Trekvogels zoals duiven, maar ook roodborstjes, oriënteren zich onderweg op het aardmagnetisch veld. Chemisch onderzoek wijst erop dat ze dat zwakke magneetveld kunnen waarnemen met hulp van een kwantumchemisch verschijnsel in hun netvlies. Dat is verrassend, want normaal gesproken zijn chemische reacties tamelijk ongevoelig voor magnetische velden. ‘Maar het lijkt erop dat moleculen in het netvlies van vogels juist heel gevoelig zijn voor magnetische velden’, zegt fysisch chemicus Peter Hore van de Universiteit Oxford. Hij onderzoekt deze chemische magnetoreceptie al twee decennia.

Het is een van de voorbeelden van het onderzoeksgebied van de kwantumbiochemie: de rol van kwantummechanische effecten als verstrengeling, tunnelling en coherentie in de biochemie. Kwantumbiologische effecten zouden bijvoorbeeld de efficiëntie van bepaalde enzymen dramatisch verbeteren, een rol spelen in de molecuul-detectie in reuksensoren in de neus, en bij de waterstofbindingen tussen baseparen in DNA. Zelfs de wonderbaarlijk versnelde rekencapaciteit die kwantumcomputers beloven, zou de natuur al miljoenen jaren eerder ontdekt hebben om de efficiëntie van fotosynthese te verhogen. Zóu, want óf kwantummechanische effecten een cruciale rol spelen is nog nergens definitief bewezen. ‘Ik ben er zelf niet van overtuigd dat we hét mechanisme hebben’, zegt Hore over de magnetoreceptie. ‘Al denk ik dat er meer bewijs voor is dan voor enig ander mechanisme. Maar anderen denken dat het allemaal een load of rubbish is.’

Miljoenen malen te klein

Dat trekvogels het magnetisch veld van de aarde kunnen gebruiken om te navigeren, hadden biologen al in de jaren zeventig bewezen. Maar pas in 2000 opperden Klaus Schulten van de University of Illinois in Urbana-Champaign en collega’s een specifiek molecuul dat het magnetisch veld zou kunnen detecteren: het eiwit cryptochroom, dat voorkomt in het netvlies van vogels en amfibieën.

Dat detecteren is niet eenvoudig: magnetische velden kunnen weliswaar de energieniveaus van elektronen in het molecuul ophogen of juist verlagen – het Zeemaneffect – maar bij biologisch relevante temperaturen is het energieverschil miljoenen maal te klein om voor gewone chemische reacties enig verschil te maken.

In cryptochroom zit het molecuul FAD (flavine-adenine-dinucleotide). Als daar blauw licht op valt, produceert dat twee radicalen: molecuulfragmenten met een los, ongekoppeld elektron. De elektronen in dat radicaal hebben een elektronspin: een klein, intrinsiek magnetisch moment. Op het moment van splitsen zijn de twee elektronspins nog in een kwantummechanische singlet-toestand, waarbij ze precies tegengestelde richtingen hebben. Maar onder invloed van plaatselijke magneetvelden zal de singlet al snel omklappen naar een triplet-toestand (ruwweg de toestand waarbij ze antiparallel staan), en ook weer terug. Dat omklappen gebeurt miljoenen malen per seconde.

‘Een chemicus weet dat moleculen ten diepste kwantummechanisch zijn’

Jeremy Harvey

Radicalen leven doorgaans maar kort, hooguit een microseconde. De twee molecuulfragmenten kunnen recombineren tot het oorspronkelijke molecuul FAD, óf ze kunnen verder van elkaar verwijderd raken en reageren tot andere reactieproducten. Daarbij is er een asymmetrie: alleen de singlet-toestand kan terugvallen tot de begintoestand, de triplet-toestand niet. Dat betekent dat de hoeveelheid andere reactieproducten afhankelijk is van de verhouding tussen singlets en triplets. En die verhouding is weer afhankelijk van het plaatselijke magneetveld. Dat is opgebouwd uit een som van lokale, ruimtelijk inhomogene magneetvelden afkomstig van de kernspins van naburige waterstof- en stikstofatomen, plus het homogene aardmagneetveld.

De hoek die dat aardmagneetveld maakt met de plaatselijke velden, is op deze manier bepalend voor de precieze verhouding tussen singlets en triplets, en die valt weer af te lezen aan de reactieproducten. In theorie zijn die dus gecorreleerd met de richting van het magnetisch veld.

