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Jim Al-Khalili: How quantum biology might explain life's biggest questions
Jim Al-Khalili: Wie die Quantenbiologie die zentralen Fragen des Lebens klären könnte
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Wie findet ein Rotkehlchen den Weg nach Süden? Die Antwort ist vielleicht seltsamer als Sie denken: Die Quantenphysik könnte dabei eine Rolle spielen. Jim Al-Khalili gibt einen Überblick über die ganz neue und äußerst eigenartige Welt der Quantenbiologie, in der etwas, das Einstein einst "spukhafte Fernwirkung" nannte, Vögeln bei der Orientierung hilft und Quanteneffekte den Ursprung des Lebens erklären könnten.
Jim Al-Khalili - Quantum physicist
Physicist Jim Al-Khalili and co-author Johnjoe McFadden, a biologist, explore the far edges of quantum biology in their book "Life on the Edge." Full bio
Physicist Jim Al-Khalili and co-author Johnjoe McFadden, a biologist, explore the far edges of quantum biology in their book "Life on the Edge." Full bio
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00:13
I'd like to introduce you
to an emerging area of science,
to an emerging area of science,
0
1190
4528
Ich möchte Ihnen ein aufstrebendes
Wissenschaftsgebiet vorstellen,
Wissenschaftsgebiet vorstellen,
das noch spekulativ,
aber unglaublich spannend ist
aber unglaublich spannend ist
00:17
one that is still speculative
but hugely exciting,
but hugely exciting,
1
5742
3943
und stetig an Bedeutung gewinnt.
00:21
and certainly one
that's growing very rapidly.
that's growing very rapidly.
2
9709
2629
Die Quantenbiologie
stellt die einfache Frage,
stellt die einfache Frage,
00:25
Quantum biology
asks a very simple question:
asks a very simple question:
3
13448
4048
ob die Quantenmechanik --
00:29
Does quantum mechanics --
4
17520
1350
00:30
that weird and wonderful
and powerful theory
and powerful theory
5
18894
3302
diese seltsame, wundervolle
und weitreichende Theorie
und weitreichende Theorie
über die subatomare Welt
der Atome und Moleküle,
der Atome und Moleküle,
00:34
of the subatomic world
of atoms and molecules
of atoms and molecules
6
22220
2688
00:36
that underpins so much
of modern physics and chemistry --
of modern physics and chemistry --
7
24932
3488
auf die sich vieles in der heutigen
Physik und Chemie stützt --
Physik und Chemie stützt --
auch in lebenden Zellen eine Rolle spielt.
00:40
also play a role inside the living cell?
8
28444
3412
Anders gefragt: Gibt es Prozesse,
Mechanismen oder Phänomene,
Mechanismen oder Phänomene,
00:43
In other words: Are there processes,
mechanisms, phenomena
mechanisms, phenomena
9
31880
4079
00:47
in living organisms
that can only be explained
that can only be explained
10
35983
3988
in lebenden Organismen
die nur durch Quantenmechanik
erklärbar sind?
erklärbar sind?
00:51
with a helping hand
from quantum mechanics?
from quantum mechanics?
11
39995
2743
Quantenbiologie ist nicht neu.
00:55
Now, quantum biology isn't new;
12
43546
1637
Es gibt sie seit den frühen 1930er Jahren.
00:57
it's been around since the early 1930s.
13
45207
2401
00:59
But it's only in the last decade or so
that careful experiments --
that careful experiments --
14
47928
3715
Aber erst im letzten Jahrzehnt
wurden durch sorgfältige Experimente
wurden durch sorgfältige Experimente
01:03
in biochemistry labs,
using spectroscopy --
using spectroscopy --
15
51667
3464
in biochemischen Laboren
mittels der Spektroskopie
mittels der Spektroskopie
handfeste Beweise für bestimmte
Mechanismen gefunden,
Mechanismen gefunden,
01:07
have shown very clear, firm evidence
that there are certain specific mechanisms
that there are certain specific mechanisms
16
55155
6863
die nur quantenmechanisch
zu erklären sind.
zu erklären sind.
01:14
that require quantum mechanics
to explain them.
to explain them.
17
62042
2511
01:17
Quantum biology brings together
quantum physicists, biochemists,
quantum physicists, biochemists,
18
65674
3329
Die Quantenbiologie
führt Quantenphysiker, Biochemiker
führt Quantenphysiker, Biochemiker
01:21
molecular biologists --
it's a very interdisciplinary field.
it's a very interdisciplinary field.
19
69027
3641
und Molekularbiologen zusammen --
sie ist sehr interdisziplinär.
sie ist sehr interdisziplinär.
Ich komme aus der Quantenphysik,
bin also Kernphysiker.
bin also Kernphysiker.
01:24
I come from quantum physics,
so I'm a nuclear physicist.
so I'm a nuclear physicist.
20
72692
3929
Ich habe über drei Jahrzehnte versucht,
01:28
I've spent more than three decades
21
76645
2265
die Quantenmechanik zu verstehen.
01:30
trying to get my head
around quantum mechanics.
around quantum mechanics.
22
78934
2929
Niels Bohr, einer ihrer Gründer, sagte:
01:33
One of the founders
of quantum mechanics, Niels Bohr,
of quantum mechanics, Niels Bohr,
23
81887
2493
"Wenn sie einen nicht staunen lässt,
hat man sie nicht verstanden."
hat man sie nicht verstanden."
01:36
said, If you're not astonished by it,
then you haven't understood it.
then you haven't understood it.
24
84404
3350
01:40
So I sort of feel happy
that I'm still astonished by it.
that I'm still astonished by it.
25
88237
2843
Ich bin froh, dass ich
immer noch darüber staune.
immer noch darüber staune.
01:43
That's a good thing.
26
91104
1745
Das ist ein gutes Zeichen.
01:44
But it means I study the very
smallest structures in the universe --
smallest structures in the universe --
27
92873
6885
Aber es bedeutet, die winzigsten Gebilde
des Universums zu untersuchen --
des Universums zu untersuchen --
die Bausteine der Realität.
01:51
the building blocks of reality.
