elektron habe einen Spin von ½. Wenn also die beiden Elektronen in einem Paar einen entgegengesetzten Spin haben, heben die Werte sich auf: ½-½ = 0. Dies nennt man den Spin-Singulettzustand. Weist der Spin jedoch bei beiden in die gleiche Richtung, addieren sich die Werte: ½ + ½ = 1. Der Begriff »Triplett« bezieht sich auf die Tatsache, dass ein kombinierter Spin von 1 in drei Richtungen weisen kann (aufwärts, abwärts und seitwärts).

[2] Die beiden ungepaarten Elektronen in einem Sauerstoffmolekül, die dort die beiden Atome zusammenhalten, befinden sich normalerweise in einem Spin-Triplettzustand.

[3] Hühner sind natürlich keine Zugvögel (auch die Wildformen nicht), doch offenbar hat sich die Fähigkeit zur Magnetwahrnehmung bei ihnen erhalten.

Kapitel 7: Quantengene

[1] Der Gletscherfuß, der heute über dem See liegt, wurde vor mehr als 400.000 Jahren abgelagert, aber der See dürfte schon sehr viel früher gefroren gewesen sein. Ob der heutige Gletscher an die Stelle früherer Eismassen getreten ist oder ob der See zwischen den Eiszeiten auch eisfreie Perioden erlebt hat, ist nicht geklärt.

[2] Lebewesen, die in einer (aus unserer Sicht) extremen Umwelt zu Hause sind.

[3] Krebserkrankungen entstehen durch Mutationen in Genen, die das Zellwachstum steuern; die Folge ist ein unkontrolliertes Wachstum der Zellen und damit ein Tumor.

[4] Natürlich könnte man sie ebenso gut als Wallace-Theorie der natürlichen Selektion bezeichnen und damit an den großen britischen Naturforscher und Geographen Alfred Russel Wallace erinnern, der auf einer Tropenreise während eines Malariaanfalls praktisch auf die gleiche Idee kam wie Darwin.

[5] Der Begriff »Genetik« wurde 1905 von dem englischen Genetiker William Bateson geprägt, einem Verfechter von Mendels Ideen; den Begriff »Gen« schlug vier Jahre später der dänische Botaniker Wilhelm Johannsen vor, um zwischen dem äußeren Erscheinungsbild eines Individuums (dem Phänotyp) und seinen Genen (dem Genotyp) zu unterscheiden.

[6] Die beiden möglichen Tautomerformen von Guanin und Thymin werden je nach der Lage der codierenden Protonen als Enol- oder Ketoform bezeichnet; die Tautomerformen von Cytosin und Adenin heißen Imino- oder Aminoform.

[7] Damit meinen wir ein Modell ohne strengen mathematischen Rahmen.

[8] In Wirklichkeit wird das Basenpaar durch mehrere Wasserstoffbrücken zusammengehalten, aber die Argumentation funktioniert auch, wenn wir das Bild vereinfachen und nur eine einzige unterstellen.

[9] Hungernde, gestresste Zellen sind weiterhin bestrebt, ihre DNA zu kopieren, aber in den meisten Fällen wird die Replikation eingestellt, weil zu wenig Ressourcen zur Verfügung stehen; deshalb entstehen nur kurze DNA-Abschnitte, die wenigen Genen entsprechen.

[10] Diese Frage wird derzeit in der Quantenbiologie hitzig diskutiert: Entdeckte das Lebendige die Vorteile der Quantenwelt, oder schwimmt die Quantenmechanik einfach nur mit?

Kapitel 8: Geist

[1] Was für viele Filmfans schockierend ist: Herzog drehte seinen Film in 3D.

[2] Die Größe des Internets abzuschätzen, ist nicht einfach, aber derzeit ist jede Webseite im Durchschnitt mit weniger als 100 anderen Seiten verlinkt, Neuronen dagegen haben präsynaptische Verknüpfungen mit Tausenden anderer Neuronen. Die Zahl der Links zwischen Webseiten liegt also bei etwa einer Billion, die Zahl der Verknüpfungen zwischen den Neuronen im Gehirn des Menschen dagegen ist ungefähr hundertmal größer. Allerdings verdoppelt sich die Größe des Web alle paar Jahre; deshalb rechnet man damit, dass es in zehn Jahren mit seiner Komplexität der des menschlichen Gehirns gleichkommt. Wird das Internet dann ein Bewusstsein haben?

[3] Für die Physiker unter unseren Lesern: Wir beschreiben hier eine Bloch-Kugel.

[4] In Wirklichkeit repräsentieren die Fäden den mathematischen Zusammenhang zwischen Phase und Amplitude der verschränkten Qubits, wie er seinen Ausdruck in der Schrödinger-Gleichung findet.

[5] Johnjoe möchte die Gelegenheit nutzen und sich bei Stuart Hameroff dafür entschuldigen, dass er dessen Namen in seinem Buch Quantum Evolution falsch geschrieben hat.

[6] Dies ist ein weiteres schwieriges Konzept, aber Penrose formuliert eine ganz eigene Interpretation des quantenmechanischen Messproblems: Er postuliert, dass die Gravitationswirkung ausreichend komplexer (und damit massereicher) Quantensysteme auf die Raumzeit zu einer Störung führt, die die Wellenfunktion zusammenbrechen lässt und damit Quantensysteme zu klassischen Systemen macht; dieser Prozess soll dann unsere Gedanken entstehen lassen. Diese außergewöhnliche Theorie ist in den Büchern von Penrose sehr gut und ausführlich beschrieben, aber man kann mit Fug und Recht behaupten, dass seine Vorstellungen derzeit unter Quantenphysikern nur wenige Anhänger haben.

[7] Eine Picosekunde ist ein Millionstel einer Millionstelsekunde (10-12 Sekunden).

Kapitel 9: Wie das Leben begann

[1] Nach heutiger Kenntnis kondensierte die Erde vor etwa 4,5 Milliarden Jahren aus Überresten des Sonnensystems, eine feste Kruste bildete sich aber erst ungefähr eine halbe Milliarde Jahre später.

[2] Unberücksichtigt bleiben hier die Viren, die sich nur mit Hilfe einer lebenden Zelle vermehren können.

Kapitel 10: Quantenbiologie: Leben am Rande des Sturms

[1] Mit diesem Begriff bezeichnet man häufig inkohärente molekulare Schwingungen.

[2] Diese Schwingungen haben eine recht kleine Amplitude und liefern deshalb nicht viel Energie.

[3] Pflanzen besitzen zwei Photosysteme, die als I und II bezeichnet werden.

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Table of Contents

- Titelseite
- Impressum
- 1. Einleitung
- 2. Was ist Leben?
- 3. Die Motoren des Lebendigen
- 4. Quantenschwebungen
- 5. Findet Nemos Heim!
- 6. Der Monarch und das Quantenrotkehlchen
- 7. Quantengene
- 8. Geist
- 9. Wie das Leben begann

- 10. Quantenbiologie: Leben am Rande des Sturms

- Epilog: Quantenleben
- Dank
- Anmerkungen
- Register
- Feedback an den Verlag
- Empfehlungen