Biologie is misschien niet quantum, maar de wiskunde ervan is dat wel

Wetenschappers hebben een geschiedenis van pogingen — en mislukkingen — om biologie en quantummechanica aan elkaar te koppelen. De werkelijke connectie tussen beide ligt wellicht in de wiskunde.

Het leven ontvouwt zich over een onbevattelijke reeks schalen, van onze planeetomvattende biosfeer aan de ene kant tot individuele, celvormende biomoleculen aan de andere kant. Zelfs op zijn meest microscopische niveau reikt biologie echter niet echt tot het quantumdomein, waarin deeltjes zich gedragen als golven, met elkaar verstrengeld raken en bestaan in superposities van meerdere toestanden tegelijk. Maar wetenschappers in het veld van de quantumbiologie zoeken naar manieren waarop organismen quantummechanische eigenschappen zouden kunnen doortrekken naar de ruimte-, tijd- en temperatuurbereiken die relevant zijn voor het leven, om zo gebruik te maken van deze vreemde eigenschappen.

In fotosynthese bijvoorbeeld gebruiken organismen gespecialiseerde pigmenten en eiwitten om licht te oogsten met een bijna perfecte quantum-efficiëntie; ze zetten bijna elk binnenkomend foton om in bruikbare chemische energie. In 2007 suggereerden nieuwe bewijzen dat het leven deze prestatie zou kunnen leveren door gebruik te maken van een quantumeffect genaamd coherentie. Dit resultaat gaf steun aan het controversiële idee dat een levende cel — ondanks dat het een warme, natte en beslist klassieke omgeving is — fragiele quantumtoestanden zou kunnen behouden en zelfs kunnen exploiteren.

Gregory Scholes, een chemicus aan de Princeton University, was aanvankelijk enthousiast over dit resultaat. Hij en zijn collega's volgden op met experimenten op fotosynthetiserende eiwitten en pigmenten en kwamen tot soortgelijke conclusies. Tegenwoordig is Scholes echter sceptisch over de vraag of quantumeffecten een rol spelen in het leven. Hij is er zelfs van overtuigd dat de weg vooruit voor de quantumbiologie misschien helemaal niet quantum is. Scholes stelt dat het leven geen gebruik maakt van echte quantumeffecten, maar deze in plaats daarvan imiteert. In verschillende artikelen die in de afgelopen drie jaar zijn gepubliceerd, hebben Scholes en zijn collega's aangetoond dat complexe netwerken van klassieke objecten kunnen samenspannen om fenomenen te produceren die wiskundig gezien quantumobjecten nabootsen.

Let op: de toestanden die deze netwerken produceren zijn niet echt quantum; ze zijn slechts "quantum-achtig" (quantumlike). Ze ontstaan wanneer veel interagerende, oscillerende delen optellen tot een collectief geheel waarvan het gedrag voldoet aan dezelfde wiskunde die voorspellingen doet over de quantumwereld.

"Misschien betekent quantumbiologie op de grootste schalen dat er 3,5 miljard jaar evolutie is gebruikt om uit te zoeken hoe je de functionaliteit kunt krijgen die je zou krijgen van quantumsystemen," aldus Scholes.

Markus Müller, een fysicus aan het Institute for Quantum Optics and Quantum Information in Wenen, zegt dat onderzoekers in de fundamenten van de quantummechanica al decennia onderzoeken hoe bepaalde aspecten van de quantumwereld klassiek gereproduceerd kunnen worden. Wat Scholes heeft gedaan, zegt Müller, is aantonen hoe quantum-achtig gedrag kan voortkomen uit relatief onopvallende complexe netwerken — van het soort dat overvloedig aanwezig is in de natuur.

"Klassieke systemen kunnen enkele van de belangrijkste kenmerken van quantuminformatie nabootsen," zegt Sabre Kais, een quantumchemicus die quantumcomputing-algoritmen ontwikkelt voor complexe systemen aan de North Carolina State University. "Dit is een spannende nieuwe richting."