28
99782
2075
01:53
If we think about the scale of size,
29
101881
3215
Um deren Größe zu einzuschätzen,
denken Sie an etwas Alltägliches,
wie einen Tennisball,
wie einen Tennisball,
01:57
start with an everyday object
like the tennis ball,
like the tennis ball,
30
105120
2952
und gehen zur nächsten
kleineren Größenordnung:
kleineren Größenordnung:
02:00
and just go down orders
of magnitude in size --
of magnitude in size --
31
108096
2901
02:03
from the eye of a needle down to a cell,
down to a bacterium, down to an enzyme --
down to a bacterium, down to an enzyme --
32
111021
5197
Von einem Nadelkopf, zu einer Zelle,
zu einem Bakterium, bis zu einem Enzym.
zu einem Bakterium, bis zu einem Enzym.
Bald darauf kommt die Nanowelt.
02:08
you eventually reach the nano-world.
33
116242
1729
02:09
Now, nanotechnology may be
a term you've heard of.
a term you've heard of.
34
117995
2495
Von Nanotechnologie
haben Sie vielleicht gehört.
haben Sie vielleicht gehört.
02:12
A nanometer is a billionth of a meter.
35
120841
2853
Ein Nanometer ist ein Milliardstel Meter.
02:16
My area is the atomic nucleus,
which is the tiny dot inside an atom.
which is the tiny dot inside an atom.
36
124560
4370
Mein Gebiet ist der Atomkern --
der winzige Punkt innerhalb des Atoms.
der winzige Punkt innerhalb des Atoms.
Der ist noch eine Stufe kleiner.
02:20
It's even smaller in scale.
37
128954
1932
02:22
This is the domain of quantum mechanics,
38
130910
1918
Das ist das Gebiet der Quantenmechanik,
02:24
and physicists and chemists
have had a long time
have had a long time
39
132852
2516
an das sich Physiker und Chemiker
02:27
to try and get used to it.
40
135392
1301
seit langem heran tasten.
Die Biologen, andererseits, haben sich
in meinen Augen etwas abgewandt.
in meinen Augen etwas abgewandt.
02:29
Biologists, on the other hand,
have got off lightly, in my view.
have got off lightly, in my view.
41
137248
4457
02:34
They are very happy with their
balls-and-sticks models of molecules.
balls-and-sticks models of molecules.
42
142071
4331
Sie sind zufrieden mit ihren
Ball-und-Stäbchen-Molekül-Modellen.
Ball-und-Stäbchen-Molekül-Modellen.
02:38
(Laughter)
43
146426
1082
(Lachen)
02:39
The balls are the atoms, the sticks
are the bonds between the atoms.
are the bonds between the atoms.
44
147532
3198
Die Bälle sind Atome,
die Stäbe deren Verbindungen.
die Stäbe deren Verbindungen.
Was sie nicht im Labor nachbauen können,
02:42
And when they can't build them
physically in the lab,
physically in the lab,
45
150754
2494
erledigen heute leistungsstarke Computer,
02:45
nowadays, they have
very powerful computers
very powerful computers
46
153272
2392
die riesige Moleküle simulieren können.
02:47
that will simulate a huge molecule.
47
155688
1967
02:49
This is a protein made up
of 100,000 atoms.
of 100,000 atoms.
48
157679
3664
Das ist ein Protein,
das aus 100 000 Atomen besteht.
das aus 100 000 Atomen besteht.
02:54
It doesn't really require much in the way
of quantum mechanics to explain it.
of quantum mechanics to explain it.
49
162003
4335
Man braucht keine Quantenmechanik,
um es zu erklären.
um es zu erklären.
Die Quantenmechanik wurde
in den 1920ern entwickelt
in den 1920ern entwickelt
02:59
Quantum mechanics
was developed in the 1920s.
was developed in the 1920s.
50
167695
2889
03:02
It is a set of beautiful and powerful
mathematical rules and ideas
mathematical rules and ideas
51
170965
6880
als eine Reihe schöner und mächtiger
mathematischer Regeln und Konzepte,
mathematischer Regeln und Konzepte,
die die Welt im ganz Kleinen erklären.
03:09
that explain the world of the very small.
52
177869
2608
Sie unterscheidet sich sehr
von unserer alltäglichen Welt
von unserer alltäglichen Welt
03:12
And it's a world that's very different
from our everyday world,
from our everyday world,
53
180501
3372
mit seinen Billionen von Atomen.
03:15
made up of trillions of atoms.
54
183897
1519
Es ist eine Welt, die auf
Wahrscheinlichkeit und Zufall basiert --
Wahrscheinlichkeit und Zufall basiert --
03:17
It's a world built
on probability and chance.
on probability and chance.
55
185440
3557
verschwommen und voller Phantome.
03:21
It's a fuzzy world.
56
189818
1302
03:23
It's a world of phantoms,
57
191144
1730
In ihr können sich Teilchen
wie sich ausbreitende Wellen verhalten.
wie sich ausbreitende Wellen verhalten.
03:24
where particles can also behave
like spread-out waves.
like spread-out waves.
58
192898
3348
03:30
If we imagine quantum mechanics
or quantum physics, then,
or quantum physics, then,
59
198157
2862
Wenn wir Quantenmechanik
oder Quantenphysik
oder Quantenphysik
03:33
as the fundamental
foundation of reality itself,
foundation of reality itself,
60
201043
5214
als Grundlage der Realität verstehen,
liegt die Behauptung nahe,
03:38
then it's not surprising that we say
61
206281
1730
03:40
quantum physics underpins
organic chemistry.
organic chemistry.
62
208035
2420
die organische Chemie
fuße auf der Quantenphysik,
fuße auf der Quantenphysik,
weil sie die Regeln vorgibt,
03:42
After all, it gives us
the rules that tell us
the rules that tell us
63
210479
2120
nach denen sich Atome
zu organischen Molekülen formen.
zu organischen Molekülen formen.
03:44
how the atoms fit together
to make organic molecules.
to make organic molecules.
64
212623
2641
Organische Chemie ergibt,
um einige Stufen komplexer,
um einige Stufen komplexer,
03:47
Organic chemistry,
scaled up in complexity,
scaled up in complexity,
65
215288
3239
die Molekularbiologie,
die zum Leben selbst führt.
die zum Leben selbst führt.
03:50
gives us molecular biology,
which of course leads to life itself.
which of course leads to life itself.
66
218551
3322
So gesehen liegt die Behauptung nahe.
03:54
So in a way, it's sort of not surprising.
67
222174
1977
03:56
It's almost trivial.
68
224175
1214
Sie sagen: "Okay, letztlich basiert
das Leben auf Quantenmechanik."
das Leben auf Quantenmechanik."
