Quanteneffekt könnte biologisches Rätsel lösen

Viele der für das Leben essenziellen

Viele der für das Leben essenziellen Moleküle existieren in zwei Formen, die sich wie Spiegelbilder zueinander verhalten. Diese Formen werden Enantiomere genannt. Chemisch betrachtet sind sie nahezu identisch.

Die Biologie begünstigt jedoch eine Variante deutlich: Aminosäuren treten fast ausschließlich in einer Form auf, während Zucker meist in der entgegengesetzten Form vorkommen. Dieses Muster, Homochiralität genannt, bleibt seit über 100 Jahren schwer zu erklären.

Frühere Ansätze konnten nicht vollständig darlegen, warum dieselbe molekulare Präferenz sich in lebenden Systemen so weit verbreitet hat. Die neuen Erkenntnisse deuten darauf hin, dass der Schlüssel möglicherweise nicht in den Molekülen im Ruhezustand liegt, sondern sich erst dann manifestiert, wenn Elektronen durch sie hindurchfließen.

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Der Spin bricht die Spiegelsymmetrie. Prof. Yossi Paltiel, Prof. Ron Naaman und Kollegen stellten fest, dass sich der Elektronenspin bei der Bewegung durch chirale Moleküle mit deren Struktur auf eine Weise interagiert, die bei den beiden spiegelbildlichen Formen nicht perfekt übereinstimmt.

Folglich: \tDie beiden Formen knnen unterschiedliche Mengen an Spin-Polarisation erzeugen. \tDiese Unterschiede knnen beeinflussen, wie effizient jede Form an physikalischen und chemischen Prozessen teilnimmt.

Dieses Ergebnis stellt eine gngige Annahme in Frage: Spiegelbildmolekle sollten gleiche Effekte in der Gre zeigen, wobei lediglich die Richtung oder das Vorzeichen umgekehrt ist.

Was die Studie zeigt

Die Studie vereint Theorie, Experimente und fortgeschrittene Berechnungen, um das Ungleichgewicht auf die Art und Weise zurckzufhren, wie sich Elektronenspins innerhalb jeder molekularen Struktur ausrichten. Die beiden Enantiomere besitzen zwar dieselbe Energie.

Doch wenn sie in Bewegung sind oder an Transportprozessen beteiligt sind, verhlt sich ihr spinbezogones Verhalten nicht als perfektes Spiegelbild. Dieser Unterschied kann messbare nderungen in ihrem Verhalten hervorrufen.

Die Wirkung ist besonders bedeutsam, da sie sich whrend dynamischer Prozesse, einschlielich Elektronentransport und Wechselwirkungen mit magnetischer Umgebung, manifestiert, und nicht in feststehenden oder statischen molekularen Eigenschaften. Kleine Verzerrungen könnten das Leben geformt haben.

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Die Ergebnisse bieten einen möglichen Ansatz, um zu erklären, wie eine molekulare „Hand" in der Biologie so häufig wurde. Wenn ein Enantiomer unter Bedingungen, die durch den Elektronenspin geprägt sind, wiederholt effektiver mit seiner Umgebung wechselwirkt, kann selbst ein sehr kleiner Vorteil über lange Zeiträume anwachsen.

Schließlich könnte diese wiederholte Verzerrung dazu beitragen, eine breite biologische Präferenz für eine Form zu erzeugen. Damit wird ein Teil der Erklärung nicht mehr allein auf die Chemie zurückgeführt. Es deutet darauf hin, dass auch physikalische Prozesse die frühesten Stadien der Entwicklung lebender Systeme beeinflusst haben könnten.

Quanteneffekte erreichen die Biologie.

Was die Studie zeigt

Die Arbeit weist zudem auf neue Forschungsfragen hin, an denen sich Physik, Chemie und Biologie überschneiden: - Wie Effekte, die mit dem Elektronenspin verknüpft sind, chemische Reaktionen verändern - Wie Materialien so gestaltet werden können, dass sie sowohl Chiralität als auch Elektronenspin nutzen - Wie Quanteneigenschaften biologische Systeme beeinflussen In weiterem Sinne deutet die Studie darauf hin, dass chemische Symmetrie möglicherweise brüchiger und leichter zu stören ist, als Wissenschaftler bisher annahmen.

Referenz: „Dynamic breaking of mirror symmetry in spin-dependent electron transport through chiral media causes enantiomeric excesses" von Yossi Paltiel, Daniel Goldberg, Nir Yuran, Shira Yochelis, Jia Hao Soh, Christopher Seibel, Jürgen Gauss, Shmuel Zilberg, S. Furkan Ozturk, Jonas Fransson, Anna I. Krylov und Ron Naaman, 22. April 2026, Science Advances.