Zugvögel finden ihren Weg dank Quantenphysik

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In der Netzhaut von Rotkehlchen konnten Forscher das Protein Cryptochrom nachweisen. Dieses Molekül reagiert mittels eines paradoxen Quanteneffektes auf das Magnetfeld der Erde. Foto: André Karwath/ Wikipedia.de
Jedes Jahr reisen weltweit schätzungsweise 50 Milliarden Zugvögel von ihren jeweiligen Brutgebieten zu ihren Winterquartieren und wieder zurück. Einige überwinden dabei Entfernungen von bis zu 15.000 Kilometern. Es gilt als gesichert, dass den Vögeln für die dazu erforderliche ungeheure Orientierungsfähigkeit ein Magnetsinn zur Verfügung steht. Doch wie dieser genau funktioniert, ist umstritten. Der Physiker Iannis Kominis von der Universität von Kreta glaubt jetzt, die Lösung gefunden zu haben. Seinen Berechnungen zufolge ermöglicht ein paradoxer Quanteneffekt es dem Erdmagnetfeld, eine chemische Reaktion in der Netzhaut der Vögel zu beeinflussen.
Dieser Quanteneffekt ist nach dem griechischen Philosophen Zenon von Elea benannt, der etwa von 490 bis 430 vor Christus lebte. Aus seinem Leben ist wenig bekannt. Doch er muss es geliebt haben, seine Mitmenschen mit geschickten Argumenten zur Verzweiflung zu treiben. Darauf lassen einige überlieferte Paradoxa schließen, die ihm zugeschrieben werden. Das bekannteste ist wohl das Wettrennen zwischen Achilles und der Schildkröte. Zenon behauptete, dass Achilles die Schildkröte niemals einholen kann, wenn er ihr beim Start einen Vorsprung gewährt. Sein Argument: Wenn Achilles den Punkt erreicht, von dem aus die Schildkröte gestartet ist, hat diese sich ein kleines Stück weiter bewegt, das Achilles nun auch noch aufholen muss. Hat er dies geschafft, ist die Schildkröte wieder ein – wenn auch noch kleineres – Stück weiter. Da die Schildkröte dieses "Spiel" unendlich oft mit Achilles treiben kann, so Zenons Argument, wird er sie nie einholen. Dass eine Summe aus unendlich vielen Gliedern bestehen und trotzdem einen nur endlichen Wert haben kann, war Zenon offenbar unbekannt.

Ähnlich paradox erscheint der Quanten-Zenon-Effekt. Doch im Gegensatz zu Zenons Paradoxa ist dieser real und experimentell vielfach bestätigt worden. Flapsig ausgedrückt besagt dieser Effekt, dass man Veränderungen an einem bestimmten physikalischen System allein dadurch verhindern kann, dass man es oft genug anschaut. Richtiger ist jedoch die Formulierung: Die Wahrscheinlichkeit dafür, dass ein quantenphysikalisches System in einem bestimmten Zustand verharrt, wird vergrößert, wenn es oft einer Messung unterzogen wird oder einer anderen Wechselwirkung mit seiner Umgebung ausgesetzt wird.

Was haben diese seltsamen Gesetze der Quantenphysik nun mit dem Orientierungssinn der Zugvögel zu tun? Eine von vielen Forschern favorisierte Theorie geht davon aus, dass ein bestimmter quantenphysikalischer Zustand in einem Protein in der Netzhaut der Zugvögel vom Magnetfeld der Erde beeinflusst wird. Über dadurch ausgelöste chemische Reaktionen erhalten die Vögel dann die Information über die Richtung des Erdmagnetfeldes. Doch diese Erklärung hat ein schwerwiegendes Problem: Dieser quantenphysikalische Zustand existiert viel zu kurz, um vom Erdmagnetfeld beeinflusst werden zu können. Hier kommt nun der Quanten-Zenon-Effekt ins Spiel. Kominis geht davon aus, dass dieser die Lebensspanne des zur Registrierung des Erdmagnetfeldes erforderlichen quantenphysikalischen Zustandes erheblich verlängert. Doch der Reihe nach.

Es wird vermutet, dass Photonen, also Licht, bestimmte lichtempfindliche Proteine in der Netzhaut der Vögel in einen energiereichen, angeregten Zustand versetzen. Dabei bilden jeweils zwei dieser Proteinmoleküle ein Paar, nachdem ein Elektron des einen Moleküls auf das andere Molekül übergegangen ist. Die beiden äußeren Elektronen dieses Molekülpaares haben zunächst entgegengesetzten Spin. Der Spin ist das quantenphysikalische Gegenstück zum Drehimpuls. Im Bild der klassischen Physik kann man deshalb sagen, dass die beiden Elektronen sich um ihre eigene Achse drehen, wobei die Achsen beider Elektronen gleich orientiert sind, die Elektronen sich aber entgegengesetzt drehen.

Der Einfluss des Erdmagnetfeldes kann jedoch aus den entgegengesetzten Spins gleichgerichtete Spins machen. Die Wahrscheinlichkeit, mit der dies geschieht, hängt von der Richtung des Erdmagnetfeldes ab. Der springende Punkt ist nun: Nach kurzer Zeit geht das "ausgeliehene" Elektron wieder auf sein Ursprungsmolekül zurück. Je nachdem, wie zu diesem Zeitpunkt die Ausrichtung der Spins war, hat das Proteinmolekül nun jeweils andere chemische Eigenschaften. Zwar hat sich die chemische Zusammensetzung des Moleküls nicht geändert, aber je nach Ausrichtung des Elektronenspins hat es nun eine andere räumliche Struktur – Chemiker nennen solche Varianten eines Moleküls Isomere. Die unterschiedlichen chemischen Eigenschaften sorgen nun für unterschiedliche chemische Reaktionen, die schließlich eine Wahrnehmung in der Netzhaut der Vögel verursachen. Aus der prozentualen Aufteilung zwischen den beiden möglichen Spinausrichtungen und den daraus resultierenden Reaktionen erschließen die Vögel die Richtung des Erdmagnetfeldes.