03:57
You say, "Well, of course life ultimately
must depend of quantum mechanics."
must depend of quantum mechanics."
69
225413
4220
04:02
But so does everything else.
70
230141
2390
Aber alles andere tut das auch.
04:04
So does all inanimate matter,
made up of trillions of atoms.
made up of trillions of atoms.
71
232555
3615
Auch die unbewegte Materie,
die aus Billionen von Atomen besteht.
die aus Billionen von Atomen besteht.
04:08
Ultimately, there's a quantum level
72
236501
4878
Letztlich stößt man auf die Quantenebene,
wo man in diese Eigenartigkeit
eintauchen muss.
eintauchen muss.
04:13
where we have to delve into
this weirdness.
this weirdness.
73
241403
2183
Aber im Alltag können wir
das vernachlässigen,
das vernachlässigen,
04:15
But in everyday life,
we can forget about it.
we can forget about it.
74
243610
2416
denn sobald man Billionen
von Atomen zusammensetzt,
von Atomen zusammensetzt,
04:18
Because once you put together
trillions of atoms,
trillions of atoms,
75
246404
3199
verliert sich diese Quanten-Eigenart.
04:21
that quantum weirdness
just dissolves away.
just dissolves away.
76
249627
2615
04:27
Quantum biology isn't about this.
77
255288
2569
Darum geht es in der
Quantenbiologie nicht.
Quantenbiologie nicht.
04:29
Quantum biology isn't this obvious.
78
257881
2556
Sie ist nicht so offensichtlich.
04:32
Of course quantum mechanics
underpins life at some molecular level.
underpins life at some molecular level.
79
260461
4229
Gewiss fußt das Leben im molekularen
Bereich auf Quantenmechanik.
Bereich auf Quantenmechanik.
In der Quantenbiologie
sucht man nach Auffälligkeiten,
sucht man nach Auffälligkeiten,
04:37
Quantum biology is about looking
for the non-trivial --
for the non-trivial --
80
265254
6004
04:43
the counterintuitive ideas
in quantum mechanics --
in quantum mechanics --
81
271282
4476
nach ungeahnten Konzepten
in der Quantenmechanik,
in der Quantenmechanik,
um zu sehen, ob sie wirklich
eine bedeutende Rolle
eine bedeutende Rolle
04:47
and to see if they do, indeed,
play an important role
play an important role
82
275782
3015
für die Darstellung
der Lebensabläufe spielen.
der Lebensabläufe spielen.
04:50
in describing the processes of life.
83
278821
2452
04:54
Here is my perfect example
of the counterintuitiveness
of the counterintuitiveness
84
282653
5220
Hier ist ein perfektes Beispiel dafür,
wie ungeahnt sich die Quantenwelt verhält:
04:59
of the quantum world.
85
287897
1446
der Quanten-Skifahrer.
05:01
This is the quantum skier.
86
289367
1251
Er scheint intakt
und bei bester Gesundheit,
und bei bester Gesundheit,
05:02
He seems to be intact,
he seems to be perfectly healthy,
he seems to be perfectly healthy,
87
290642
2640
obwohl er scheinbar auf beiden Seiten
des Baumes vorbeigefahren ist.
des Baumes vorbeigefahren ist.
05:05
and yet, he seems to have gone around
both sides of that tree at the same time.
both sides of that tree at the same time.
88
293306
4127
Beim Anblick einer solchen Spur
05:09
Well, if you saw tracks like that
89
297457
1663
05:11
you'd guess it was some
sort of stunt, of course.
sort of stunt, of course.
90
299144
2309
denkt man wahrscheinlich an einen Stunt.
05:13
But in the quantum world,
this happens all the time.
this happens all the time.
91
301477
2591
Aber in der Quantenwelt
passiert das ständig.
passiert das ständig.
Teilchen können
mehrere Dinge gleichzeitig tun
mehrere Dinge gleichzeitig tun
05:16
Particles can multitask,
they can be in two places at once.
they can be in two places at once.
92
304864
3026
und an zwei Orten gleichzeitig sein.
05:19
They can do more than one thing
at the same time.
at the same time.
93
307914
2328
Sie können sich wie
sich ausbreitende Wellen verhalten.
sich ausbreitende Wellen verhalten.
05:22
Particles can behave
like spread-out waves.
like spread-out waves.
94
310266
2643
Es ist beinahe magisch.
05:25
It's almost like magic.
95
313298
1599
Physiker und Chemiker
haben sich fast ein Jahrhundert
haben sich fast ein Jahrhundert
05:27
Physicists and chemists have had
nearly a century
nearly a century
96
315538
2749
05:30
of trying to get used to this weirdness.
97
318311
2646
an dieser Eigenartigkeit versucht.
Ich halte den Biologen nicht vor,
05:33
I don't blame the biologists
98
321445
1350
05:34
for not having to or wanting
to learn quantum mechanics.
to learn quantum mechanics.
99
322819
2635
dass sie sich die Quantenmechanik
nicht aneignen wollten oder mussten;
nicht aneignen wollten oder mussten;
05:37
You see, this weirdness is very delicate;
100
325478
3198
denn diese Eigenartigkeit ist sehr heikel.
05:40
and we physicists work very hard
to maintain it in our labs.
to maintain it in our labs.
101
328700
4450
Wir Physiker tun alles,
um sie in Laboren aufrecht zu erhalten:
um sie in Laboren aufrecht zu erhalten:
Wir kühlen unsere Systeme fast
auf den absoluten Nullpunkt,
auf den absoluten Nullpunkt,
05:45
We cool our system down
to near absolute zero,
to near absolute zero,
102
333174
4204
05:49
we carry out our experiments in vacuums,
103
337402
1945
machen Experimente im Vakuum,
05:51
we try and isolate it
from any external disturbance.
from any external disturbance.
104
339371
3527
und versuchen, jede äußere
Störung auszuschließen.
Störung auszuschließen.
05:55
That's very different from the warm,
messy, noisy environment of a living cell.
messy, noisy environment of a living cell.
105
343602
5078
Das warme, chaotische und laute Milieu
einer lebenden Zelle ist ganz anders.
einer lebenden Zelle ist ganz anders.
