Stuart Hameroff ist eine schelmische Gestalt – klein, rund, mit grauem Haar und einem breiten, knorrigen Gesicht. Seine Stimme ist Rauch – tief und körnig, rumpelnd mit dem Gewicht seiner 70 Jahre. Seit mehr als zwei Jahrzehnten leitet er eine wissenschaftliche Konferenz zur Bewusstseinsforschung. Er erscheint jeden Tag in zerknitterten Jeans und kurzärmeligen Hemden. Das wirkt lässig, fast schon schlampig. Aber aus der Nähe hat er das Sagen, und auf seine Kritiker wirkt er kämpferisch.
Es ist ihm vielleicht nicht so wichtig, wie er gekleidet ist. Ihm ist sehr wichtig, wie er und seine Theorien angesprochen werden.
Hameroff ist vor allem dafür bekannt, dass er in den Bereichen der Neurowissenschaften und der Philosophie als eine Art Gadfly fungiert. Er tauchte 1994 aus den fensterlosen Eingeweiden des Krankenhauses in Arizona auf, in dem er immer noch als Anästhesist arbeitet, um einige der – damals – ausgefallensten Ideen über das menschliche Gehirn vorzustellen.
Die meisten Neurowissenschaftler sagen, dass Gedanken aus Gehirnzellen, den Neuronen, geboren werden. Hameroff schlägt vor, dass die sinnvollste Aktion auf der unmöglich kleinen Quantenebene stattfindet, wo subatomare Teilchen wie Photonen und Elektronen ein bizarres Verhalten zeigen. Die Quantenphysik treibt das Bewusstsein an, glaubt er.
Wenn Hameroff diese Ideen selbst vorgeschlagen hätte, wäre er vielleicht ignoriert worden, aber sein Co-Theoretiker war Sir Roger Penrose, eine geschätzte Figur der mathematischen Physik. Ihre Theorie, genannt „orchestrierte objektive Reduktion“ oder Orch-OR, legt nahe, dass Strukturen namens Mikrotubuli, die Material innerhalb von Zellen transportieren, unserem bewussten Denken zugrunde liegen.
Aber das Penrose-Hameroff-Modell dessen, was man Quantenbewusstsein nennen würde, war ein wissenschaftlicher Fehlstart. Führende Experten lehnten das neue Modell rundweg ab. Quanteneffekte, so die Kritik, seien im Labor notorisch schwer aufrechtzuerhalten und erforderten ultrakalte Temperaturen und Abschirmungen, um selbst vor den geringsten Störungen zu schützen. Die Kritiker sagten, lebende Dinge seien einfach zu „warm, feucht und laut“, um signifikante Quanteneffekte zu ermöglichen. Außerdem, so argumentierten Neurowissenschaftler, biete das Penrose-Hameroff-Modell keine überprüfbaren Hypothesen.
Die beiden waren sich uneinig und brachten im Laufe der Jahre immer mehr Papiere heraus. Aber während Penroses Ruf zu überragend ist, um ihn zu zerstören, schien Hameroff seinen festesten Stand durch die Popkultur zu finden. Er erhielt Unterstützung von Deepak Chopra, einem Autor und New-Age-Guru der Quantenbewusstseinstheorien. Er war auch in What the Bleep Do We Know? zu sehen, einem Film, der Wissenschaftler verärgerte, weil er einen Quantenmystizismus propagierte, der unserer nackten Existenz zugrunde liegt.
Im Jahr 2006 hielt Hameroff einen Vortrag, der seine Beziehung zur wissenschaftlichen Gemeinschaft auf den Punkt brachte. Auf einer Konferenz mit dem Titel „Beyond Belief“ (Jenseits des Glaubens), die mit führenden Koryphäen aus vielen Disziplinen gefüllt war, präsentierte er seine Theorien zu allem, vom Bewusstsein bis hin zu einer auf Quantenmechanik basierenden „Spiritualität“. Am Ende sprach der prominente Physiker Lawrence Krauss von seinem Platz im Publikum. „Aus der Perspektive der Physik“, sagte er, „ist alles, was Sie gesagt haben, Unsinn.“
Viele halten Hameroff für unsinnig, eine Kreatur aus einer Lewis-Carroll-Geschichte, die unter einem Fliegenpilz hervorruft, dass wir alles falsch verstanden haben, dass eine Art Quantenmagie unserer Gehirnfunktion zugrunde liegt.
