Quantenmechanik bei Pflanzen, Bakterien und Tieren

Quantenmechanik und ihre sonderbaren Effekte sind etwas für's Labor, könnte man denken, denn die Zustände sind doch eigentlich zu flüchtig und empfindlich, um sich im Alltag zu manifestieren. Doch Pflanzen und Tiere machen sich die Quantenmechanik durchaus nutzbar und haben für ihre seltsamen Phänomene praktische Anwendungen gefunden. 
Einige Bakterien, insbesondere Purpurbakterien sind in der Lage, bis zu 95 % des einfallenden Lichts in Energie für ihren Stoffwechsel umzusetzen (die besten Solarzellen erreichen im Labor nur etwa 40 %) und Kohlendioxid in Zucker umzuwandeln.
Chlorophyll spielt hier die entscheidende Rolle, es ist jedoch nicht das einzige Molekül, das Licht in chemische Energie umwandeln kann. Auch Carotinoid spielt eine wichtige Rolle, es drängt sich lediglich nicht so sehr durch seine Farbe in den Vordergrund (Carotinoide sind rötlich und man sieht sie eher im Herbst). Purpurbakterien enthalten sehr viel Carotinoid.
Im Bakterium wird das Licht entweder vom Chlorophyll (einer Variante des Pflanzenchlorophylls) oder vom Carotinoid aufgenommen, wobei die ringförmige Anordnung wie eine Falle für das Photon wirkt und die Absorption verbessert.
Im Grunde kommt bereits hier ein wenig Quantenmechanik ins Spiel, denn der Potenzialtopf, in dem sich das Photon wiederfindet, ist ein Ergebnis der Elektronenwolke um das fotosensitive Molekül.
Innerhalb einer Picosekunde wird das Photon dann an tiefer liegende Schichten weitergereicht. Und genau hier wird es spannend, denn das Photon verfolgt nicht einen festgelegten Pfad, sondern mehrere.
Im Experiment hat man das Molekül zerlegt und die einzelnen Ringe, aus denen es besteht, mit Laserlicht beschossen. Beobachten konnte man dann Fluoreszenz, also Licht, das daraufhin vom Molekül ausgesandt wird, das ist der Energietransfer, der sonst innerhalb des Moleküls abläuft. Beobachtet hat man, dass die Fluoreszenz nicht konstant war, sondern zwischen zwei Werten schwankte, bei immer gleicher Anregung war das ein Hinweis auf den quantenmechanischen Charakter des Vorgangs.
Klassisch wäre das nicht möglich; wenn das Photon ein Teilchen wäre, könnte es immer nur an einem Ort zu einer Zeit sein. Zum Glück weiß das Photon das nicht und verhält sich, wenn es sich unbeobachtet fühlt, wie eine Welle.
Die Welle ist hier allerdings eine Wahrscheinlichkeitsfunktion und ihre Höhe gibt an, wie groß die Aufenthaltswahrscheinlichkeit des Photons an dieser Stelle ist.
In der Pflanze verfolgen diese Aufenthaltswahrscheinlichkeiten also unterschiedliche Wege durch das Molekül und man spricht von einer Superposition des Photons in mehren Zuständen.
Spannend ist am Ende, dass der effektivste Pfad gewählt wurde. Das heißt, an einem Punkt bricht die Wellenfunktion zusammen, das Photon verhält sich wieder wie ein Teilchen und man stellt fest, von allen möglichen Pfaden, denen es hätte folgen können (und denen es quantenmechanisch gefolgt ist), wurde tatsächlich der effizienteste gewählt.
Zwei Tricks muss die Pflanze anwenden, um das zu erreichen. Zunächst einmal ist so eine Superposition ein äußerst fragiler Zustand, jede Interaktion - Zusammenstöße mit einem Atom zum Beispiel - würde ihn zusammenbrechen lassen. Die Struktur der Fotomoleküle muss also dergestalt sein, dass die Wahrscheinlichkeit möglichst gering ist, dass so eine Interaktion stattfindet.
Der zweite Trick besteht dann darin, dass der effektivste Weg gewählt wird. Da das Photon im Grunde jeden Pfad verfolgt, stellt sich am Ende heraus, dass der Weg, welcher die höchste Energieausbeute liefert, auch derjenige ist, den das Photon mit größter Wahrscheinlichkeit wählt - nur kann es das nicht wissen, bevor es alle Wege ausprobiert hat.
Die Quantenmechanik während der Fotosynthese ist sehr spannend, weil sie auch zu effizienteren Solarzellen führen kann, doch sie ist bei Weitem nicht der einzige Einsatz von Quanteneffekten in der Natur.
Bei Rotkehlchen und anderen Vögeln vermuten Wissenschaftler, dass der interne Kompass, über den sie verfügen, sich das Prinzip der Verschränkung zunutze macht. Unter Verschränkung versteht man, dass zwei Teilchen (Elektronen oder Atome zum Beispiel) in einem gemeinsamen Zustand oder einer Wellenfunktion existieren. Sie verhalten sich dann wie ein einzelnes Teilchen, selbst dann, wenn sie nicht mehr in direktem Kontakt miteinander stehen. Auch dies ist ein extrem instabiler Zustand und jede Interaktion würde die Wellenfunktion kollabieren lassen und man hätte wieder zwei gewöhnliche Teilchen, die nichts miteinander zu tun haben. Verschränkte Elektronen reagieren sehr empfindlich auf magnetische Felder und könnten eventuell als molekularer Kompass dienen. Dies ist jedoch noch etwas spekulativ. Wie verschränkte Elektronen in einer Zelle eine Zeit lang überstehen können, und wie Informationen über ihr Verhalten von einem biologischen System ausgelesen werden könnten, ist noch nicht verstanden.
Und schließlich basiert unser (und anderer Tiere) Riechsinn womöglich auf dem Phänomen, dass Elektronen in der Lage sind, zu tunneln. Darunter versteht man die Fähigkeit des Teilchens, sich aus einem Potenzialtopf herauszubewegen, obwohl es eigentlich nicht die Energie dazu haben sollte. Aber quantenmechanisch ist es ja eine Wellenfunktion und hat auch eine kleine Aufenthaltswahrscheinlichkeit außerhalb des Topfs und die fehlende Energie borgt es sich einfach kurzfristig vom Rest des Universums.
Bei Geruchsmolekülen stellt man fest, dass einige trotz sehr ähnlicher Molekularstruktur sehr unterschiedlich riechen und auf der anderen Seite können sehr unterschiedlich aussehende Moleküle sehr ähnlich riechen.
Die Form allein kann es also nicht sein, die für das Geruchsempfinden verantwortlich ist. Vielleicht ist es also nicht die Struktur, sondern es sind die Schwingungen im Duftmolekül, die bei einem Rezeptor einen Tunneleffekt erlauben, wenn die Energieniveaus zueinander passen, und so ein Nervensignal auslösen.


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