06:01
Biology itself, if you think of
molecular biology,
molecular biology,
106
349960
2787
Die Molekularbiologie
hat die Lebensprozesse
hat die Lebensprozesse
06:04
seems to have done very well
in describing all the processes of life
in describing all the processes of life
107
352771
3457
im Hinblick auf chemische Reaktionen
scheinbar sehr gut beschrieben;
scheinbar sehr gut beschrieben;
06:08
in terms of chemistry --
chemical reactions.
chemical reactions.
108
356252
2486
reduktionistische, deterministische
chemische Reaktionen,
chemische Reaktionen,
06:10
And these are reductionist,
deterministic chemical reactions,
deterministic chemical reactions,
109
358762
4850
die zeigen, dass das Lebendige
aus dem selben Stoff wie alles andere ist.
aus dem selben Stoff wie alles andere ist.
06:15
showing that, essentially, life is made
of the same stuff as everything else,
of the same stuff as everything else,
110
363636
5114
06:20
and if we can forget about quantum
mechanics in the macro world,
mechanics in the macro world,
111
368774
3060
Und wenn Quantenmechanik
in der Makro-Welt unwichtig ist,
in der Makro-Welt unwichtig ist,
06:23
then we should be able to forget
about it in biology, as well.
about it in biology, as well.
112
371858
3246
dann auch in der Biologie.
06:27
Well, one man begged
to differ with this idea.
to differ with this idea.
113
375706
3364
Es gab einen Mann,
der anderer Meinung war:
der anderer Meinung war:
Erwin Schrödinger,
bekannt durch Schrödingers Katze.
bekannt durch Schrödingers Katze.
06:32
Erwin Schrödinger,
of Schrödinger's Cat fame,
of Schrödinger's Cat fame,
114
380062
3469
Ein österreichischer Wissenschaftler
und Mitgründer der Quantenmechanik
und Mitgründer der Quantenmechanik
06:35
was an Austrian physicist.
115
383555
1317
06:36
He was one of the founders
of quantum mechanics in the 1920s.
of quantum mechanics in the 1920s.
116
384896
3183
in den 1920ern.
1944 schrieb er das Buch "Was ist Leben?",
06:40
In 1944, he wrote a book
called "What is Life?"
called "What is Life?"
117
388663
2707
das enorm einflussreich war.
06:43
It was tremendously influential.
118
391839
1731
Es beeinflusste Francis Crick
und James Watson,
und James Watson,
06:45
It influenced Francis Crick
and James Watson,
and James Watson,
119
393594
2881
die Entdecker der
Doppelhelix-Struktur der DNS.
Doppelhelix-Struktur der DNS.
06:48
the discoverers of the double-helix
structure of DNA.
structure of DNA.
120
396499
2523
In seinem Buch schreibt er:
06:51
To paraphrase a description
in the book, he says:
in the book, he says:
121
399343
3668
06:55
At the molecular level,
living organisms have a certain order,
living organisms have a certain order,
122
403035
5786
"Auf molekularer Ebene
haben lebende Organismen
haben lebende Organismen
eine bestimmte Struktur,
die ganz anders ist
die ganz anders ist
07:00
a structure to them that's very different
123
408845
3232
als das thermodynamische Gerangel
von Atomen und Molekülen
von Atomen und Molekülen
07:04
from the random thermodynamic jostling
of atoms and molecules
of atoms and molecules
124
412101
4736
in unbelebter Materie
von gleicher Komplexität.
von gleicher Komplexität.
07:08
in inanimate matter
of the same complexity.
of the same complexity.
125
416861
3706
07:13
In fact, living matter seems to behave
in this order, in a structure,
in this order, in a structure,
126
421504
5014
Lebendige Materie scheint sich
nach einem Prinzip zu verhalten,
nach einem Prinzip zu verhalten,
so wie unbelebte Materie
sich auf beinahe 0 herunterkühlt,
sich auf beinahe 0 herunterkühlt,
07:18
just like inanimate matter
cooled down to near absolute zero,
cooled down to near absolute zero,
127
426542
3834
wenn Quanteneffekte
eine wichtige Rolle spielen.
eine wichtige Rolle spielen.
07:22
where quantum effects
play a very important role.
play a very important role.
128
430400
3033
07:26
There's something special
about the structure -- the order --
about the structure -- the order --
129
434280
4160
Die Struktur in einer lebendigen Zelle
hat etwas Besonderes.
07:30
inside a living cell.
130
438464
1560
07:32
So, Schrödinger speculated that maybe
quantum mechanics plays a role in life.
quantum mechanics plays a role in life.
131
440048
5293
Also spekulierte Schrödinger,
dass die Quantenmechanik
dass die Quantenmechanik
für das Leben eine Rolle spielen könnte.
07:38
It's a very speculative,
far-reaching idea,
far-reaching idea,
132
446096
3425
Das ist ein sehr spekulativer,
weitreichender Gedanke,
weitreichender Gedanke,
den er nicht sehr weit ausgeführt hat.
07:41
and it didn't really go very far.
133
449545
2873
Doch wie gesagt:
07:45
But as I mentioned at the start,
134
453536
1533
Es gab in den letzten zehn Jahren
vermehrt Experimente,
vermehrt Experimente,
07:47
in the last 10 years, there have been
experiments emerging,
experiments emerging,
135
455093
2799
die nahelegen, dass
bestimmte Phänomene in der Biologie
bestimmte Phänomene in der Biologie
07:49
showing where some of these
certain phenomena in biology
certain phenomena in biology
136
457916
4055
auf Quantenmechanik fußen.
07:53
do seem to require quantum mechanics.
137
461995
1763
Ich zeige Ihnen nur die spannendsten.
07:55
I want to share with you
just a few of the exciting ones.
just a few of the exciting ones.
138
463782
3123
08:00
This is one of the best-known
phenomena in the quantum world,
phenomena in the quantum world,
139
468215
3707
Der Tunneleffekt ist eines der
bekanntesten Phänomene der Quantenwelt.
bekanntesten Phänomene der Quantenwelt.
08:03
quantum tunneling.
140
471946
1701
Im linken Kasten sieht man
die wellenartige Ausbreitung
die wellenartige Ausbreitung
08:05
The box on the left shows
the wavelike, spread-out distribution
the wavelike, spread-out distribution
141
473671
4389
einer Quanten-Erscheinung;
eines Teilchens wie ein Elektron.
eines Teilchens wie ein Elektron.
08:10
of a quantum entity --
a particle, like an electron,
a particle, like an electron,
142
478084
2761
08:12
which is not a little ball
bouncing off a wall.
bouncing off a wall.