Aber nur vier Jahre später war ein Wandel im Gange. Im Jahr 2010 wurde Hameroff eingeladen, auf dem Google-Campus in Mountain View, Kalifornien, bei einem weniger öffentlichen Treffen zu sprechen. Seine Präsentation deutete darauf hin, dass er einen festeren Blick auf die Realität haben könnte, als einige vielleicht dachten.
Hameroff und einige andere Wissenschaftler wurden von Hartmut Neven eingeladen, einem Google-Forscher für visuelle Suchtechnologien. Zu dieser Zeit versuchten Wissenschaftler bereits, die Gesetze der Quantenphysik anzuzapfen, um kleinere, intelligentere Computer zu bauen. Und Biologen begannen zu vermuten, dass die Quantenphysik für Prozesse wie die Photosynthese und die Migration mithilfe des Erdmagnetfelds wichtig sein könnte. Neven sagt, er sei an Hameroffs Forschung interessiert gewesen, weil das Verständnis der Effizienz des Gehirns Google enorme Kosteneinsparungen bringen könnte.
„Ich finde es ziemlich bemerkenswert, dass das menschliche Gehirn in der Lage ist, seine enormen Leistungen mit nur einem Löffel Zucker am Tag zu vollbringen“, sagt Neven.
Eine lustige Sache passierte auf Hameroffs Reise durch die Unkrautfelder des wissenschaftlichen Spottes: Daten tauchten auf.
Die Daten reichen nicht aus, um Orch-OR zu bestätigen, aber die neuen Erkenntnisse legen nahe, dass einige von Hameroffs Behauptungen plausibler sind als bisher angenommen. Außerdem sind die Mikrotubuli – die winzigen Strukturen, von denen Hameroff glaubt, dass sie Quantenoperationen im Gehirn beherbergen – plötzlich ein heißes Thema. Und zwei Forscher finden, dass der alte Anästhesist Recht haben könnte: Die Quantenphysik könnte für unser Bewusstsein, unsere Kognition und sogar unser Gedächtnis entscheidend sein.
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Das harte Problem
Trotz Hameroffs umstrittenem Standing in der wissenschaftlichen Gemeinschaft sind die Konferenzen, die er veranstaltet, ein gefundenes Fressen für Neurowissenschaftler und Philosophen. Auf seiner ersten Bewusstseinskonferenz in Tucson, Arizona, im Jahr 1994 machte ein junger Philosoph namens David Chalmers – ein Australier in Lederjacke, damals mit dem langen, zotteligen Haar eines Heavy-Metal-Fans – mit einer neuen Interpretation einer uralten Frage von sich reden.
Chalmers argumentierte, dass einige Probleme der Kognitionswissenschaft relativ „einfach“ zu lösen seien. Die meisten Informationsverarbeitungen, wie etwa das Autofahren, sind reine Berechnungen. Und dafür reicht das Feuern von Neuronen aus. Das „schwierige Problem“, sagt er, ist die Existenz von Bewusstsein selbst. Die gleiche Verdrahtung in unserem Gehirn sorgt dafür, dass wir gerne einen Apfel essen, aber auch dafür, dass wir uns vorstellen können, einen Apfel zu essen, wenn kein echter Apfel in der Nähe ist. Die Wissenschaft kann nicht genau erklären, wie. Theorien gab es bereits zuhauf, und Forscher wie der Neurowissenschaftler Christof Koch – zusammen mit Francis Crick, dem Mitentdecker des DNA-Moleküls – suchten nach den sogenannten neuronalen Korrelaten des Bewusstseins.
Aber wo die meisten an den orthodoxen Erkenntnissen der Physik und der Neurowissenschaften festhielten, warb Hameroff für seine abseitigeren Ideen.
Bei der Tucson Science of Consciousness Conference 2016 wurde Hameroff mit dem Respekt behandelt, der einem Konferenzveranstalter gebührt, aber auch zur Zielscheibe gelegentlicher Witze gemacht. So war im Publikum ein Stöhnen zu hören, wenn Hameroff das Mikrofon ergriff und das gerade Präsentierte auf seine eigene Theorie zurückführte.
Aber beim Mittagessen, an einem besonders heißen Tag in der Mitte der Konferenz, suchte Hameroff einen Platz im Schatten und argumentierte, dass er nur so gut gibt, wie er bekommt: Seine Kritiker mögen ihre Urteile in akademischen Nettigkeiten verpacken, sagt er, aber im Grunde sagen sie, dass er seine Karriere in einem falschen Versuch verschwendet hat, die Neurowissenschaften in reine Spekulation und Quanten-Woo zu lenken.