Diese Theorie wird inzwischen von einigen Befunden gestützt. So konnte beispielsweise nachgewiesen werden, dass bestimmte optische Nervenzellen der Vögel auf Richtungsänderungen eines Magnetfeldes reagieren – aber nur bei Licht, da dieses die Proteinmoleküle erst in den Zustand versetzt, in dem sie auf das Magnetfeld reagieren. Außerdem konnte die Biologin Andrea Möller von der Universität Gießen das Protein Cryptochrom in der Netzhaut von Rotkehlchen nachweisen. Dieses Pigment wird als potenzieller Kandidat für das theoretisch vermutete lichtempfindliche Proteinmolekül gehandelt.

Doch es bleibt ein gravierendes Problem dieser Theorie: Das innerhalb des Molekülpaares ausgeliehene Elektron geht physikalischen Berechnungen zufolge etwa zehnmal zu schnell auf sein Ursprungsmolekül zurück. Nur während dieser "Ausleihphase" hätte das Magnetfeld der Erde aber die Möglichkeit, die Ausrichtung der Spins zu beeinflussen und nachfolgend die entsprechenden chemischen Wirkungen zu entfalten, die der Vogel schließlich wahrnimmt.

Hier bringt Kominis den Quanten-Zenon-Effekt ins Spiel. Kominis zeigt theoretisch, dass die Zurückgabe des ausgeliehenen Elektrons einer quantenmechanischen Messung entspricht. Bevor diese Zurückgabe geschieht, befindet sich das Proteinmolekülpaar in einem Mischzustand: Die Spins zeigen gleichzeitig sowohl in die gleiche als auch in die entgegengesetzte Richtung. Diese Mischzustände sind in der Quantenphysik nichts ungewöhnliches. Erst eine Messung zwingt das Molekülpaar dazu, sich für eine der beiden Möglichkeiten zu "entscheiden". Wichtig ist hierbei, dass das Ergebnis dieser "Entscheidung" für jedes einzelne Molekülpaar zwar rein zufällig ist. Bei vielen solcher Elektronrückgaben unterliegen die Ergebnisse jedoch der von der Richtung des Erdmagnetfeldes vorgegebenen Wahrscheinlichkeitsverteilung.

Kominis mathematische Analyse ergibt nun, dass der Quanten-Zenon-Effekt in dieser Situation für einen paradox erscheinenden Rückkopplungsmechanismus sorgt: Je größer die Rate der Elektronrückgaben ist, desto länger bleiben die Mischzustände, die ja eigentlich durch die Elektronrückgaben zerstört werden müssten, bestehen. Und je länger die Mischzustände bestehen, desto größer wird die Chance, dass sie vom Erdmagnetfeld beeinflusst werden, dass also die Information über die Richtung des Magnetfeldes in der Wahrscheinlichkeitsverteilung innerhalb der Mischzustände richtig gespeichert wird. Außerdem zeigen Kominis Berechnungen, dass dieser Rückkopplungsmechanismus optimal auf die Stärke des Erdmagnetfeldes und die quantenphysikalischen Eigenschaften von typischen biochemischen Molekülen abgestimmt ist. Bei kleineren oder größeren Magnetfeldstärken würde der Quanten-Zenon-Effekt nicht greifen.

Anhand einer mit einem dichten Gas gefüllten Kammer konnte Kominis mit Kollegen die Wirkung des Quanten-Zenon-Effektes experimentell überprüfen. Doch die Proteinmolekül-Theorie ist damit noch lange nicht bewiesen. Es gibt noch mindestens ein bisher ungelöstes Problem: Andrea Möller konnte in ihrer Doktorarbeit nachweisen, dass das Cryptochrom-Molekül, das sie als Kandidaten für die Magnetfeldwahrnehmung der Vögel favorisiert, nicht an Zellmembranen haftet, sondern in der Zellflüssigkeit schwimmt. Damit stellt sich aber die Frage: Wie soll ein Molekül, das sich frei bewegen, sich also auch drehen kann, bei den Vögeln die korrekte Wahrnehmung einer Richtungsinformation bewirken? Eine mögliche Antwort deutet Möller an. Die Cryptochrome befinden sich in den Netzhautzellen in der Nähe von Opsinen. Diese Proteine sind Teil eines Sehpigments und im Gegensatz zu den Cryptochromen an Zellmembrane angelagert. Eine zumindest vorübergehende Anbindung der Cryptochrome an die Opsine während der Magnetfeldwahrnehmung würde das Problem lösen.

Iannis Kominis: Quantum Zeno Effect Underpinning the Radical-Ion-Pair Mechanism of Avian Magnetoreception, arXiv.org 0804.2646v1 [q-bio.BM]

Andrea Möller: Cryptochrom als potentielles Rezeptormolekül für die lichtabhängige Magnetkompassorientierung bei Zugvögeln, Dissertation, Universität Frankfurt, 2006

Mark Buchanan: Do birds see with quantum eyes?, NewScientist 3 May 2008, 12

Axel Tillemans


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