Quantenbiologie ist die Bezeichnung für ein Teilgebiet der Biophysik.Quantenbiologie Definition im Duden. Sie befasst sich mit der Einwirkung von Quanten auf lebende Zellen eines Organismus und untersucht die energetischen Prozesse und Veränderungen, die dabei möglicherweise im Bereich der Atome und Moleküle auftreten.Nichttriviale Quanteneffekte in biologischen Systemen „Bisher ist jedenfalls noch vollkommen offen, ob und wie sich die Natur solche fragilen Quantenphänomene zu Nutze macht.“ Maike Pollmann in Wissenschaft-Online (20. August 2008).
Geschichte Niels Bohr und Pascual Jordan Die Ursprünge der Quantenbiologie reichen bis in das frühe 20. Jahrhundert zurück, nachdem ab 1925 durch die Physiker Niels Bohr, Werner Heisenberg, Wolfgang Pauli, Erwin Schrödinger, Paul Dirac, Enrico Fermi und weitere die mathematischen Grundlagen in der Quantenmechanik gelegt worden waren.Johnjoe McFadden, Jim Al-Khalili: The origins of quantum biology. In: Proceedings of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences. Band 474, 2018, doi:10.1098/rspa.2018.0674.
Bohr behandelte im Jahr 1927 in einer Vorlesung in der italienischen Stadt Como auf der Grundlage der Quantenmechanik, unter welchen Bedingungen bestimmte Phänomene erscheinen, und führte das Konzept der Komplementarität ein. Weiterhin stellte er sich die Frage, ob ähnliche Konzepte auch in anderen Naturwissenschaften zu Erkenntnissen führten.Don Howard: Who Invented the Copenhagen Interpretation? A Study in Mythology. Pt. 2: Symposium Papers: Proceedings of the 2002 Biennial Meeting of the Philosophy of Science Association (PSA 2002). In: Philosophy of Science. Band 71, Dezember 2004, S. 669–682.Mara Beller: The Birth of Bohr’s Complementarity: The Context and the Dialogues. In: Studies in History and Philosophy of Science. Band 23, 1992, S. 147–180. Im Jahr 1929 gab Bohr eine Vorlesung am Scandinavian Meeting of Natural Scientists mit dem Titel The atomic theory and the fundamental principles underlying the description of nature (,Die Atomtheorie und die zugrundeliegenden fundamentalen Prinzipien zur Beschreibung der Natur’). Nachdem er die Erfolge der Quantenmechanik zur Beschreibung der Natur in der atomaren und subatomaren Ebene erklärte, befasste er sich mit der Frage, ob diese Entdeckungen in der Quantenmechanik auch „Probleme bezüglich lebender Organismen“ in der Biologie erklären können. Bis heute ist nicht klar, was er damals mit Problemen von lebenden Organismen meinte, jedoch merkte er an, dass die Entdeckungen möglicherweise einen Einfluss zur Erklärung bestimmter Phänomene in lebenden Organismen haben werden. Danach lehrte er an der Universität Rostock und blieb er in den nächsten Jahren im ständigen Briefwechsel mit dem deutschen Physiker Pascual Jordan, um Ideen zur Beziehung zwischen der Physik und der Biologie auszutauschen. Diese führten zu einer wissenschaftlichen Publikation, die als erste Publikation zur Quantenbiologie betrachtet wird.P. Jordan: Die Quantenmechanik und die Grundprobleme der Biologie und Psychologie. In: Die Naturwissenschaften. Band 20, November 1932, S. 815–821, doi:10.1007/BF01494844. In dieser Publikation brachte Jordan die Theorien des Organizismus mit der Quantenmechanik in Verbindung, indem er behauptete, dass die Gesetze des Lebens durch die Gesetze der Quantenmechanik, insbesondere die Gesetze für Chance und Wahrscheinlichkeit (Indeterminismus), bestimmt sind und diese auf irgendeine Art für lebende Organismen angepasst worden sind. Er beschrieb dieses Phänomen als Verstärkungstheorie. Basierend auf der Theorie des irreversiblen Akts der Verstärkung von Bohr kann somit durch Beobachtung ein scharfer Fokus auf bestimmte Gegebenheiten erzielt werden. Jordan glaubte, dass lebende Organismen die Verstärkung deutlich in einer anderen Art ausführen als unbelebte Materie, beispielsweise ein Geiger-Müller-Zählrohr. Er war überzeugt, dass er den Indeterminismus der subatomaren Ebene der Quantenmechanik auf die makroskopische Ebene der Biologie erweitern könnte. Weiterhin erwog er zur Erklärung des freien Willens eine Verbindung zwischen Quantenmechanik und Psychologie. Jordans Überzeugung, dass lebende Organismen die Fähigkeit besitzen, die subatomare Quantenebene in die makroskopische Ebene zu „verstärken“, spiegelt sich auch in vielen modernen Ansichten zur Quantenbiologie wider.