„Roger ist immer noch an Bord“, sagt er über Penrose. „
Penrose bleibt dem verpflichtet, was die beiden über die Jahre gemeinsam veröffentlicht haben – die theoretische Wissenschaft. Abseits des Blattes unterscheiden sie sich. Penrose hat sich zu den philosophischen Implikationen ihrer Theorie weitgehend bedeckt gehalten. Hameroff hat frei darüber spekuliert, was das alles bedeutet. Er hat zum Beispiel behauptet, dass Nahtoderfahrungen etwas Reales widerspiegeln könnten: ein möglicherweise kurzlebiges Quanten-Jenseitsleben.
Die Herausforderung besteht also darin, Hameroffs Spekulationen beiseite zu lassen und stattdessen zu schauen, was er und Penrose veröffentlicht haben, und wie dieses seltsame Paar überhaupt zu Partnern wurde.
Hameroffs Biografie und zumindest einige seiner Behauptungen sind stärker in der Wissenschaft verwurzelt, als es seine Kritiker normalerweise zulassen.
Carnival Barker’s Son
Hameroff wurde 1947 in Buffalo, New York, geboren. Sein Vater Harry trat als Jahrmarktsschreier und als Komiker im Burlesque-Theater und im Varieté auf. Sein Großvater Abraham war ein großer Einfluss auf ihn. Er kaufte dem jungen Stuart Bücher über Wissenschaft und lehrte ihn über Einstein. „Er war so etwas wie ein intellektueller Dilettant“, sagt Hameroff. „Er wusste viel über vieles.“
Als es an der Zeit war, eine höhere Ausbildung anzustreben, interessierte sich Hameroff bereits sehr für das „Geist-Körper-Problem“ – im Grunde das „harte Problem“ von Chalmers, bevor dieser den Begriff prägte.
Hameroff entschied sich für ein Medizinstudium, doch die Suche nach einem Spezialgebiet blieb ihm versagt. Neurologie? Psychiatrie? Während eines Praktikums am Tucson Medical Center sagte ihm der Vorsitzende der Anästhesieabteilung, dass die Anästhesie der Schlüssel zum Verständnis des Bewusstseins sei. Also forschte Hameroff nach, und seine Karriere in der Anästhesiologie nahm schnell Gestalt an.
Hameroff sagt, dass ein Patient unter Narkose eine relativ normale Gehirnfunktion aufweist, außer einer Sache: dem Bewusstsein. Die Neuronen feuern weiter, und selbst Schmerzsignale nehmen ihren normalen Weg. Aber dieser Schmerz wird nie gefühlt, nie erlebt. Die Wissenschaft der Anästhesie sitzt mitten im Herzen des schwierigen Problems – „einfache“ Rechenprozesse weiterlaufen zu lassen, während das subjektive Erleben selektiv ausgeschaltet wird. Aber niemand weiß so recht wie.
Bereits früh in seiner Karriere vermutete Hameroff, dass Mikrotubuli eine Antwort liefern könnten. Mikrotubuli wurden in den 1960er Jahren zufällig entdeckt. In den folgenden Jahrzehnten erwiesen sie sich als eine der vielseitigsten biologischen Strukturen in der Natur. Tubulin, ein biegsames Protein, fügt sich zu einer langen Kette zusammen, um Mikrotubuli zu bilden. Diese 25 Nanometer breiten Röhren – tausendmal kleiner als ein rotes Blutkörperchen – finden sich in jeder Zelle von Pflanzen und Tieren.
Mikrotubuli fungieren als das entscheidende Zytoskelett, das die Struktur lebender Zellen stützt; als Förderbänder, die chemische Komponenten von einer Zelle zur anderen transportieren; und als Beweger selbst, die verschiedene Formen annehmen und Chromosomen teilen. Während der Zellteilung bewegen Mikrotubuli Chromosomen von einem Ende der Zelle zum anderen und positionieren die Chromosomen dann in den neuen Tochterzellen. Sogar an der Außenseite der Zellen kommen Mikrotubuli ins Spiel, indem sie sich zu Flimmerhärchen und Geißeln formen, die die Bewegung der Zellen ermöglichen. Das macht diese Strukturen zu so etwas wie den Transformatoren der Biologie.