Peter Hore: ‘We hebben in onze laatste paper laten zien dat cryptochroom in vitro inderdaad gevoelig is voor kleine velden als je er met blauw licht op schijnt. Maar het zou overtuigender zijn als we het in een levend netvlies kunnen laten zien.’ Indirecte aanwijzingen zijn bemoedigend: vogels hebben meerdere vormen van cryptochroom, maar de enige variant waarin radicale paren ontstaan, komt vooral voor bij trekvogels én neemt toe in het trekseizoen.

Coherente superpositie

Minder voorspoedig vergaat het de nog iets spectaculairdere hypothese dat de fotosynthese vergelijkbaar is met een kwantumcomputer. Licht wordt ingevangen door een fotosynthese-eiwitcomplex. Fotosynthese is het proces waarmee planten en sommige micro-organismen licht omzetten in chemische energie. In het eiwitcomplex dat dit bewerkstelligt, zitten meerdere chromoforen: lichtgevoelige moleculen die licht omzetten in excitonen, plaatselijke elektronisch aangeslagen toestanden. Die excitonen golven vervolgens van chromofoor naar chromofoor, om te eindigen in een reactiecentrum dat ze omzet in elektrochemische energie.

In 2007 stelden fysisch chemicus Graham Fleming van de University of California in Berkeley en collega’s dat ze bewijs hadden gevonden dat de excitonen een coherente superposititie vormen. Dat is een kwantummechanische combinatie vergelijkbaar met de beroemde kat van Schrödinger, die tegelijkertijd dood en levend in zijn doosje zit. Door tegelijkertijd verschillende routes af te leggen, zou zo’n superpositie effectief de best mogelijke route doorlopen, en zo tot de maximale fotosynthese-efficiëntie komen. Dit lijkt een beetje op hoe kwantumcomputers meerdere berekeningen tegelijk uitvoeren om tot wonderbaarlijk snelle rekenprestaties te komen.

Fleming en zijn groep claimden dat ze met spectroscopietechnieken de zwevingen hadden gedetecteerd die het gevolg waren van zo’n coherente superpositie; andere onderzoekers, zoals David Jonas van de University of Colorado in Boulder, verwierpen die claim en stelden in een PNAS-publicatie van 2013 dat Fleming en collega’s gewoon de normale de vibraties van moleculen hadden gezien.

‘Sommige wetenschappers denken dat het allemaal een load of rubbish is’

Peter Hore

Coherente superposities van excitonen zouden bovendien veel te kort leven om de benodigde afstanden af te kunnen leggen, zegt Jeremy Harvey, een theoretisch chemicus aan de KU Leuven. Harvey was in 2016 coauteur van een artikel over het onderwerp in The Journal of Physical Chemistry B. ‘Wij lieten zien dat metingen ook goed te begrijpen waren zonder gebruik te maken van coherente superposities. Bijna niemand denkt nu nog dat kwantumcoherentie belangrijk is voor fotosynthese.’

Overigens kun je je afvragen wat je precies bedoelt met een kwantumbiologisch effect, zegt Harvey. ‘Er is een verschil in cultuur tussen chemici en natuurkundigen. De typische voorbeelden van kwantummechanische effecten voor natuurkundigen zijn superposities, kwantumverstrengeling en golven, meestal in extreem koude vacuümopstellingen in laboratoria met lasers en gevoelige detectoren. Dan is het niet raar dat ze opgewonden raken als zoiets ook een levende cel lijkt te gebeuren. Maar een chemicus weet dat moleculen ten diepste kwantummechanisch zijn. Eigenlijk is het mees voorkomende kwantummechanische effect de chemische binding.’ Met klassieke mechanica is immers niet te begrijpen hoe twee elektronen, afkomstig van verschillende atomen, samen in een moleculaire orbitaal gaan zitten en zo een stabiele binding vormen.

‘Gewoon geniaal’

Toch is er ook een scheikundige interpretatie mogelijk van een kwantumbiologisch effect, blijkt in een gesprek met theoretisch chemicus Célia Fonseca Guerra van de Vrije Universiteit in Amsterdam. Haar onderzoeksgroep berekent de kwantummechanica van grote moleculen met hulp van supercomputers en de rekenmethode dichtheidsfunctionaaltheorie (Density Functional Theory, DFT). Zulke berekeningen kosten veel rekenkracht, vertelt Fonseca Guerra. ’Twintig jaar geleden waren we blij als we een stukje DNA konden doorrekenen, pas de laatste jaren zijn rekenkracht en methoden genoeg verbeterd om biochemische complexen aan te pakken.’