143
480869
3637
Das ist kein Ball,
der gegen eine Wand prallt,
der gegen eine Wand prallt,
sondern eine Welle, die mit einer
bestimmten Wahrscheinlichkeit,
bestimmten Wahrscheinlichkeit,
08:16
It's a wave that has a certain probability
of being able to permeate
of being able to permeate
144
484530
4739
wie ein Geist eine feste Wand passiert
und gegenüber auftaucht.
und gegenüber auftaucht.
08:21
through a solid wall, like a phantom
leaping through to the other side.
leaping through to the other side.
145
489293
3406
08:24
You can see a faint smudge of light
in the right-hand box.
in the right-hand box.
146
492723
4098
Man sieht einen blassen Lichtfleck
im rechten Kasten.
im rechten Kasten.
Der Tunneleffekt beschreibt, dass ein
Teilchen auf eine feste Wand stoßen kann
Teilchen auf eine feste Wand stoßen kann
08:29
Quantum tunneling suggests that a particle
can hit an impenetrable barrier,
can hit an impenetrable barrier,
147
497773
4612
und wie durch Magie
08:34
and yet somehow, as though by magic,
148
502409
2460
auf einer Seite verschwindet
und gegenüber auftaucht.
und gegenüber auftaucht.
08:36
disappear from one side
and reappear on the other.
and reappear on the other.
149
504893
2444
08:39
The nicest way of explaining it is
if you want to throw a ball over a wall,
if you want to throw a ball over a wall,
150
507658
4251
Um einen Ball, über eine Mauer zu werfen,
muss genug Kraft investieren,
damit er darüber fliegt.
damit er darüber fliegt.
08:43
you have to give it enough energy
to get over the top of the wall.
to get over the top of the wall.
151
511933
3577
In der Quanten-Welt reicht es,
ihn dagegen zu werfen
ihn dagegen zu werfen
08:47
In the quantum world,
you don't have to throw it over the wall,
you don't have to throw it over the wall,
152
515534
3058
08:50
you can throw it at the wall,
and there's a certain non-zero probability
and there's a certain non-zero probability
153
518616
3407
und er verschwindet mit einer Chance, die
größer als Null ist, auf der einen Seite
größer als Null ist, auf der einen Seite
08:54
that it'll disappear on your side,
and reappear on the other.
and reappear on the other.
154
522047
3323
und erscheint auf der anderen.
Das ist keine Spekulation.
08:57
This isn't speculation, by the way.
155
525394
1678
08:59
We're happy -- well, "happy"
is not the right word --
is not the right word --
156
527096
3396
Wir sind froh ...
Nein, "froh" trifft es nicht ganz.
Nein, "froh" trifft es nicht ganz.
09:02
(Laughter)
157
530516
2045
(Lachen)
Es ist uns vertraut.
09:04
we are familiar with this.
158
532585
1618
09:06
(Laughter)
159
534227
2745
(Lachen)
Tunneleffekte passieren ständig.
09:08
Quantum tunneling
takes place all the time;
takes place all the time;
160
536996
2294
09:11
in fact, it's the reason our Sun shines.
161
539314
2667
Sie sind der Grund,
dass die Sonne scheint.
dass die Sonne scheint.
09:14
The particles fuse together,
162
542655
1509
Teilchen verschmelzen
09:16
and the Sun turns hydrogen
into helium through quantum tunneling.
into helium through quantum tunneling.
163
544188
3698
und die Sonne verwandelt durch
den Tunneleffekt Wasserstoff in Helium.
den Tunneleffekt Wasserstoff in Helium.
In den 70er und 80er Jahren
beobachtete man den Tunneleffekt
beobachtete man den Tunneleffekt
09:21
Back in the 70s and 80s, it was discovered
that quantum tunneling also takes place
that quantum tunneling also takes place
164
549464
5220
auch in lebenden Zellen.
09:26
inside living cells.
165
554708
1192
Enzyme sind Arbeitstiere des Lebens,
Katalysatoren chemischer Reaktionen;
Katalysatoren chemischer Reaktionen;
09:28
Enzymes, those workhorses of life,
the catalysts of chemical reactions --
the catalysts of chemical reactions --
166
556290
6266
Biomoleküle, die chemische Reaktionen
in lebenden Zellen beschleunigen --
in lebenden Zellen beschleunigen --
09:34
enzymes are biomolecules that speed up
chemical reactions in living cells,
chemical reactions in living cells,
167
562580
4166
09:38
by many, many orders of magnitude.
168
566770
1703
um viele Größenordnungen.
09:40
And it's always been a mystery
how they do this.
how they do this.
169
568497
2784
Es war immer ein Mysterium,
wie sie das tun.
wie sie das tun.
Man fand heraus,
09:43
Well, it was discovered
170
571650
1189
dass einer von Enzymen
entwickelten Tricks ist,
entwickelten Tricks ist,
09:44
that one of the tricks that enzymes
have evolved to make use of,
have evolved to make use of,
171
572863
4852
09:49
is by transferring subatomic particles,
like electrons and indeed protons,
like electrons and indeed protons,
172
577739
5228
subatomare Teilchen wie
Elektronen und sogar Protonen
Elektronen und sogar Protonen
09:54
from one part of a molecule
to another via quantum tunneling.
to another via quantum tunneling.
173
582991
4661
per Tunneleffekt von einem Teil
des Moleküls zum anderen zu bringen.
des Moleküls zum anderen zu bringen.
Das ist effizient, schnell,
es kann verschwinden ...
es kann verschwinden ...
10:00
It's efficient, it's fast,
it can disappear --
it can disappear --
174
588333
2851
Ein Proton kann kann hier
verschwinden und dort auftauchen;
verschwinden und dort auftauchen;
10:03
a proton can disappear from one place,
and reappear on the other.
and reappear on the other.
175
591208
3111
Enzyme helfen dabei.
10:06
Enzymes help this take place.
176
594343
1629
10:08
This is research that's been
carried out back in the 80s,
carried out back in the 80s,
177
596548
2683
Das wurde in den 80ern erforscht,
insbesondere von einer Gruppe
um Judith Klinman in Berkeley.
um Judith Klinman in Berkeley.
10:11
particularly by a group
in Berkeley, Judith Klinman.
in Berkeley, Judith Klinman.
178
599255
4037
Andere Gruppen in England
haben nun bestätigt,
haben nun bestätigt,
10:15
Other groups in the UK
have now also confirmed
have now also confirmed
179
603316
2205
dass Enzyme das wirklich tun.