Hameroff kam zu der Überzeugung, dass die Mikrotubuli eine entscheidende Rolle bei der Wirkung der Anästhesie spielen – beim Bewusstsein. Er verweist auf das einzellige Paramecium als Beweis. „Das Paramecium hat kein zentrales Nervensystem“, sagt er. „Kein Gehirn, keine Neuronen, aber es schwimmt umher, findet Nahrung, findet eine Partnerin und vermeidet Gefahren. Es scheint Entscheidungen zu treffen, und es scheint definitiv Informationen zu verarbeiten.“
Wie? Oder, um es mit Hameroffs Worten zu sagen: Wo? In welchem Teil des Parameciums findet diese krude Art der Erkenntnis statt? Hameroff glaubte, die Antworten in der einzigen internen Struktur des Parameciums zu finden: den Mikrotubuli, dem Zytoskelett des Parameciums. Und da es sich dabei um nanoskalige Strukturen handelt, kam ihm auch der Gedanke, dass die Quantenphysik eine Rolle spielen könnte. Doch in den 1980er Jahren fanden seine Forschungen in der Öffentlichkeit keine Anerkennung. Dann, eines Abends im Jahr 1990, setzte er sich hin, um Penroses Buch „The Emperor’s New Mind“ zu lesen, ein überraschender Bestseller, der sich durch Physik, Kosmologie, Mathematik und Philosophie schlängelt, bevor er einen letzten, knallharten Halt beim Bewusstsein einlegt.
In seinen abschließenden Seiten fragt sich Penrose, wie feuernde Neuronen Erfahrung erzeugen. Er meint, dass die Quantenphysik notwendig sein könnte, um das Bewusstsein zu verstehen.
Aber wo im Körper – einem unwirtlichen Ort für empfindliche Quantenstörungen – könnten solche Ereignisse stattfinden? Hameroff fühlte sich sofort mit Penrose verbunden. Und natürlich dachte er, dass die Mikrotubuli die Antwort bereithielten.
Aus der Ferne schienen die beiden ein seltsames Paar zu sein: Penrose ist einer der angesehensten Wissenschaftler des letzten halben Jahrhunderts, und seine Arbeit in der Kosmologie und der allgemeinen Relativitätstheorie hat ihm hohe Auszeichnungen eingebracht. Hameroff war ein relativ Unbekannter, der über eine obskure biologische Struktur schimpfte. Aber innerhalb weniger Jahre waren sie Co-Autoren und zogen den Spott einer ganzen Generation von Wissenschaftlerkollegen auf sich.
Daten kommen an
Zusammenfassend schlägt Orch-OR vor, dass das Bewusstsein von Mikrotubuli und Aktionen innerhalb der Neuronen ausgeht, und nicht von den Verbindungen zwischen den Neuronen. Wenn man einen Tennisball mit einem Schläger schlägt, kann man danach mit Hilfe der traditionellen Physik vorhersagen, wo er sich an einem bestimmten Punkt befindet. Aber in der Quantenwelt sind solche Erwartungen nicht mehr möglich. Bewegungen sind unbekannt, bis sie beobachtet werden, so die traditionelle Interpretation der Quantenmechanik. Physiker bezeichnen diese abschließende Beobachtung, die bestimmt, was passiert ist, als eine Welle, die in einen einzigen Zustand „kollabiert“.
In Quantensystemen innerhalb des Neurons argumentieren Hameroff und Penrose, dass es jeder Kollaps der Wellenfunktion ist, der einen bewussten Moment hervorbringt.
Hameroff und Penrose haben sich schuldig gemacht, ein Mysterium zu beschwören, um ein anderes zu lösen: Wir verstehen das Bewusstsein nicht, und wir verstehen die Quantenphysik nicht, also erklären sie sich vielleicht gegenseitig…
So war und bleibt Orch-OR angreifbar – und viele tun dies mit ungeheurem Gusto. Vor zwei Jahrzehnten gehörten die Neurophilosophin Patricia Churchland und der Physiker Max Tegmark zu denen, die eine regelrechte Breitseite abfeuerten. Hameroff und Penrose reagierten darauf, und Hameroff veröffentlichte eine Liste von 20 überprüfbaren Vorhersagen, die Orch-OR liefert.
Die größere Theorie lenkt jedoch etwas von einigen von Hameroffs Ideen ab: dass die Quantenphysik eine nicht-triviale Rolle in der menschlichen Kognition und dem Bewusstsein spielen könnte, und dass Mikrotubuli – die Aktivität innerhalb des Neurons – diese Quantenereignisse beherbergen könnten.
„Wenn man vor 10 Jahren in diese Richtung spekuliert hätte, wäre man als Spinner abgestempelt worden“, sagt Neven von Google.
Forscher haben jedoch kürzlich herausgefunden, dass Quanteneffekte für bestimmte biologische Prozesse, wie die Photosynthese, wichtig sind. Wenn ein Photon auf ein Elektron in einem Blatt trifft, gibt es dieses an ein anderes Molekül, das sogenannte Reaktionszentrum, ab, das das Licht in chemische Energie umwandelt, um die Pflanze zu ernähren. Wissenschaftler dachten immer, dass dieser Prozess fast zu effizient sei, da nur sehr wenig überschüssige Energie bei diesem Prozess verloren geht.