De grenzen van de quantumbiologie

De neiging om de mysteries van het leven als quantummechanisch van aard te herformuleren, is bijna net zo oud als de quantummechanica zelf. In een lezing uit 1929 deed de quantum-pionier Niels Bohr de vage maar aanlokkelijke uitspraak dat de quantummechanica, die op dat moment net haar wiskundige basis vond, "misschien van beslissend belang kan zijn, met name in de discussie over de positie van levende organismen in ons wereldbeeld."

Bohrs tijdgenoot Pascual Jordan schreef decennia lang over Quantenbiologie, waarbij hij betoogde dat het leven een uniek vermogen heeft om het vreemde indeterminisme van de quantumwereld te versterken tot macroscopische schalen, en dit claimde als de basis van het menselijk denken en de vrije wil. J.B.S. Haldane, een geneticus en evolutionair bioloog, echode Jordan in een paper uit 1934 door te stellen dat het vermogen om quantum-indeterminisme op te schalen is wat het leven speciaal maakt. (Jordan, die zich in 1933 aansloot bij de NSDAP en diens paramilitaire troepen, beschadigde de geloofwaardigheid van de quantumbiologie door te proberen deze aan het nazisme te koppelen.)

Deze vroege voorstanders van de quantumbiologie zochten verklaringen voor de raadselachtige eigenschappen van het leven op klassieke schaal in de contra-intuïtieve wetten van de fysica op quantumschaal. Een klassiek deeltje kan zich op één moment slechts op één plek bevinden; een quantumdeeltje is uitgesmeerd over alle plekken en manieren waarop het zich potentieel zou kunnen bevinden, in een soort golf van mogelijkheid. Deze verspreiding wordt wiskundig beschreven door een golffunctie die, net als een klassieke golf, pieken en dalen heeft.

Totdat een deeltje wordt geobserveerd, bestaan al zijn mogelijke configuraties effectief tegelijkertijd. Ze zijn gestapeld in superpositie, als overlappende golven van water of geluid. En net als overlappende golven kunnen gestapelde quantumtoestanden elkaar versterken, uitdoven of anderszins transformeren. Wanneer quantumtoestanden in superpositie nette genoeg golfeigenschappen hebben om elkaar op deze manier te beïnvloeden, worden ze coherent genoemd. Coherente quantumsystemen kunnen ook met elkaar verstrengeld raken, waardoor ze in feite versmelten tot één enkele, verenigde entiteit met een gedeelde golffunctie.

Quantumtoestanden zijn fragiel; ze worden gemakkelijk vernietigd wanneer ze in contact komen met de buitenwereld. Zelfs een kleine hoeveelheid omgevingsruis, zoals de atomaire trilling van warmte, kan decoherentie triggeren: een ineenstorting tot klassiek gedrag. (Quantumcomputers worden niet voor het plezier supergekoeld.) In het binnenste van een cel zou decoherentie in principe onmiddellijk moeten plaatsvinden — "quantumness" zou in zo'n omgeving niet lang genoeg moeten overleven om enige invloed te hebben op de biologie.

Het is waar dat, zelfs in een cel, zeer kleine deeltjes zoals waterstofatomen kunnen "quantumtunnelen", waarbij ze voorbij energetische barrières springen die hen anders zouden vertragen of tegenhouden. Er is bewijs dat tunneling in bepaalde enzymen hun snelle reactiesnelheden kan verklaren. Maar dat is niet waar quantumbiologen echt naar op zoek zijn, zegt Scholes. Bij dit soort tunneling is geen sprake van langdurige coherentie. De betrokken quantummechanica is simpel, vluchtig en bijna onvermijdelijk — zelfs in een kolf met dode chemicaliën zullen sommige kleine deeltjes door energetische barrières tunnelen. De vraag is of het leven kan doen wat dode chemie niet kan: quantumtoestanden lang genoeg in coherentie houden om die coherentie zelf als hulpbron te gebruiken.