10:17
that enzymes really do this.
180
605545
1411
10:21
Research carried out by my group --
181
609048
2549
Die Forschung meiner Gruppe ...
Ich bin, wie gesagt, Kernphysiker
10:23
so as I mentioned,
I'm a nuclear physicist,
I'm a nuclear physicist,
182
611621
2434
10:26
but I've realized I've got these tools
of using quantum mechanics
of using quantum mechanics
183
614079
3055
und fand heraus, dass ich
das nötige Werkzeug habe,
das nötige Werkzeug habe,
10:29
in atomic nuclei, and so can apply
those tools in other areas as well.
those tools in other areas as well.
184
617158
5085
um Quantenmechanik
auf Atomkerne anzuwenden
auf Atomkerne anzuwenden
und sie auch in anderen
Bereichen einsetzen kann.
Bereichen einsetzen kann.
10:35
One question we asked
185
623404
1810
Wir fragten uns,
10:37
is whether quantum tunneling
plays a role in mutations in DNA.
plays a role in mutations in DNA.
186
625238
4298
ob der Tunneleffekt
bei DNS-Mutationen eine Rolle spielt.
bei DNS-Mutationen eine Rolle spielt.
10:41
Again, this is not a new idea;
it goes all the way back to the early 60s.
it goes all the way back to the early 60s.
187
629843
3660
Diese Frage ist nicht neu.
Sie stammt aus den frühen 60er Jahren.
Sie stammt aus den frühen 60er Jahren.
10:45
The two strands of DNA,
the double-helix structure,
the double-helix structure,
188
633527
2961
Die beiden Stränge der DNS,
die Doppelhelix-Struktur,
die Doppelhelix-Struktur,
10:48
are held together by rungs;
it's like a twisted ladder.
it's like a twisted ladder.
189
636512
2823
sind durch Sprossen verbunden --
wie eine verdrehte Leiter.
wie eine verdrehte Leiter.
Diese Leitersprossen
sind Wasserstoffbrücken,
sind Wasserstoffbrücken,
10:51
And those rungs of the ladder
are hydrogen bonds --
are hydrogen bonds --
190
639359
3507
Protonen, die beide Stränge
wie Leim zusammenhalten.
wie Leim zusammenhalten.
10:54
protons, that act as the glue
between the two strands.
between the two strands.
191
642890
3790
10:58
So if you zoom in, what they're doing
is holding these large molecules --
is holding these large molecules --
192
646704
4750
Bei näherem Hinsehen zeigt sich,
dass sie die großen Moleküle,
die Nukleotide, zusammenhalten.
die Nukleotide, zusammenhalten.
11:03
nucleotides -- together.
193
651478
1607
Gehen wir noch näher heran.
11:06
Zoom in a bit more.
194
654130
1150
Dies ist eine Computersimulation.
11:07
So, this a computer simulation.
195
655304
1916
11:09
The two white balls
in the middle are protons,
in the middle are protons,
196
657855
3542
Die beiden weißen Bälle
in der Mitte sind Protonen,
in der Mitte sind Protonen,
die eine doppelte
Wasserstoffbrücke bilden.
Wasserstoffbrücke bilden.
11:13
and you can see that
it's a double hydrogen bond.
it's a double hydrogen bond.
197
661421
2299
11:15
One prefers to sit on one side;
the other, on the other side
the other, on the other side
198
663744
3314
Eines bevorzugt die eine,
eines die andere Seite der Stränge;
eines die andere Seite der Stränge;
11:19
of the two strands of the vertical lines
going down, which you can't see.
going down, which you can't see.
199
667082
4558
der beiden vertikalen Linien,
die gerade nicht sichtbar sind.
die gerade nicht sichtbar sind.
11:24
It can happen that
these two protons can hop over.
these two protons can hop over.
200
672410
3395
Manchmal springen Protonen über.
Beachten Sie die weißen Bälle.
11:27
Watch the two white balls.
201
675829
1436
11:29
They can jump over to the other side.
202
677748
1998
Sie können die Seite wechseln.
Wenn die DNS-Stränge
sich trennen und replizieren,
sich trennen und replizieren,
11:32
If the two strands of DNA then separate,
leading to the process of replication,
leading to the process of replication,
203
680239
5646
und die beiden Protonen
am falschen Platz sitzen,
am falschen Platz sitzen,
11:37
and the two protons
are in the wrong positions,
are in the wrong positions,
204
685909
3199
kann das zu einer Mutation führen.
11:41
this can lead to a mutation.
205
689132
1763
11:43
This has been known for half a century.
206
691204
1872
Das weiß man seit etwa 50 Jahren.
11:45
The question is: How likely
are they to do that,
are they to do that,
207
693100
2343
Aber wie wahrscheinlich
ist dieser Vorgang,
ist dieser Vorgang,
und was geht dabei vor sich?
11:47
and if they do, how do they do it?
208
695467
2378
Springen die beiden über
wie der Ball über die Mauer?
wie der Ball über die Mauer?
11:49
Do they jump across,
like the ball going over the wall?
like the ball going over the wall?
209
697869
3019
Oder nutzen sie den Tunneleffekt,
selbst ohne genügend Energie?
selbst ohne genügend Energie?
11:52
Or can they quantum-tunnel across,
even if they don't have enough energy?
even if they don't have enough energy?
210
700912
3502
11:57
Early indications suggest that
quantum tunneling can play a role here.
quantum tunneling can play a role here.
211
705089
4252
Erste Anzeichen lassen
den Tunneleffekt möglich erscheinen.
den Tunneleffekt möglich erscheinen.
Wir wissen nicht, wie wichtig er ist.
12:01
We still don't know yet
how important it is;
how important it is;
212
709365
2124
12:03
this is still an open question.
213
711513
1792
Diese Frage ist noch offen.
Sie ist spekulativ,
12:06
It's speculative,
214
714199
1150
aber von enormer Tragweite.
12:07
but it's one of those questions
that is so important
that is so important
215
715373
2643
Denn falls die Quantenmechanik
bei Mutationen mitwirkt,
bei Mutationen mitwirkt,
12:10
that if quantum mechanics
plays a role in mutations,
plays a role in mutations,
216
718040
2446
bedeutet das sehr viel
12:12
surely this must have big implications,
217
720510
2299
12:14
to understand certain types of mutations,
218
722833
2694
für das Verständnis
bestimmter Mutationstypen,
bestimmter Mutationstypen,
vielleicht sogar derer,
die in einer Zelle Krebs auslösen.
die in einer Zelle Krebs auslösen.