Dann begannen Forscher im Jahr 2007 zu vermuten, dass die Quantenphysik hinter dieser Effizienz steckt. Das Elektron könnte den Quanteneffekt der Superposition, bei dem ein Teilchen an zwei Orten gleichzeitig sein kann, nutzen, um mehrere Wege zum Reaktionszentrum, in dem die Photosynthese stattfindet, zu testen und den effizientesten zu nehmen. Das Konzept ist noch nicht bewiesen, aber es hat an Zugkraft gewonnen. Neven sagt, dass die Wissenschaftler jetzt vorsichtig sind, solche Ideen nicht völlig zu verwerfen.
In einem kürzlich erschienenen Artikel in Nature Physics bezeichnete der Physiker Neill Lambert vom Advanced Science Institute in Japan die neue Photosyntheseforschung als bemerkenswert, nur weil sie nahelegt, dass Quanteneffekte in biologischen Systemen bei Raumtemperatur stattfinden können.
Und erst kürzlich gab Rod Eckenhoff, ein Forscher der University of Pennsylvania und Hameroff-Kritiker, Kaulquappen Betäubungsmittel, um herauszufinden, an welche Moleküle sie sich binden. Sein Team entdeckte, dass Tubulinproteine darunter waren, und fand dann heraus, dass die Narkoseeffekte auch dann auftraten, wenn eine Art Umkehrmittel verabreicht wurde – ein Mikrotubuli stabilisierendes Medikament. Er bleibt ein Kritiker von Hameroffs „spekulativen“ Theorien, sagt aber, seine Forschung lege nahe, dass Mikrotubuli „eine gewisse Rolle“ im Bewusstsein spielen könnten.
Doch Hameroff bleibt umstritten. Koch, der Hirnforscher und Bewusstseinsexperte, lehnte einen Kommentar ab und sagte, er wolle nicht der „ewige Kritiker“ sein, zu dem jeder geht, um die Hameroff-Penrose-Theorie zu demontieren. Aber einige kommen herum.
„Ich war immer ziemlich skeptisch gegenüber Stuarts Behauptungen über Mikrotubuli“, sagt Anthony Hudetz, ein Neurowissenschaftler in der Abteilung für Anästhesiologie an der Universität von Michigan. „Aber jetzt gibt es Daten. Und ich muss sagen, ich denke, Stuart hat jetzt etwas Schwung.“
Hudetz sieht in den Mikrotubuli einen guten potenziellen Mechanismus zur Erklärung der Anästhesie. „Ich habe das Gefühl, dass diese ganze Mikrotubuli-Theorie eigentlich ganz schön gereift ist“, sagt er. Für Hudetz liegt der Schlüssel für die Zukunft darin, zu testen, ob die molekularen Ereignisse in den Mikrotubuli tatsächlich mit den Quantenereignissen zusammenhängen, wie Hameroff es vorschlägt.
Und nun heben zwei Wissenschaftler, die unabhängig voneinander arbeiten, aber beide offen von Hameroff inspiriert sind, die Mikrotubuli-Forschung auf eine ganz neue Ebene.
Inside The Neuron
Anirban Bandyopadhyay fasste seine Forschung in einem Vortrag auf Hameroffs Science of Consciousness-Konferenz 2016 zusammen. 1,80 Meter groß und schlank, mit dunklem, schwarzem Haar und einem breiten, fröhlichen Lächeln, genießt Bandyopadhyay einen Pflaumenjob für einen Wissenschaftler Anfang 40, er leitet seine eigene Forschungsgruppe am National Institute for Materials Science (NIMS) in Japan. Als Physiker hat er das Innenleben von natürlichen und künstlichen Gehirnen untersucht. Um die Funktion des Gehirns zu verstehen, muss man nach Bandyopadhyays Ansicht das Innenleben des Neurons, einschließlich der Mikrotubuli, verstehen.
Die herkömmliche Sichtweise besagt, dass Neuronen feuern, wenn sich ein Kanal innerhalb der Zellmembran öffnet und das Neuron mit positiv geladenen Ionen überflutet. Sobald ein bestimmter Schwellenwert erreicht ist, wandert ein elektrisches Signal das Axon hinunter – die Nervenfasern innerhalb des Neurons – und das Neuron feuert. Axone sind lange Drähte, die Neuronen mit anderen Zellen verbinden. Und im Inneren jedes Axons befindet sich ein Bündel von Nanodrähten, darunter der Mikrotubulus.