Een voorbeeld daarvan zijn zogenoemde guanine-quadruplexen, vierringen van de DNA-base guanine. ‘Quadruplexen staan erg in de belangstelling’, zegt Fonseca Guerra. ‘Ze zijn terug te vinden in telomeren, de uiteinden van DNA, ze spelen een rol bij andere geometrieën van DNA dan de dubbele helix, en er zijn aanwijzingen dat ze ook selectief stukken DNA uit kunnen schakelen en zo celgroei kunnen verstoren. Dat maakt ze mogelijk interessant voor medische toepassingen.’

‘Dankzij kwantumeffecten is het guanine-quadruplex zo stabiel; ik vind dat gewoon geniaal van de natuur’

Célia Fonseca Guerra

Al rekenend ontdekte Fonseca Guerra waar de guanine-quadruplexen hun bijzondere stabiliteit aan danken. Gerangschikt in een vierhoek, zijn er steeds twee gelijkgerichte waterstofbruggen met het naburige guanine-molecuul. Dat betekent dat elektronen op het zuurstof- en een stikstofatoom van het ene guanine, een beetje overlopen naar de waterstofatomen van het buur-guanine. Waterstofbruggen komen veel voor in biomoleculen, maar in dit geval had de ladingsoverdracht naar de H-atomen aan de ene zijde van het guanine gevolgen aan de andere zijde. Daar gingen de energieniveaus van de elektronen iets omhoog, waardoor ze beter aansluiten op de energieniveaus van de waterstofatomen in devolgende guanine. Een beter aansluitend energieniveau veroorzaakt volgens de kwantummechanica een stabielere binding, zelfs als dat een zwakke waterstofbrug is. ‘De gedeeltelijke acceptatie van twee elektronen aan de ene kant van het molecuul leidt dus tot een betere interactie aan de andere zijde’, zegt Fonseca Guerra. ‘En dat vier keer in de rondte. Daarom is het guanine-quadruplex zo stabiel. Ik vind dat gewoon geniaal van de natuur.’

Collega’s hebben met instemming gereageerd op de berekeningen, maar is het nu ook een kwantumbiologisch effect? Fonseca Guerra: ‘Het is een effect dat je niet kunt verklaren zonder kwantumchemie.’ Die opvatting onderschrijft ook Peter Hore. In het artikel How quantum is radical pair magnetoreception? in het tijdschrift Faraday Discussions van de Engelse Royal Society of Chemistry proberen hij en collega’s het cryptochroom door te rekenen met niet-kwantummechanische methodes. Dat geeft slechte resultaten, dus is zijn conclusie dat magnetische gevoeligheid strikt genomen ‘kwantum’ is. ‘Maar anderzijds is geen enkel molecuul klassiek goed door te rekenen’, zegt Peter Hore. ‘Om kwantum te zijn in de niet-triviale betekenis, moet een effect wat mij betreft ook nog verrassend zijn.’

Steeds belangrijker

‘Verrassend’ is natuurlijk een nogal subjectief criterium, maar wat doet het er eigenlijk toe of een effect kwantumbiologisch is? Hore lacht: ‘Een goede vraag, ik weet het eigenlijk niet. Kwantumbiologie is een idee dat mensen opwindt, een hype. Maar aan de andere kant lijkt het me vanzelfsprekend dat de evolutie manieren vindt om processen te optimaliseren, ook als dat kwantummechanische manieren zijn.’

Het echte doel van zijn onderzoek is om te begrijpen hoe vogels het aardmagneetveld voelen, zegt Hore. En wie weet leidt dat begrip dan tot goedkope, organische sensoren van magneetvelden. Net zoals volgens Harvey een beter begrip van fotosynthese kan leiden tot efficiëntere, goedkopere zonnecellen.

‘Uiteindelijk is mijn droom toch om de processen van het leven te begrijpen’, beaamt Fonseca Guerra. ‘Twintig jaar geleden waren we blij als we een stukje DNA konden doorrekenen.’ Pas de laatste jaren zijn de rekenkracht van supercomputers en de rekenmethoden genoeg verbeterd om biochemische complexen aan te pakken, zoals bijvoorbeeld de guanine-quadruplexen. Dus valt te verwachten dat het begrip kwantummechanica alleen maar belangrijker wordt in de biochemie, of je dat nu kwantumbiologie noemt of iets anders. En of je nu chemicus bent of natuurkundige.