Откритие: Мозъкът използва квантови изчисления

Нещо необикновено се случва, когато множество молекули триптофан действат заедно в силно подредени протеинови структури.

Когато молекула триптофан абсорбира ултравиолетова светлина, тя слабо сияе, докато освобождава енергия с по-ниска честота. Този ефект, наречен флуоресценция, е добре известен. Но нещо удивително се случва, когато много молекули триптофан взаимодействат в силно подредени протеинови структури: започват да светят по-силно и по-бързо, отколкото би трябвало. Това неочаквано групово поведение, наречено свръхлъчение (superradiance), е във фокуса на ново изследване, което може да промени представите ни за живота и самата природа на информацията.

Изследователи откриват, че богати на триптофан протеини – особено в мозъчните клетки и други биологични системи – могат да функционират като квантови изчислителни мрежи. Тези мрежи не само защитават клетките от увреждания, но и могат да съхраняват и предават данни по-бързо и по-ефективно, отколкото се е смятало досега.

Квантовата изненада в шумния свят

Квантовите ефекти обикновено се смятат за възможни само в малки, студени и строго контролирани среди. Например, квантовите компютри трябва да работят при температури, по-ниски от тези в Космоса, за да избегнат смущения. Топлина и хаос обикновено унищожават деликатните свойства, нужни за квантово поведение.

Живите системи, от друга страна, изобщо не са тихи – те са топли, активни и изпълнени с химически „шум“. Клетките, протеините и невроните са твърде големи според квантовите стандарти. Въпреки това екип, ръководен от Филип Куриан, основател на Лабораторията по квантова биология към Университета Хауърд, открива убедителни доказателства, че животът не само толерира квантовите ефекти – той може би зависи от тях.

Екипът на Куриан показва, че гигантски мрежи от молекули триптофан, подредени в микротубули, центриоли и невронни снопове, могат да се държат като квантово-оптични системи. Техните открития, публикувани в Science Advances, предполагат, че свръхлъчението – досега потвърдено само при атомни системи – може да се проявява и в топла, жива материя.

„Тази работа свързва точките между великите стълбове на физиката от XX век – термодинамиката, относителността и квантовата механика – в една мащабна промяна на парадигмата“, казва Куриан.

Защо триптофанът е специален

Триптофанът не е просто поредната аминокиселина. Той има уникална индолова структура, която го прави особено ефективен в абсорбирането на ултравиолетова светлина. Освен това флуоресцира със силен „Stokes shift“, което означава, че светлината, която излъчва, е ясно различима от тази, която абсорбира. Това го прави любим инструмент в лабораторните изследвания на протеиновото поведение.

Но триптофанът не е полезен само в епруветка. Той естествено се среща в ключови места в живите системи – често на границата между вода и липиди в клетъчните мембрани. Открива се в трансмембранни протеини, фоторецептори, хемоглобин и особено в сложните цитоскелетни структури в клетките, като микротубулите и центриолите, които помагат на клетките да се делят, променят форма и да се движат.

Екипът на Куриан изследва тези мезомащабни мрежи – структури с над 100 000 молекули триптофан – и открива, че те често показват колективен оптичен отговор. Колкото по-подредена е структурата, толкова по-силен е квантовият ефект. Дори когато изкуствено създават безредие, ефектите продължават да съществуват при нормални биологични температури.

Професор Маджед Чергуи от Политехническото училище в Лозана, който ръководи експерименталния екип, обяснява: „Изискваше се много прецизно и внимателно прилагане на стандартни методи за спектроскопия на протеини, но, водени от теоретичните прогнози на нашите сътрудници, успяхме да потвърдим удивителен подпис на свръхлъчение в микромащабна биологична система.“

Как живите системи използват квантова светлина

Според Куриан неговият екип смята, че тези големи мрежи от триптофан може би са еволюирали, за да се възползват от квантовите си свойства. Когато клетките дишат с кислород (аеробно дишане), те създават свободни радикали или реактивни кислородни видове (ROS) – нестабилни частици, които излъчват UV-фотони с висока енергия и могат да увредят ДНК и други молекули.