Bandyopadhyay fand heraus, dass er eine dieser spezifischen Ladungen an den Mikrotubulus anlegen konnte, wodurch sich Aktivität im Neuron aufbaute. Indem er den Strom weiterlaufen ließ, konnte er das Neuron zum Feuern bringen oder – indem er das Signal abschaltete – ganz vom Feuern abhalten.
Er sagt, dass dieses Nanodrahtbündel wie eine Gitarrensaite schwingt und tausende Male schneller feuert als die normale Aktivität in einem Neuron. Das Neuron, so dachte er, ist entgegen allen bisherigen wissenschaftlichen Erkenntnissen nicht die wesentliche oder erste Ursache des menschlichen Denkprozesses.
„Wir müssen tiefer gehen – in die Mikrotubuli“, sagt er.
Für Bandyopadhyay ist die Betonung des Neurons durch die moderne Hirnforschung fehlgeleitet. Manchmal bezeichnet er die Neurowissenschaften als eine Art Dermatologie.
„Das Neuron ist die Haut“, sagt er. „Es ist wichtig, ja, aber nicht alles.“
Ringe oder Grenzen?
Bandyopadhyays Arbeit an den Mikrotubuli im Jahr 2013 erforderte die Umrüstung eines speziellen Mikroskops und die Zusammenarbeit mit einer externen Firma, um eine Nadel mit einer Spitze von 1 x 1 Nanometer zu entwickeln – die kleinste, die jemals gebaut wurde, sagt Bandyopadhyay. Sein Team benutzte sie, um mit unglaublicher Präzision in das Innere des Mikrotubulus zu blicken.
Bandyopadhyay führte die Nadel in ein Rattenneuron ein, um den Mikrotubulus zu betrachten. Während er das tat, flackerten auf Monitoren an einer Wand im Raum Bilder aus der kleinsten Ebene der Tierbiologie. Die nächste Versuchsreihe bestand darin, verschiedene elektrische Ladungen anzulegen und sowohl die „Haut“ des Neurons als auch das Innere des Mikrotubulus zu beobachten. Zunächst passierte nichts. Aber als er begann, spezifische Energieladungen an das Mikrotubuli anzulegen, reagierte es, vibrierte und leitete den Strom. Das war merkwürdig und aufregend.
Ein Mikrotubulus ist aus vielen einzelnen Untereinheiten zusammengesetzt. Würden sie rein klassisch als Isolatoren funktionieren – wie Holz, Glas und andere gängige Materialien, die den freien Fluss von elektrischem Strom verhindern -, müsste der Widerstand durch das Mikrotubuli zunehmen. Aber Bandyopadhyay fand etwas ganz anderes, als er bestimmte Ladungen von Wechselstrom anlegte. Die Widerstandswerte stiegen um den Faktor 1 Milliarde. Das Mikrotubulum verhielt sich so etwas wie ein Halbleiter, eine der wichtigsten Entwicklungen in der Elektronik. Er stand da und staunte über seine eigenen Ergebnisse.
„Wenn man solche Ergebnisse bekommt“, sagt er, „ist man erschrocken. Liege ich irgendwie falsch?“
Aber er prüfte nach, ließ sogar Kollegen außerhalb seines Labors am NIMS über seine Ergebnisse schauen. In nachfolgenden Experimenten sah er, dass diese leitende Aktivität in den Mikrotubuli dem neuronalen Feuern, also dem Feuern auf Membranebene, vorausging. Seine Mikrotubuli-Forschung erschien in der Zeitschrift Biosensors and Bioelectronics. Eine weitere Studie befindet sich noch im Begutachtungsverfahren.
Die Ergebnisse müssen noch von anderen Wissenschaftlern repliziert werden. Aber diejenigen, die Bandyopadhyays Ergebnisse anpreisen, sind philosophisch über seinen Status.
„Wenn man nach Grenzwissenschaft sucht, muss man an den Rand des Bekannten gehen“, sagt David Sonntag, ein Toxikologe, der früher in Tokio für die Forschungs- und Entwicklungsabteilung der U. S. Air Force gearbeitet hat.Der Toxikologe David Sonntag, der früher in Tokio für die Forschungs- und Entwicklungsabteilung der US-Luftwaffe gearbeitet hat, hat einige von Bandyopadhyays Forschungen mitfinanziert.
