Вы когда-нибудь задумывались, как простые организмы, такие как бактерии или грибы, принимают сложные решения? без мозга? Или как одна ячейка может обрабатывать миллиарды одновременных операций без сбоев? На протяжении десятилетий мы приписывали эти способности химическим реакциям и электрическим сигналам. Однако что-то не сходилось: скорость вычислений казалась слишком высокой, чтобы ее можно было объяснить только традиционной биохимией. Как будто наши клетки скрывают какой-то секрет. И, возможно, так оно и есть. Новое исследование квантовых эффектов в биологических системах производит революцию в нашем понимании того, как жизнь обрабатывает информацию.
Тело Филип Куриан из Университета Говарда обнаружили, что Наши клетки могли бы использовать квантовые явления для обработки данных в миллиарды раз быстрее, чем мы считали возможным. Открытие, которое не только подтверждает интуицию легендарного физика, высказанную им 80 лет назад, Эрвин Шредингер, но это также открывает совершенно новые сценарии вычислительной природы жизни.
Когда квантовая физика встречается с биологией
Биология и квантовая механика всегда считались отдельными дисциплинами, практически не имеющими точек соприкосновения. Первый имеет дело с горячими, сложными и непредсказуемыми системами; второй Он работает при температурах, близких к абсолютному нулю, в сверхточных условиях. Невозможный брак, по крайней мере на бумаге.
Однако уже восемьдесят лет назад Шредингер осмелился предположить обратное. В своей знаменитой серии лекций «Что такое жизнь?» он выдвинул гипотезу, что пока еще не открытые квантовые эффекты могут играть решающую роль в поддержании генетической стабильности живых организмов. Футуристическая теория, которая десятилетиями оставалась без конкретного подтверждения.
Основная проблема была очевидна: как квантовые процессы могут существовать внутри биологической системы? Как могло что-то столь хрупкое выжить в термическом и молекулярном хаосе живого организма?
Именно этот узел и начал распутывать Куриан, наконец связав биологический мир с квантовой механикой.
Триптофан и квантовое сверхизлучение
Ключ к этим новым исследованиям Куриана начинается с предыдущая его работа на молекуле, которую мы принимаем ежедневно: триптофан, незаменимая аминокислота, содержащаяся в молоке, яйцах, мясе и орехах. Вещество, которое мы просто считаем «питательным», но которое может быть чем-то гораздо большим.
Обычно одна молекула триптофана поглощает свет (фотон) на одной частоте и испускает другой на другой частоте. Это явление, называемое флуоресценцией, широко используется для изучения белков. Ничего особенно удивительного.
Волшебство происходит, когда множество молекул триптофана скоординированно взаимодействуют с одним фотоном внутри крупных биологических структур, таких как нейроны, микротрубочки или центриоли. В этих условиях они проявляют квантовое поведение, называемое «сверхизлучение", что производит гораздо более интенсивную флуоресценцию, чем та, которая наблюдалась бы с одной молекулой. Это как если бы все молекулы триптофана вели себя как идеально синхронизированный оркестр, а не как сольные музыканты.
второй Исследование КурианаЭто сверхизлучение предполагает нечто революционное: обработка информации в биологических системах опирается не только на традиционную химическую сигнализацию.
Возможно, что триптофановая сеть функционирует как своего рода «квантовое оптическое волокно», позволяя эукариотическим клеткам передавать информацию со скоростью, в миллиарды раз превышающей скорость обычных биохимических путей.
Подумайте об этом: наши самые передовые компьютеры «усердно работают», выполняя сложные вычисления, но простая клетка могла бы использовать квантовые эффекты для обработки информации с головокружительной скоростью. Это как обнаружить, что старый добрый велосипед в гараже на самом деле замаскированный Ferrari.
Квантовые эффекты для необычайной вычислительной мощности
Триптофан свойствен не только таким сложным организмам, как мы. Это незаменимая аминокислота для организма человека, способствующая росту растений, но ее присутствие распространяется и на более простые формы жизни. Бактерии, грибы и растения могут метаболизировать эту молекулу. И эта, казалось бы, незначительная деталь может иметь огромные последствия.
Куриан указывает на факт, который мы часто упускаем из виду:
«Многие ученые не учитывают, что организмы без нервной системы, такие как бактерии, грибы и растения, составляющие большую часть биомассы Земли, выполняют сложные вычисления. Поскольку эти организмы существуют на нашей планете гораздо дольше животных, на них приходится подавляющее большинство вычислений на основе углерода на Земле».
Это заставляет меня задуматься о том, как часто мы недооцениваем интеллект простейших организмов. Гриб, распространяющийся по лесной подстилке, может обладать вычислительными возможностями, которые затмят наши суперкомпьютеры.
Эволюция в новом свете
Возможно, что квантовые эффекты, такие как сверхизлучение, сыграли фундаментальную роль в эволюции эукариотических организмов. И если квантовое сверхизлучение является неотъемлемой частью обработки информации в простейших формах жизни, это может означать, что живые существа на основе углерода обладают вычислительной мощностью, значительно превосходящей вычислительную мощность искусственных квантовых систем.
Сет Ллойд, квантовый физик из Массачусетского технологического института, с энтузиазмом комментирует исследование Куриана: «Я приветствую смелые и изобретательные усилия доктора Куриана по применению фундаментальной физики вычислений к общему объему обработки информации, выполняемой живыми системами в течение жизни на Земле. Важно помнить, что вычисления, выполняемые живыми системами, гораздо более эффективны, чем вычисления, выполняемые искусственными системами».
Я нахожу это необычным: пока мы спешим разработать квантовые компьютеры, работающие в предельно контролируемых условиях, природа, возможно, нашла способ использовать квантовые эффекты при комнатной температуре миллиарды лет назад. Жизнь никогда не перестает нас удивлять.
Хотя необходимы дальнейшие исследования для поиска дополнительных доказательств в поддержку выводов Куриана, это исследование представляет собой новую главу в области биологии. Это побуждает нас пересмотреть эволюцию жизни на Земле с совершенно новой точки зрения, где квантовая физика и биология больше не являются отдельными дисциплинами, а представляют собой две стороны одной увлекательной медали.