Мрежите от триптофан действат като естествени щитове – те абсорбират вредната светлина и я преизлъчват с по-ниска енергия, намалявайки щетите. Благодарение на свръхлъчението, това защитно действие може да се осъществи много по-бързо и ефективно от индивидуалните молекули.

Тази скорост е още по-важна в мозъка. Според традиционните модели в невронауката информацията се предава между невроните чрез химически сигнали, което отнема милисекунди. Но изследването на Куриан показва, че сигналите чрез свръхлъчение се предават за пикосекунди – приблизително милиард пъти по-бързо.

В предишно изследване, публикувано в The Journal of Physical Chemistry, екипът на Куриан показва, че тези сигнали може да позволят на клетките да споделят информация с такива скорости и мащаби, каквито традиционните модели не могат да обяснят. Те могат да действат като оптични влакна, предаващи светлинни данни през тъкани и позволяващи ново ниво на биологично изчисление.

„Тази фотозащита може да се окаже от ключово значение за забавяне или спиране на дегенеративни заболявания“, казва Куриан. „Надяваме се това да вдъхнови нова вълна от експерименти, които да изследват ролята на квантово-усилена фотозащита в патологии, които се развиват при силно окислителни условия.“

Нов вид изчисление

В своето изследване Куриан прави смела стъпка – изчислява колко информация може да е била обработена от живота на Земята от началото му досега, използвайки законите на квантовата механика, скоростта на светлината и плътността на материята във Вселената. Според изчисленията му, обработката на информация от живота – подсилена от квантови структури като триптофанови мрежи – може да съперничи на тази на цялата материя в наблюдаемата Вселена.

Това откритие отеква въпросите, зададени от физика Ервин Шрьодингер в книгата му What is Life? от 1944 г., където той пита дали нещо по-дълбоко от химията не управлява живите системи. Работата на Куриан сега предлага възможен отговор.

Професор Сет Лойд от MIT, пионер в квантовите изчисления, похвали изследването: „Добре е да си припомняме, че изчисленията, извършвани от живите системи, са много по-мощни от тези на изкуствените.“

Теориите на Куриан предизвикват интерес сред учени по квантови технологии по целия свят, включително професор Николо Дефену от ETH Цюрих: „Наистина е интригуващо да видим живите системи и квантовата технология да се свързват все по-дълбоко.“

Дори учените, занимаващи се с космоса, обръщат внимание. Данте Лаурета, директор на Центъра по астробиология в Аризона, смята, че предсказанията на Куриан дават нови насоки за търсенето на живот извън Земята. „Удивителните свойства на този тип сигнализация и обработка на информация може да променят правилата на играта в изследването на обитаеми екзопланети.“

Отвъд мозъка

Макар повечето изследвания да се фокусират върху невроните, Куриан и други учени ни напомнят, че по-голямата част от живота на Земята е безнервен. Бактерии, растения, гъби и едноклетъчни организми съставляват основната биомаса на планетата. Тези живи системи може да използват триптофанови мрежи и квантови ефекти също толкова ефективно, колкото и мозъците.

Наличието на свръхлъчение в тези прости организми подсказва, че квантовата обработка на информация може да е основна характеристика на самия живот, а не само добавка за сложни същества.

„В междузвездната среда и върху астероиди има следи от подобни квантови емитери“, казва Лаурета. „Те може да са предшественици на изчислителното предимство на еукариотния живот.“

Куриан се надява, че тази работа ще вдъхнови още изследвания на квантовите измерения на живота. „В ерата на изкуствения интелект и квантовите компютри е важно да помним, че физичните закони ограничават тяхното поведение“, казва той. „И въпреки че тези закони важат и за способността на живота да познава и симулира Вселената, ние все пак можем да я изследваме и разбираме. Това е вдъхновяващо.“

Източник: https://www.thebrighterside.news