Mit dem Eintritt Jordans in die NSDAP im Jahr 1933 passten sich seine Theorien zunehmend der Ideologie der Nationalsozialisten an. Bereits im November 1932 wurde Jordan als Sympathisant der NS-Ideologie mit der Behauptung bekannt, dass das Konzept eines einzigen diktatorischen Führers ein zentrales Prinzip lebender Organismen sei.
Jordan merkte außerdem an, dass die unbelebte Materie durch die willkürliche mittlere Bewegung von Millionen von Teilchen bestimmt wird und ein einzelnes Molekül keinen Einfluss auf das gesamte Objekt hat. Diejenigen Moleküle, die das „Steuerungszentrum“ bilden, steuern den gesamten Organismus, indem die Prinzipien, welche die willkürliche Bewegung auf Quantenebene in lebenden Zellen bestimmen (wie die heisenbergsche Unschärferelation), so „verstärkt“ werden, sodass die sich auf den ganzen Organismus auswirken. Im Jahr 1941 veröffentlichte Pascual Jordan ein Buch mit dem Titel Die Physik und das Geheimnis des organischen Lebens, in dem er der grundsätzlichen Frage nachging, ob die Gesetze der Atom- und Quantenphysik essentiell für das Leben sind.Pascual Jordan: Die Physik und das Geheimnis des organischen Lebens. Vieweg & Sohn, Braunschweig 1941.
Niels Bohr und Max Delbrück Bohr hielt am 15. August 1932 in Kopenhagen eine Vorlesung zum Thema Light and Life am International Congress on Light Therapy.Niels Bohr: Light and Life. In: Nature. Band 133, 25. März 1933, S. 421–423.Niels Bohr: Light and Life. In: Nature. Band 133, 1. April 1933, S. 457–459.Niels Bohr: Licht und Leben. In: Naturwissenschaften. Band 21, 1933, S. 245–250. Dabei äußerte er, dass das Konzept der Komplementarität zum Verständnis biologischer Phänomene beitragen könnte. In seiner Vorlesung saß der damals 26-jährige Postdoc Max Delbrück, dessen Mentor Bohr im vorherigen Sommer gewesen war. Später beschrieb Delbrück, dass diese Vorlesung von Bohr seine wissenschaftliche Karriere bestimmt habe. Er ging der Frage nach, ob Komplementarität auch in der Biologie auftritt.Max Delbrück: Light and Life III. In: Carlsberg Research Communications. Band 41, Nummer 6, 1976, S. 299.Max Delbrück: A Physicist Looks at Biology. In: Transactions of the Connecticut Academy of Arts and Sciences. Band 38, 1949, S. 173–190. Im Jahr 1935 war Delbrück einer der Autoren (neben dem russischen Biologen Nikolai Wladimirowitsch Timofejew-Ressowski und dem deutschen Biophysiker Karl Günter Zimmer) des sogenannten Dreimännerwerks, in der sie vorschlugen, dass das Konzept der Treffertheorie, die in den 1920er Jahren von Friedrich Dessauer eingeführt wurde, genutzt werden kann, um die Größe eines Gens basierend auf dessen Anfälligkeit für ionisierende Strahlung, z. B. Röntgenstrahlung, zu bestimmen.N. W. Timofejew-Ressowski, K. G. Zimmer, M. Delbrück: Über die Natur der Genmutation und der Genstruktur. (PDF; 8,4 MB). In: Nachrichten von der Gesellschaft der Wissenschaften zu Goettingen. Mathematisch-physikalische Klasse. Fachgruppe 6, Biologie. Band 13, 1935, S. 190. Sie vermuteten, dass ein Strahlungsquant ein lokal begrenztes Ziel aus wenigen Molekülen trifft. Ihre Publikation Über die Natur der Genmutation und der Genstruktur wurde für Erwin Schrödinger zur Vorlage seines Buchs What is life?Erwin Schrödinger: What is life? The Physical Aspect of the Living Cell. (PDF; 693 kB) Cambridge University Press, London 1944. Weiterhin hatte Delbrück einen großen Einfluss auf die Molekulargenetik. Er gewann im Jahr 1969 den Nobelpreis für Physiologie oder Medizin für seine Entdeckung der Virenresistenz von Bakterien, die sich aus vorteilhaften Genmutationen entwickelte.