„Wenn man falsch abbiegt“, sagt er, „stößt man auf den verrückten Nachbarn, die Grenzwissenschaft. Das Problem ist, zu verstehen, wann man sich am Bifurkationspunkt befindet. Wann wird der Rand zur Grenze?“
Für den Moment bleibt Bandyopadhyay eindeutig am Rande. Aber er hat etwas Neues in die Debatte eingebracht: ein Experiment, das repliziert werden kann, oder auch nicht, und eine andere Perspektive auf Hameroff.
Er ist vorsichtig, sich von Hameroffs größerer Theorie des Bewusstseins zu distanzieren. „Das ist nicht mein Anliegen“, sagt er. Dennoch beschreibt er Hameroff als einen Vater für seine eigene Forschung. „Dieser Mann hat schon 1982 über Mikrotubuli gesprochen“, sagt er. „Er dachte nur über sie nach, konnte sie nicht so studieren, wie ich es tat, und war allen anderen so weit voraus. Ich fragte mich: ‚Was für ein Gehirn hat er?'“
A Circuit’s Missing Element
Es gibt auch einen anderen, weitaus erfahreneren Wissenschaftler, der auf dem gleichen Gebiet forscht und dramatische Ergebnisse in Bezug auf die Mikrotubuli sieht.
Jack Tuszynski, ein Biophysiker an der University of Alberta, ist ein langjähriger Mitarbeiter von Hameroff, der Krebsmedikamente entwickelt. Seine neuesten Erkenntnisse deuten darauf hin, dass Mikrotubuli interessante leitende Eigenschaften haben, aber auch so genannte „Memristoren“ sein könnten. Der Memristor ist das gesuchte vierte Element in einem elektrischen Schaltkreis, das zuerst von Leon Chua, einem Elektroingenieur an der University of California, Berkeley, theoretisiert wurde.
Chua entdeckte etwas Offensichtliches. Die drei bestehenden Schaltungselemente – Widerstand, Kondensator und Induktor – hängen von paarweisen Beziehungen ab, die steuern, wie Elektrizität fließt, wie sie gespeichert wird und wie sie sich verändert, wenn sie sich durch einen Stromkreis bewegt:
– Widerstand (Spannung + Strom)
– Kondensator (Spannung + Ladung)
– Induktor (magnetischer Fluss + Strom)
Durch die Untersuchung der Paare stellte Chua die Theorie auf, dass es ein viertes Schaltungselement geben sollte, das die Beziehung zwischen dem „fehlenden“ Paar – Ladung und Fluss – regelt. Chua prägte den Begriff Memristor, eine Wortschöpfung aus Memory und Resistor, und von da an war seine Arbeit rein mathematisch. Wenn ein solches Schaltungselement existieren würde, was würde es tun? Chuas Gleichungen legten nahe, dass der elektrische Widerstand oder die Leitfähigkeit eines Memristors nicht konstant wäre, wie der einer Glühbirne, sondern dynamisch und durch die Geschichte des Stroms bestimmt, der durch das Gerät geflossen war.
Was ist das Besondere daran? Bei Transistoren führt jede Unterbrechung des Elektronenflusses zu einem Datenverlust. Memristoren hingegen nutzen sowohl den Elektronenfluss als auch Ionen – elektrisch geladene Atome.
Da sie sich die Ladung merken, die zuvor durch das Material geflossen ist, könnten Informationen auch im ausgeschalteten Zustand erhalten bleiben. Für Computer bedeutet die Innovation: kein Neustart mehr. Computer würden sich wie Glühbirnen einschalten, und Festplatten würden der Vergangenheit angehören.
Das Rennen um den Bau von Memristor-Chips zu skalierbaren Kosten für Consumer-Computer läuft, und das aus gutem Grund: Memristoren benötigen vielleicht 1 Prozent der Energie eines Standardchips. Und während Standard-Computerchips auf den binären Code von 0en und 1en beschränkt sind, arbeiten Memristoren mit gebrochenen Informationseinheiten – eine Entwicklung, die als Schlüssel zum Bau von Computern gilt, die sich wie das menschliche Gehirn verhalten.
Tuszynski war mit Memristoren nicht vertraut, bis er Chua 2015 auf einer Konferenz in Indien traf. „Ich denke, Mikrotubuli sind Memristoren“, sagte Chua zu ihm und offenbarte damit sein langjähriges Interesse an Hameroffs Arbeit. Chua war besonders beeindruckt, sagt er, als er Hameroff einmal darauf hinweisen hörte, dass Mikrotubuli in der Natur allgegenwärtig sind, Neuronen hingegen nicht. Diese Einsicht – eigentlich eine einfache Feststellung einer Tatsache – erschien Chua entscheidend. „Alle diese biologischen Systeme betreiben eine Art Informationsverarbeitung“, sagt er. „Wie machen sie das?“
Er dachte, Hameroff hätte die Antwort in den Mikrotubuli gefunden.