Een teleurstelling bij het oogsten van licht

Wetenschappers experimenteerden al in de jaren 30 met het idee dat quantumcoherentie de opmerkelijke efficiëntie van fotosynthese zou kunnen verklaren.

Fotosynthetiserende organismen gebruiken arrays van pigmenten en eiwitten, genaamd licht-oogstcomplexen, om licht op te vangen. Wanneer een foton een van deze complexen raakt, wordt de elektromagnetische energie geabsorbeerd en wordt een elektron in het complex naar een aangeslagen toestand getild. Dit quasipartikel — een exciton genoemd — begeeft zich naar een reactiecentrum, waar het wordt omgezet in chemische energie die de belangrijkste stappen van de fotosynthese kan aansturen.

Het proces is bijna 100% efficiënt: bijna elk geabsorbeerd foton draagt bij aan de fotosynthese. Wetenschappers dachten dat als excitonen quantumcoherentie zouden behouden over meerdere moleculen in het licht-oogstcomplex, ze gelijktijdig verschillende routes naar het reactiecentrum zouden kunnen verkennen, in plaats van willekeurig rond te springen en mogelijk verdwaald te raken.

In 2007 testte Graham Fleming van de University of California, Berkeley dit idee met een licht-oogstcomplex van pigmenten en eiwitten uit een bacterie. Hij en zijn collega's bestraalden de pigmenten en eiwitten met extreem snelle laserpulsen om excitonen te genereren, en onderzochten deze vervolgens met vervolgpulsen. Dit onthulde gesynchroniseerde "beats" (pulsen) die op dat moment leken op bewijs dat excitonen met elkaar interfereerden via quantumcoherentie. Andere onderzoekers, waaronder Scholes, voerden soortgelijke experimenten uit en vonden soortgelijke beats — zelfs in experimenten die bij kamertemperatuur werden uitgevoerd.

Maar net toen de quantumbiologie momentum begon te krijgen, stuitte ze op een muur. Bij nadere inspectie bleek dat beats zoals die van het team van Fleming niet weerspiegelden van quantumcoherentie, maar van een resonantie tussen trillende moleculaire bindingen. De resonantie was een interessant effect waar wetenschappers nog steeds aan werken, maar het was geen langdurige, langereikende quantumcoherentie.

"Mensen waren teleurgesteld," zegt Richard Cogdell, een fotobioloog aan de University of Glasgow. "Het zou spannend zijn als hier echt iets achter zat, en als er iets speciaals was aan biologie waar niemand eerder rekening mee had gehouden."

Onderzoekers hebben gehypothetiseerd dat quantumeffecten een rol spelen bij verschillende biologische fenomenen — waaronder het magnetische zintuig dat vogels helpt navigeren en, speculatiever, het menselijk bewustzijn — met variërende graden van empirische ondersteuning. Maar op dit moment is er nog geen definitief bewijs voor enige langdurige quantumcoherentie met een biologische functie.

Scholes is sceptisch geworden over de vraag of het überhaupt mogelijk is om effecten zoals coherentie en verstrengeling in het leven op te schalen. "Het is die opschaling die de 'wow-factor' geeft. En de echte quantumwereld gaat niet zo opschalen," zegt hij.

Tijdens een conferentie in december 2023 voerde Scholes een gesprek over wat er nodig was om het veld vooruit te helpen. Hij herinnert zich dat hij terugkeerde naar zijn hotelkamer en een idee opschreef: misschien komt het "quantum" in quantumbiologie helemaal niet uit de quantummechanica, maar ontstaat het uit golfachtige rimpelingen over enorme, complexe netwerken.

"Ik ben er nu van overtuigd dat je transformerende effecten kunt krijgen, maar dat deze zouden voortkomen uit klassieke systemen die nabootsen wat je met quantumsystemen kunt doen," zegt Scholes. "Maakt het uit als je het verschil niet kunt zien?"

Een wereld van quantum-achtige toestanden

Scholes vroeg zich af of het ontstaan van speciale gesynchroniseerde toestanden in complexe netwerken, zoals vogels in een zwerm of vissen in een school, quantum-achtig gedrag zou kunnen produceren.

