Haben Sie sich jemals gefragt, wie einfache Organismen wie Bakterien oder Pilze komplexe Entscheidungen treffen? ohne Gehirn? Oder wie eine einzelne Zelle Milliarden gleichzeitiger Operationen verarbeiten kann, ohne abzustürzen? Jahrzehntelang haben wir diese Fähigkeiten chemischen Reaktionen und elektrischen Signalen zugeschrieben. Doch irgendetwas stimmte nicht: Die Rechengeschwindigkeit schien zu hoch, um sie allein mit der traditionellen Biochemie erklären zu können. Es ist fast so, als ob unsere Zellen ein Geheimnis verbergen würden. Und vielleicht ist es genau so. Eine neue Studie zu Quanteneffekten in biologischen Systemen revolutioniert unser Verständnis davon, wie das Leben Informationen verarbeitet.
Der Körper Philip Kurian der Howard University fanden heraus, dass Unsere Zellen könnten Quantenphänomene ausnutzen, um Daten Milliarden Mal schneller zu verarbeiten, als wir es für möglich gehalten hätten. Eine Entdeckung, die nicht nur die Intuition des legendären Physikers von vor 80 Jahren bestätigt Erwin Schrödinger, sondern es eröffnet auch völlig neue Szenarien zur rechnerischen Natur des Lebens.
Wenn Quantenphysik auf Biologie trifft
Biologie und Quantenmechanik wurden immer als getrennte Disziplinen betrachtet, die kaum Berührungspunkte hatten. Die erste befasst sich mit heißen, komplexen und unvorhersehbaren Systemen; der zweite Es arbeitet bei Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt und unter ultrapräzisen Bedingungen. Eine unmögliche Ehe, zumindest auf dem Papier.
Doch schon vor achtzig Jahren Schrödinger wagte es, etwas anderes zu behaupten. In seiner berühmten Vorlesungsreihe „Was ist Leben?“ stellte er die Hypothese auf, dass bislang unentdeckte Quanteneffekte eine entscheidende Rolle bei der Aufrechterhaltung der genetischen Stabilität in lebenden Organismen spielen könnten. Eine futuristische Theorie, die jahrzehntelang ohne konkrete Bestätigung blieb.
Das Hauptproblem war offensichtlich: Wie können Quantenprozesse in einem biologischen System existieren? Wie kann etwas so Empfindliches im thermischen und molekularen Chaos eines lebenden Organismus überleben?
Genau diesen Knoten hat Kurian zu entwirren begonnen und verbindet nun endlich die biologische Welt mit der Quantenmechanik.
Tryptophan und Quanten-Superstrahlung
Der Schlüssel zu diesen neuen Studien von Kurian beginnt bei ein früheres Werk von ihm auf einem Molekül, das wir täglich aufnehmen: dem Tryptophan, eine essentielle Aminosäure, die in Milch, Eiern, Fleisch und Nüssen vorkommt. Eine Substanz, die wir einfach als „Nährstoff“ betrachten, die aber viel mehr sein könnte.
Normalerweise absorbiert ein einzelnes Tryptophanmolekül Licht (ein Photon) bei einer Frequenz und sendet ein anderes bei einer anderen Frequenz aus. Dieses als Fluoreszenz bezeichnete Phänomen wird häufig zur Untersuchung von Proteinen eingesetzt. Nichts besonders Überraschendes.
Die Magie entsteht, wenn viele Tryptophanmoleküle in großen biologischen Strukturen wie Neuronen, Mikrotubuli oder Zentriolen auf koordinierte Weise mit einem einzelnen Photon interagieren. Unter diesen Bedingungen zeigen sie ein Quantenverhalten, das als „Superstrahlung„, was eine viel intensivere Fluoreszenz erzeugt, als sie bei einem einzelnen Molekül beobachtet werden würde. Es ist, als würden sich alle Tryptophanmoleküle wie ein perfekt synchronisiertes Orchester und nicht wie Solomusiker verhalten.
zweite Kurians Arbeitszimmer, deutet diese Superstrahlung auf etwas Revolutionäres hin: Die Informationsverarbeitung in biologischen Systemen beruht nicht nur auf herkömmlichen chemischen Signalen.