Tuszynski ist ganz anders als Hameroff, sein langjähriger Forschungsmitarbeiter. Stur und praktisch veranlagt, hat er mehr als 400 Arbeiten in begutachteten Publikationen veröffentlicht und schuftet in den erdigen Bereichen der Präzisionsmedizin und der Computerbiologie. „Ich glaube, Stuart neigt sehr zu Spekulationen“, sagt er. „In vielerlei Hinsicht ist er sein eigener schlimmster Feind und wäre besser dran, wenn er sich ein wenig einschränken würde. Aber Stuart ist ein Genie. Seine Arbeit an Mikrotubuli, noch bevor er sich mit Penrose einließ, ist brillant, und sie ist der Grund, warum ich mich heute mit Mikrotubuli beschäftige.“
Um die Memristor-Theorie zu testen, füllte Tuszynskis Team eine Schale mit Mikrotubuli, Tubulin-Proteinen und einer Pufferlösung und fügte dann Strom hinzu. Über viele Wochen hinweg fand er ein faszinierendes Ergebnis. Je mehr er die Pufferlösung durch mehr Mikrotubuli ersetzte, desto besser wurde die Leitfähigkeit.
„Die Leitfähigkeit stieg um das Zwei- oder Dreifache, je mehr Mikrotubuli vorhanden waren“, sagt Tuszynski, was darauf hindeutet, dass die Mikrotubuli die Energie besser leiteten als die Pufferlösung.
Weiterhin fand er den typischen Memristor-Effekt: Wenn er den Stromfluss umkehrte, wie bei einem Wechselstrom, erhöhte sich die Effizienz der Leitfähigkeit, als ob sich die Mikrotubuli an den Strom erinnerten, der zuvor durch sie geflossen war.
Tuszynskis Labor veröffentlichte letzten Sommer eine Arbeit über die leitenden Eigenschaften von Mikrotubuli in Nature Scientific Reports und bereitet eine Arbeit über Mikrotubuli als Memristoren vor. Wenn diese Ergebnisse Bestand haben, könnte das Hameroffs Argumentation unterstützen.
Das Quantenreich
Am letzten Morgen der Konferenz in Tucson rollt Hameroff langsam einen Koffer in die Lobby und setzt sich in einen Sessel, um noch ein paar administrative Aufgaben zu erledigen.
„Ich glaube, es ist gut gelaufen“, sagt er. „Die Leute sagen mir, dass sie es genossen haben. Ich habe das organisiert, also könnte das Blödsinn sein. Aber ich glaube, sie meinen es ernst.“
Da es sich um eine Hameroff-Produktion handelte, gab es eine Menge Streit. Chalmers warf Hameroff vor, die Konferenz zu weit in den Quantenbereich zu führen.
Hameroff hat eine Antwort parat. Er war in der Lage, so viele quantenorientierte Konferenzsitzungen einzubinden, sagt er, weil die Quantenbiologie ein wachsendes Feld ist.
Natürlich bedeutet das nicht, dass Hameroff diese Debatte gewinnt. Er muss erst noch die Grenzen neu definieren, und das wird er vielleicht nie. Aber in diesem Moment, in dem wissenschaftlicher Erfolg zum Teil eine einfache Funktion der Mathematik ist – gewinnt oder verliert eine Idee Anhänger? – ist er eindeutig auf dem Weg nach oben, und das ist vielleicht nie so offensichtlich, wie wenn er aufsteht, um zu gehen.
Mit einer Hand am Griff seines Gepäcks wird er sofort aufgehalten. Hudetz, der Anästhesist, der Hameroff einst ablehnend gegenüberstand, kommt herüber, um ihn zu begrüßen. Er sagt seinem Gastgeber mit scheinbarer Ernsthaftigkeit: „Es war eine sehr gute Konferenz, Stuart. Ich hatte eine tolle Zeit.“
Hameroff dankt ihm. Sie scherzen ein wenig, und Hudetz wendet sich zum Gehen. „Wissen Sie“, sagt Hameroff und hält ihn auf, „Sie sollten etwas über Mikrotubuli forschen.“
„Es ist lustig, dass Sie das sagen“, antwortet Hudetz. „Weil wir in meinem Labor darüber sprechen. Es gibt ein gewisses Interesse. Vielleicht machen wir das einfach.“
Steve Volk ist ein beitragender Redakteur bei Discover.