Als je de fysica weghaalt uit een quantumtoestand, is het wiskundige object dat overblijft een vector — een geordende lijst getallen die fungeert als coördinaten voor een locatie in een wiskundige ruimte van mogelijkheden. Quantumtoestanden worden gerepresenteerd in een specifiek soort vectorruimte genaamd een Hilbertruimte.

Vectoren in de Hilbertruimte volgen specifieke regels. Eén van die regels is dat elke twee toestanden bij elkaar kunnen worden opgeteld, en dat het resultaat ook een geldige vector zal zijn die, zodra genormaliseerd, een geldige quantumtoestand oplevert. Dit is wiskundig gezien waar quantumsuperpositie op slaat. Toestanden zijn coherent als ze nette faserelaties hebben die hen in staat stellen te interfereren — elkaar versterken of uitdoven, afhankelijk van hoe ze zijn uitgelijnd. De coördinaten van een vector in de Hilbertruimte bevatten informatie die overeenkomt met deze uitlijning van pieken en dalen, genaamd de fase van een golf.

Andrei Khrennikov, een wiskundige aan de Linnaeus University in Zweden, merkte in de jaren 90 een connectie op tussen quantuminterferentie en de klassieke wereld toen hij wiskunde uit de quantummechanica begon te lenen om waarschijnlijkheden te modelleren. Zijn idee was in essentie dat probabilistische uitkomsten — in velden die zo verschillend zijn als neurowetenschappen en economie — met zichzelf kunnen interfereren, net als quantumtoestanden in superpositie.

In 2024 vond Scholes een manier om complexe netwerken van oscillatoren zo te ontwerpen dat ze emergente toestanden produceerden — stabiele patronen van gesynchroniseerd gedrag, zoals een menigte die in maat klapt — die wiskundig beschreven konden worden als vectoren in een Hilbertruimte. Specifiek toonde hij aan dat netwerken kunnen worden geconstrueerd om emergente toestanden te produceren die wiskundig gezien de eenvoudigste quantumunit nabootsen: een qubit, die twee toestanden heeft (zoals 1 of 0) en kan bestaan in een superpositie van beide.

"Dit komt strikt voort uit de wiskundige structuur van de graaf," zegt Ethan Dickey, een computerwetenschapper aan Purdue University. "Als je grafen op bepaalde manieren bouwt die niet onredelijk zijn, gebeurt het dat er een zeer mooi, zeer elegant wiskundig object verschijnt dat een quantumobject simuleert — of bijna benadert."

De herdefinitie van quantumbiologie

Zeer verschillende fysica kan ten grondslag liggen aan vergelijkbare wiskundige vormen. Zowel de parabolische boog van een vliegende honkbal als de parabolische boog aan de punt van een cactusdoorn kunnen worden beschreven met kwadratische vergelijkingen, maar de twee worden gevormd door verschillende krachten. Een wiskundige connectie tussen de klassieke en quantumwereld mag dus niet worden verward met een fysieke connectie.

Er is een gecompliceerde geschiedenis van zowel serieus onderzoek als fantasievolle speculatie over quantumeffecten in het leven. Ebrahim Karimi, een fysicus aan de University of Ottawa, vindt dat onderzoekers voorzichtig moeten zijn met het toekennen van te veel waarde aan deze wiskundige link. Hij prijst Scholes' nieuwe raamwerk om zijn elegantie en zegt dat het nuttig zou kunnen zijn, maar hij vindt dat quantum-vocabulaire niet in de buurt van klassieke systemen thuishoort. Interferentie is niets mysterieus of quantums, merkt Karimi op. Het is simpelweg een kenmerk van hoe golven zich gedragen.

Onderzoekers willen een beter begrip krijgen van wanneer en hoe klassieke systemen quantumwiskunde kunnen nabootsen. Die kennis zou nuttig kunnen zijn voor het sorteren van omstreden claims over quantumeffecten in het leven — inclusief in de hersenen.

