Kwantumbiologie toont in 2025 volwassenheid in fotosynthese en reukonderzoek

Het veld van de kwantumbiologie bereikt in 2025 een nieuw stadium van volwassenheid, gekenmerkt door de bevestiging dat levende systemen fundamentele kwantummechanische effecten benutten voor biologische processen met een hoge efficiëntie. De kern van deze wetenschappelijke vooruitgang is de experimentele validatie van concepten zoals kwantumcoherentie en kwantumtunneling binnen de levende materie. Deze bevindingen impliceren dat organismen kwantummechanische 'snelkoppelingen' hebben ontwikkeld om biologische uitdagingen op het meest fundamentele niveau op te lossen. De wetenschappelijke gemeenschap beschrijft een paradigmaverschuiving van klassieke naar kwantummechanische verklaringen voor vitale functies.

Een cruciaal voorbeeld van deze efficiëntie is te zien in fotosynthese, waarbij de energieoverdracht in de lichtoogstcomplexen bijna een honderd procent kwantumrendement vertoont. Onderzoek, onder andere met behulp van tweedimensionale Fourier-transformatiespectroscopie, heeft aangetoond dat inwendige lichtabsorptie coherente excitatie van meerdere staten tegelijkertijd in superpositie veroorzaakt. Dit stelt het systeem in staat om gelijktijdig diverse paden te verkennen en zo de meest efficiënte route voor energietransport te selecteren, wat de klassieke stap-voor-stap beschrijving van energieoverdracht tegenspreekt. Onderzoekers die de Fenna-Matthews-Olson (FMO) antennecomplexen bestudeerden, vonden bewijs dat kwantumcoherentie bij fysiologische temperaturen minstens 300 femtoseconden kan aanhouden, wat lang genoeg is om het biologische energietransport significant te beïnvloeden.

Hoewel de totale efficiëntie van licht naar biomassa lager ligt, wordt de initiële lichtoogststap gekenmerkt door een bijna eenheid kwantumefficiëntie, wat wijst op een geoptimaliseerd proces. Deze ontdekkingen inspireren de ontwikkeling van efficiëntere kunstmatige zonne-energietechnologieën. Op het gebied van de reukzin wordt een fundamenteel andere kwantumhypothese onderzocht die het klassieke 'slot-en-sleutel'-model uitdaagt. De theorie, mede ontwikkeld door biofysicus Luca Turin, stelt dat geurmoleculen worden gedetecteerd via elektronenkwantumtunneling, aangedreven door moleculaire trillingen.

Deze vibratie-geassisteerde theorie verklaart anomalieën, zoals waarom moleculen met sterk verschillende vormen soms hetzelfde ruiken, een fenomeen dat moeilijk te rijmen is met puur vormgebaseerde modellen. Experimenten met 23 menselijke proefpersonen, waarbij geuren werden verlicht met infraroodlicht om moleculaire trillingen te exciteren, toonden aan dat de waargenomen intensiteit van de geur werd beïnvloed door externe infraroodilluminatie. Dit ondersteunt het idee dat de neus mogelijk 'luistert' naar de akoestische of vibratiekenmerken van de aromamoleculen. De bredere relevantie van dit onderzoek strekt zich uit tot andere biologische processen zoals enzymkatalyse en magnetoreceptie, waarbij kwantumtunneling en verstrengeling ook een rol spelen.

De voortdurende verkenning van deze kwantummechanische effecten in de biologie, ondersteund door de vooruitgang in kwantumcomputing en kunstmatige intelligentie, belooft een dieper inzicht in de evolutionaire processen op het meest elementaire niveau. De uitdaging blijft om de precieze architectuur van de receptoren te ontrafelen die deze uiterst efficiënte elektronentunneling voor neurale signalering mogelijk maken.