⚛️ Das Leben wäre viel quantenmechanischer als gedacht

Seit über hundert Jahren stoßen Wissenschaftler auf ein Paradoxon: Die Schlüsselmoleküle des Lebens kommen in zwei perfekt spiegelbildlichen Versionen vor, die als „linkshändig“ oder „rechtshändig“ bezeichnet werden, doch das Leben nutzt nur eine davon. Aminosäuren sind fast ausschließlich „linkshändig“, Zucker „rechtshändig“ usw. Diese Vorliebe, Homochiralität genannt, blieb bislang ohne einfache Erklärung.

Heute schlägt ein israelisches Team eine Spur aus der Quantenwelt vor: den Spin der Elektronen.

Die Forscher unter der Leitung von Yossi Paltiel und Ron Naaman entdeckten, dass, wenn Elektronen spiegelbildliche Moleküle durchqueren, ihr Spin mit jeder Form unterschiedlich interagiert. Dieser Unterschied tritt nur auf, wenn die Moleküle in Bewegung sind oder an Reaktionen teilnehmen. Im Gleichgewicht bleiben die beiden Versionen identisch, aber in der Dynamik spiegelt sich ihr Verhalten nicht mehr perfekt wider.


Diese subtile Verzerrung, obwohl winzig, könnte sich im Laufe der Zeit anhäufen. Wenn eine Version eines Moleküls dank des Spineinflusses etwas effizienter mit seiner Umgebung interagiert, kann sie bei chemischen Reaktionen oder Transportprozessen einen Vorteil gegenüber der anderen erlangen. Über lange Zeiträume hinweg könnte dieses geringe Ungleichgewicht erklären, warum in der Biologie nur eine Form dominant wurde.

Die in Science Advances veröffentlichte Studie stellt die Vorstellung in Frage, dass spiegelbildliche Moleküle perfekt symmetrische Effekte haben.

Diese Ergebnisse schlagen Brücken zwischen Physik, Chemie und Biologie. Sie deuten darauf hin, dass Quanteneigenschaften wie der Spin die molekulare Evolution bereits in den ersten Momenten des Lebens beeinflusst haben könnten.

Der Elektronenspin

Der Spin ist eine Quanteneigenschaft von Elektronen, die oft mit einer Drehung um die eigene Achse verglichen wird. Er kann „oben“ oder „unten“ ausgerichtet sein, und diese Ausrichtung beeinflusst die magnetischen Wechselwirkungen. In Materialien spielt der Spin eine Schlüsselrolle bei Phänomenen wie Magnetismus oder Spintronik. Seine Beteiligung an der Biologie ist jedoch neueren Datums.

Die Studie zeigt, dass, wenn Elektronen ein asymmetrisches (chirales) Molekül durchqueren, ihr Spin je nach Form des Moleküls bevorzugt in eine Richtung ausgerichtet wird, wodurch die Spiegelsymmetrie gebrochen wird. Dieser Effekt, genannt „Spin-induzierte Chiralität“, wurde bereits in einfachen Systemen beobachtet, jedoch noch nie im Bereich der Biologie.

Diese Entdeckung deutet darauf hin, dass der Spin ein Träger der Asymmetrie auf molekularer Ebene sein könnte.