12:17
possibly even those that lead
to turning a cell cancerous.
to turning a cell cancerous.
219
725551
3756
Ein anderes Beispiel für Quantenmechanik
in der Biologie ist die Quantenkohärenz
in der Biologie ist die Quantenkohärenz
12:22
Another example of quantum mechanics
in biology is quantum coherence,
in biology is quantum coherence,
220
730803
5299
in einem der wichtigsten
biologischen Prozesse:
biologischen Prozesse:
12:28
in one of the most
important processes in biology,
important processes in biology,
221
736126
2353
12:30
photosynthesis: plants
and bacteria taking sunlight,
and bacteria taking sunlight,
222
738503
3941
Photosynthese -- Pflanzen und Bakterien
nehmen Sonnenlicht auf,
nehmen Sonnenlicht auf,
12:34
and using that energy to create biomass.
223
742468
2954
um mit dieser Energie, Biomasse zu bilden.
Mit der Quantenkohärenz nimmt man an,
12:38
Quantum coherence is the idea
of quantum entities multitasking.
of quantum entities multitasking.
224
746215
4152
dass Quantenobjekte
mehrere Dinge zugleich tun.
mehrere Dinge zugleich tun.
12:42
It's the quantum skier.
225
750912
1604
Wie der Quanten-Skifahrer:
12:44
It's an object that behaves like a wave,
226
752540
2952
ein Objekt, das sich
wie eine Welle verhält,
wie eine Welle verhält,
sich also nicht einfach
nach da oder dort bewegt,
nach da oder dort bewegt,
12:47
so that it doesn't just move
in one direction or the other,
in one direction or the other,
227
755516
2902
12:50
but can follow multiple pathways
at the same time.
at the same time.
228
758442
3320
sondern mehreren Wegen
gleichzeitig folgen kann.
gleichzeitig folgen kann.
12:54
Some years ago,
the world of science was shocked
the world of science was shocked
229
762708
3916
Vor einigen Jahren
war die Wissenschaft geschockt,
war die Wissenschaft geschockt,
als eine Arbeit veröffentlicht wurde,
die experimentell nachwies,
die experimentell nachwies,
12:58
when a paper was published
showing experimental evidence
showing experimental evidence
230
766648
3584
dass Quantenkohärenz
in lebenden Bakterien vorkommt,
in lebenden Bakterien vorkommt,
13:02
that quantum coherence
takes place inside bacteria,
takes place inside bacteria,
231
770256
3776
wo sie Photosynthese bewirkt.
13:06
carrying out photosynthesis.
232
774056
1686
Danach wird das Photon,
das Lichtteilchen, das Sonnenlicht,
das Lichtteilchen, das Sonnenlicht,
13:07
The idea is that the photon,
the particle of light, the sunlight,
the particle of light, the sunlight,
233
775766
3064
13:10
the quantum of light
captured by a chlorophyll molecule,
captured by a chlorophyll molecule,
234
778854
3344
das von einem Chlorophyll-Molekül
eingefangene Quantum Licht,
eingefangene Quantum Licht,
13:14
is then delivered to what's called
the reaction center,
the reaction center,
235
782222
2591
in ein Reaktionszentrum weitergeleitet,
zur Umwandlung in chemische Energie.
13:16
where it can be turned into
chemical energy.
chemical energy.
236
784837
2064
13:18
And in getting there,
it doesn't just follow one route;
it doesn't just follow one route;
237
786925
2648
Dahin gelangt es nicht nur auf einem Weg,
sondern auf mehreren gleichzeitig,
13:21
it follows multiple pathways at once,
238
789597
2215
13:23
to optimize the most efficient way
of reaching the reaction center
of reaching the reaction center
239
791836
4337
um das Reaktionszentrum
möglichst effizient zu erreichen,
möglichst effizient zu erreichen,
ohne etwa Wärme zu vergeuden.
13:28
without dissipating as waste heat.
240
796197
1721
13:31
Quantum coherence taking place
inside a living cell.
inside a living cell.
241
799228
3309
Quantenkohärenz in einer lebenden Zelle.
Eine außerordentliche Vorstellung,
13:34
A remarkable idea,
242
802561
2120
13:36
and yet evidence is growing almost weekly,
with new papers coming out,
with new papers coming out,
243
804705
6235
und dennoch erscheinen
fast wöchentlich neue Arbeiten,
fast wöchentlich neue Arbeiten,
die belegen, dass dem wirklich so ist.
13:42
confirming that this
does indeed take place.
does indeed take place.
244
810964
2212
13:45
My third and final example
is the most beautiful, wonderful idea.
is the most beautiful, wonderful idea.
245
813555
4739
Mein drittes und letztes Beispiel
ist eine wunderschöne Vorstellung;
ist eine wunderschöne Vorstellung;
auch noch sehr spekulativ,
aber ich muss es Ihnen einfach erzählen.
aber ich muss es Ihnen einfach erzählen.
13:50
It's also still very speculative,
but I have to share it with you.
but I have to share it with you.
246
818318
4063
Das Rotkehlchen siedelt jeden Herbst
13:54
The European robin
migrates from Scandinavia
migrates from Scandinavia
247
822405
4612
von Skandinavien in den Mittelmeerraum um.
13:59
down to the Mediterranean, every autumn,
248
827041
2635
14:01
and like a lot of other
marine animals and even insects,
marine animals and even insects,
249
829700
3373
Wie viele Meerestiere und sogar Insekten
orientiert es sich dabei
am Magnetfeld der Erde.
am Magnetfeld der Erde.
14:05
they navigate by sensing
the Earth's magnetic field.
the Earth's magnetic field.
250
833097
4300
Dieses Magnetfeld ist sehr schwach:
14:10
Now, the Earth's magnetic field
is very, very weak;
is very, very weak;
251
838968
2427
100-mal schwächer
als ein Kühlschrankmagnet.
als ein Kühlschrankmagnet.
14:13
it's 100 times weaker
than a fridge magnet,
than a fridge magnet,
252
841419
2080
Und dennoch beeinflusst es
die Chemie eines Lebewesens.
die Chemie eines Lebewesens.
14:15
and yet it affects the chemistry --
somehow -- within a living organism.
somehow -- within a living organism.