Der Cambridge Theoretical Biology Club Das Interesse an einer physikalischen Grundlage des Lebens beschränkte sich nicht auf Kontinentaleuropa. Im Sommer des Jahres 1932 gründete eine interdisziplinäre Gruppe aus Wissenschaftlern an der University of Cambridge den Theoretical Biology Club. Sie gingen der Frage nach, ob das Leben auf atomarer und molekularer Ebene erklärt werden kann. Außerdem wollten sie herausfinden, ob mithilfe der Quantenmechanik neue Gesetze in der Biologie entdeckt werden können. Inspiriert vom Philosophen und Mathematiker Alfred North Whitehead zielten sie außerdem auf eine Verschmelzung der reduktionistischen Biologie mit einer organizistischen Philosophie ab. Viele Mitglieder des Clubs waren einflussreiche Wissenschaftler des 20. Jahrhunderts, unter anderem Frederick Gowland Hopkins, Joseph Henry Woodger, Dorothy Wrinch, Conrad Hal Waddington und J. B. S. Haldane. Im Jahr 1934 schrieb Haldane eine Publikation mit der Überschrift Quantum mechanics as a basis for philosophy, in der er argumentierte, dass Biologen seit den Anfängen der Quantenmechanik wenig Anerkennung erhielten.J. B. S. Haldane: Quantum Mechanics as a Basis for Philosophy. In: Philosophy of Science. Band 1, 1934, S. 78, doi:10.1086/286307. Haldane ist kein Befürworter des Vitalismus, merkte aber an, dass, obwohl die Gesetze der Physik auch innerhalb lebender Organismen gelten, sich das Leben die heisenbergsche Unschärferelation zunutze mache, so dass bestimmte Vorgänge mit höherer Wahrscheinlichkeit auftreten.J. B. S. Haldane: Quantum Mechanics as a Basis for Philosophy. In: Philosophy of Science. Band 1, 1934, S. 81, doi:10.1086/286307. Dabei unterscheiden sich lebende Organismen von unbelebter Materie in der Hinsicht, dass lebende Organismen im makroskopischen Maßstab durch einzelne Vorgänge auf Quantenebene beeinflusst werden.J. B. S. Haldane: Quantum Mechanics as a Basis for Philosophy. In: Philosophy of Science. Band 1, 1934, S. 82, doi:10.1086/286307.
Erwin Schrödinger Nach der Flucht vor dem NS-Staat ließ Erwin Schrödinger sich in Irland nieder und veröffentlichte im Jahr 1944 ein Buch mit dem Titel What is life? The Physical Aspect of the Living Cell. Das Buch basiert auf öffentlichen Vorträgen, die Schrödinger im Februar 1943 unter Leitung des Dublin Institute for Advanced Studies gehalten hatte, wo er Direktor für Theoretische Physik am Trinity College war. Die Vorträge zogen ein Publikum von etwa 400 Personen an, die vorher gewarnt wurden, „dass das Thema schwierig sei und dass die Vorträge nicht als populär bezeichnet werden könnten, obwohl die am meisten gefürchtete Waffe des Physikers, die mathematische Deduktion, kaum verwendet werden würde.“ Schrödingers Vorträge konzentrierten sich auf eine wichtige Frage:
In dem Buch stellte Schrödinger die Idee eines „aperiodischen Kristalls“ vor, der in seiner Konfiguration der kovalenten Bindungen genetische Informationen enthält. Obwohl schon seit 1869 angenommen worden war, dass es eine materielle Form von Erbinformation gibt, und die DNA dafür als Kandidat galt, waren Aufbau und Funktion eines solchen „genetischen Moleküls“ bei der Reproduktion noch unbekannt. Auf Grundlage der Röntgenbeugungsexperimente von Rosalind Franklin an der DNA schlugen James D. Watson und Francis Crick im Jahr 1953 gemeinsam die Doppelhelixstruktur vor. Sie bezeichneten Schrödingers Buch als eine frühe theoretische Beschreibung zur Funktionsweise der Speicherung genetischer Informationen und sahen es als Inspirationsquelle ihrer eigenen Forschungen an.
Quantenbiologische Effekte Als der Begründer der Quantenbiologie gilt Friedrich Dessauer, der die Plancksche Quantenlehre auf die Biologie übertrug und die Auswirkung von Röntgenstrahlen auf Körperzellen untersuchte. Mit Hilfe der Treffertheorie konnte er deren Wirkung quantitativ erfassen.