Onder onderzoekers die het leven met het quantumdomein willen verbinden, zijn de hersenen al lang een focus van intense interesse en verhitte debatten. In 1989 blies Roger Penrose bijvoorbeeld oude ideeën over quantumfysica als basis voor de vrije wil nieuw leven in; hij stelde dat bewustzijn voortkomt uit quantumeffecten in de hersenen, in netwerken van eiwitfilamenten genaamd microtubuli. Weinig neurowetenschappers nemen dit standpunt serieus.

Gezien die context was Wolf Singer, een neurofysioloog aan het Ernst Strüngmann Institute van de Max Planck Society, aanvankelijk sceptisch toen Khrennikov hem uitnodigde voor een workshop over quantum-achtige modellering.

Singer en collega's toonden in 2025 aan dat het introduceren van oscillaties in een bepaald soort simpel neuraal netwerk deze efficiënter en robuuster maakt. Singer zei dat het gebruik van interferentie het netwerk in feite een nieuwe dimensie gaf om mee te werken: tijd. Dit kwam omdat de fase van een oscillatie informatie codeert over hoe gebeurtenissen in de tijd ten opzichte van elkaar zijn gestructureerd. Na de workshop zei Singer dat hij "onder de indruk was van het feit dat sommige fenomenen in de echte wereld misschien beter beschreven kunnen worden met de beschrijvingstechnieken die ze in de quantumfysica gebruiken."

Quantum-achtige toestanden bieden ook een conceptueel blauwdruk voor het doelbewust ontwerpen van netwerken — die alles kunnen zijn van elektrische circuits tot neuronen tot fysieke pendels die door veren zijn gekoppeld — die gebruik kunnen maken van superpositie en interferentie om te rekenen. In vervolgonderzoek toonden Scholes en zijn collega's aan dat het mogelijk is om quantum-achtige bits met elkaar te verbinden om grotere netwerken te produceren, die ook quantum-achtige toestanden zijn, en demonstreerden ze hoe een netwerk kan worden ontworpen om de quantumversie van een "logische poort" (logic gate) na te bootsen, een circuit dat wordt gebruikt om een eenvoudige berekening uit te voeren.

Dickey en zijn doctoraal-co-begeleider Kais geloven dat quantum-achtige toestanden een "groot potentieel voor praktische toepassingen" hebben in quantum-machine learning en in het modelleren van complexe systemen. Maar die toepassingen kennen beperkingen: de complexiteit van het onderliggende netwerk explodeert zodra je quantum-achtige bits met elkaar begint te verbinden. Om logische quantumpoorten perfect na te bootsen, "heb je oneindige middelen nodig, fysieke middelen," zegt Scholes.

Dickey heeft voortgebouwd op het werk van Scholes om de netwerkeigenschappen vast te stellen die quantum-achtige toestanden produceren, en werkt aan computationeel efficiënte manieren om deze te produceren. Hij publiceerde in 2026 ook werk waarin hij liet zien hoe netwerken zo ontworpen kunnen worden dat ze meer soorten quantumtoestanden produceren dan het oorspronkelijke raamwerk van Scholes toeliet.

Voor zijn deel is Scholes geïnteresseerd in het begrijpen van de grenzen van quantum-achtige toestanden in de klassieke wereld. Hij probeert te bepalen of het mogelijk is voor klassieke systemen om verstrengeling op een betekenisvolle manier na te bootsen.

Zelfs als biologie uiteindelijk niet zo quantum is als onderzoekers ooit hoopten, kunnen er nog steeds interessante — en potentieel verhelderende — parallellen zijn tussen de levende wereld en het quantumdomein. Hoewel quantumsuperposities oplossen naarmate de schaal toeneemt, lijken aspecten van de wiskunde die de kleinste, eenvoudigste bouwstenen van het bestaan beheersen, opnieuw op te duiken in de meest uitgestrekte, complexe klassieke systemen die we kennen.