253
843523
5601
14:21
That's not in doubt --
a German couple of ornithologists,
a German couple of ornithologists,
254
849932
3806
Das steht außer Frage.
Ein deutsches Paar von Ornithologen,
Ein deutsches Paar von Ornithologen,
14:25
Wolfgang and Roswitha Wiltschko,
in the 1970s, confirmed that indeed,
in the 1970s, confirmed that indeed,
255
853762
4260
Wolfgang und Roswitha Wiltscko,
bestätigten in den 70er Jahren,
bestätigten in den 70er Jahren,
dass sich das Rotkehlchen
wirklich auf das Erdmagnetfeld
wirklich auf das Erdmagnetfeld
14:30
the robin does find its way by somehow
sensing the Earth's magnetic field,
sensing the Earth's magnetic field,
256
858046
3977
als Richtungsweiser verlässt --
ein eingebauter Kompass.
ein eingebauter Kompass.
14:34
to give it directional information --
a built-in compass.
a built-in compass.
257
862047
3327
Nur wusste man nicht, wie das geschah.
14:37
The puzzle, the mystery was:
How does it do it?
How does it do it?
258
865398
2249
14:40
Well, the only theory in town --
259
868351
3030
Die einzige Theorie, die wir haben --
14:43
we don't know if it's the correct theory,
but the only theory in town --
but the only theory in town --
260
871405
3436
wir wissen nicht, ob sie richtig ist --
ist, dass es durch die sogenannte
Quantenverschränkung passiert.
Quantenverschränkung passiert.
14:46
is that it does it via something
called quantum entanglement.
called quantum entanglement.
261
874865
2984
14:50
Inside the robin's retina --
262
878567
2374
In der Netzhaut des Rotkehlchens --
14:52
I kid you not -- inside the robin's retina
is a protein called cryptochrome,
is a protein called cryptochrome,
263
880965
4232
das ist kein Witz -- in seiner Netzhaut
gibt es ein Protein namens Cryptochrom,
gibt es ein Protein namens Cryptochrom,
das lichtsensibel ist,
14:57
which is light-sensitive.
264
885221
1380
14:58
Within cryptochrome, a pair of electrons
are quantum-entangled.
are quantum-entangled.
265
886625
3939
und in dem es ein quantenmechanisch
verschränktes Elektronenpaar gibt.
verschränktes Elektronenpaar gibt.
Bei einer Quantenverschränkung
sind zwei Teilchen weit auseinander
sind zwei Teilchen weit auseinander
15:02
Now, quantum entanglement
is when two particles are far apart,
is when two particles are far apart,
266
890588
3232
15:05
and yet somehow remain
in contact with each other.
in contact with each other.
267
893844
2834
und doch miteinander verbunden.
Sogar Einstein gefiel das nicht.
15:08
Even Einstein hated this idea;
268
896991
1446
15:10
he called it "spooky action
at a distance."
at a distance."
269
898461
2039
Er nannte es "spukhafte Fernwirkung".
15:12
(Laughter)
270
900524
1881
(Lachen)
Wenn Einstein sich dabei unwohl fühlte,
dürfen wir das auch.
dürfen wir das auch.
15:14
So if Einstein doesn't like it,
then we can all be uncomfortable with it.
then we can all be uncomfortable with it.
271
902429
3443
Zwei verschränkte Elektronen
in einem Molekül
in einem Molekül
15:17
Two quantum-entangled electrons
within a single molecule
within a single molecule
272
905896
2853
tanzen einen grazilen Tanz,
15:20
dance a delicate dance
273
908773
1471
15:22
that is very sensitive
to the direction the bird flies
to the direction the bird flies
274
910268
2541
der den Ausschlag gibt, wohin der Vogel
15:24
in the Earth's magnetic field.
275
912833
1531
im Erdmagnetfeld fliegt.
15:26
We don't know if it's
the correct explanation,
the correct explanation,
276
914848
2610
Wir wissen nicht,
ob die Erklärung richtig ist,
ob die Erklärung richtig ist,
aber wäre es nicht spannend,
15:29
but wow, wouldn't it be exciting
if quantum mechanics helps birds navigate?
if quantum mechanics helps birds navigate?
277
917482
4544
wenn die Quantenmechanik
den Vögeln beim Navigieren hilft?
den Vögeln beim Navigieren hilft?
15:35
Quantum biology is still in it infancy.
278
923069
2721
Die Quantenbiologie
steckt in den Kinderschuhen.
steckt in den Kinderschuhen.
Sie ist immer noch spekulativ,
15:37
It's still speculative.
279
925814
3484
aber ich glaube, dass sie auf
stichhaltiger Wissenschaft basiert.
stichhaltiger Wissenschaft basiert.
15:41
But I believe it's built on solid science.
280
929742
3849
15:45
I also think that
in the coming decade or so,
in the coming decade or so,
281
933917
3809
Ich glaube auch, dass wir
im kommenden Jahrzehnt
im kommenden Jahrzehnt
mehr und mehr entdecken werden,
dass sie das Leben durchdringt;
dass sie das Leben durchdringt;
15:49
we're going to start to see
that actually, it pervades life --
that actually, it pervades life --
282
937750
4841
15:54
that life has evolved tricks
that utilize the quantum world.
that utilize the quantum world.
283
942615
4596
dass das Leben Tricks entwickelt hat,
die die Quantenwelt nutzt.
die die Quantenwelt nutzt.
Haben Sie ein Auge darauf.
16:00
Watch this space.
284
948026
1428
Vielen Dank.
16:01
Thank you.
285
949478
1157
16:02
(Applause)
286
950659
2202
(Applaus)
ABOUT THE SPEAKER
Jim Al-Khalili - Quantum physicistPhysicist Jim Al-Khalili and co-author Johnjoe McFadden, a biologist, explore the far edges of quantum biology in their book "Life on the Edge."
Why you should listen
A professor of physics at the University of Surrey, Jim Al-Khalili doubles as a science communicator and broadcaster. He’s the co-author with Johnjoe McFadden of Life on the Edge: The Coming of Age of Quantum Biology. The book explores this emerging -- and still largely speculative -- area of science suggesting that quantum mechanics may play a role in biology. If so, it may help us understand what drives genetic mutations that lead to cancer, or how robins fly from Scandinavia to the Mediterranean.
More profile about the speakerJim Al-Khalili | Speaker | TED.com