Möglicherweise fungiert das Tryptophan-Netzwerk als eine Art „Quanten-Lichtleiter“, der es eukaryotischen Zellen ermöglicht, Informationen milliardenfach schneller zu übertragen als über herkömmliche biochemische Wege.
Denken Sie einmal darüber nach: Unsere modernsten Computer leisten „Schwerarbeit“, um komplexe Berechnungen durchzuführen, doch eine einfache Zelle könnte Quanteneffekte nutzen, um Informationen mit schwindelerregender Geschwindigkeit zu verarbeiten. Es ist, als würde man entdecken, dass das gute alte Fahrrad in der Garage in Wirklichkeit ein getarnter Ferrari ist.
Quanteneffekte für außergewöhnliche Rechenleistung
Tryptophan kommt nicht nur in komplexen Organismen wie uns vor. Es handelt sich um eine essentielle Aminosäure für den menschlichen Körper und trägt zum Wachstum von Pflanzen bei, ist aber auch in einfacheren Lebensformen vorhanden. Bakterien, Pilze und Pflanzen können dieses Molekül verstoffwechseln. Und dieses scheinbar unbedeutende Detail könnte enorme Auswirkungen haben.
Kurian weist auf eine Tatsache hin, die wir oft übersehen:
Viele Wissenschaftler berücksichtigen nicht, dass Organismen ohne Nervensystem wie Bakterien, Pilze und Pflanzen, die den Großteil der Biomasse der Erde ausmachen, komplexe Berechnungen durchführen. Da diese Organismen schon viel länger auf unserem Planeten existieren als Tiere, sind sie für den Großteil der kohlenstoffbasierten Berechnungen der Erde verantwortlich.
Das lässt mich darüber nachdenken, wie oft wir die Intelligenz der einfachsten Organismen unterschätzen. Ein Pilz, der sich über den Waldboden ausbreitet, könnte über Rechenkapazitäten verfügen, die unsere Supercomputer in den Schatten stellen würden.
Evolution in einem neuen Licht
Es ist möglich, dass Quanteneffekte wie Superstrahlung eine grundlegende Rolle bei der Evolution eukaryotischer Organismen spielten. Und wenn Quantensuperstrahlung ein integraler Bestandteil der Informationsverarbeitung in den einfachsten Lebensformen ist, könnte dies bedeuten, dass kohlenstoffbasierte Lebewesen über eine Rechenleistung verfügen, die der von künstlichen Quantensystemen weit überlegen ist.
Seth Lloyd, ein Quantenphysiker am MIT, äußert sich begeistert zu Kurians Studie: „Ich begrüße Dr. Kurians mutige und einfallsreiche Bemühungen, die Grundlagen der Computerphysik auf die gesamte Informationsverarbeitung anzuwenden, die von lebenden Systemen im Laufe des Lebens auf der Erde durchgeführt wird. Man darf nicht vergessen, dass die von lebenden Systemen durchgeführten Berechnungen weitaus leistungsfähiger sind als die von künstlichen Systemen.“
Ich finde das außergewöhnlich: Während wir um die Wette an der Entwicklung von Quantencomputern arbeiten, die unter extrem kontrollierten Bedingungen arbeiten, hat die Natur möglicherweise schon vor Milliarden von Jahren einen Weg gefunden, Quanteneffekte bei Raumtemperatur auszunutzen. Das Leben überrascht uns immer wieder aufs Neue.
Zwar bedarf es weiterer Forschung, um mehr Beweise für Kurians Erkenntnisse zu finden, doch diese Studie stellt ein neues Kapitel auf dem Gebiet der Biologie dar. Es ermutigt uns, die Evolution des Lebens auf der Erde aus einer völlig neuen Perspektive zu betrachten, wo Quantenphysik und Biologie keine getrennten Disziplinen mehr sind, sondern zwei Seiten derselben faszinierenden Medaille.
