Животът отмества квантовите граници. Каква е изчислителната мощ на аневралния живот

Преди повече от 80 години Ервин Шрьодингер зададе дълбок въпрос за природата на живота в своите лекции от 1944 г. в Тринити Колидж в Дъблин, публикувани по-късно като "Какво е животът?" Сега, през 2025 г., в Международната година на квантовата наука и технологии, физик от университета Хауърд преразглежда този въпрос, прилагайки съвременната квантова механика, за да предефинира границите на биологичните изчисления.

Филип Куриан (Philip Kurian), основател на Лабораторията по квантова биология (QBL), публикува ново проучване в Science Advances, което установява коригираната горна граница за това колко информация е могъл да обработи животът на въглеродна основа през цялата история на Земята.

Основавайки се на фундаменталните принципи на квантовата механика и на по-ранните открития на QBL за квантово-оптично поведение в цитоскелетните белтъчни нишки, изследването предлага възможна еквивалентност между мощността на обработката на информация от живота на Земята и цялата наблюдаема Вселена.

"Тази работа свързва точките между големите стълбове на физиката на ХХ век - термодинамиката, теприята на относителността и квантовата механика - за голяма промяна на парадигмата в биологичните науки, изследвайки възможността и последиците от квантовата обработка на информация в уетуер* при температури на околната среда", заявява Куриан.

"Физиците и космолозите трябва да се борят с тези открития, особено когато разглеждат произхода на живота на Земята и другаде в обитаемата вселена, развиващ се в съгласие с електромагнитното поле."

Квантова механика и свръхизлъчване

Ефектите на квантовата механика - законите на физиката, които много учени смятат, че могат да се проявяват само в малки мащаби - са чувствителни към смущения. Ето защо квантовите компютри трябва да се държат при температури, по-ниски от космическото пространство и само малки обекти, като атоми и молекули, обикновено показват квантови свойства.

По квантови стандарти биологичните системи са доста враждебна среда: те са топли и хаотични и дори основните им компоненти - като клетките - се смятат за големи.

Но групата на Куриан миналата година открива ясно изразен квантов ефект в протеинови полимери във воден разтвор, който оцелява при тези предизвикателни условия в микронен мащаб. По-специално, екипът на Куриан наблюдава еднофотонно свръхнапрежение в богати на триптофан протеинови нишки.

Това откритие може да даде нови прозрения за клетъчната самозащита например като начин за мозъка да се предпази от дегенеративни заболявания като болестта на Алцхаймер и свързани с нея деменции. 

Техните резултати могат да доведатъ до нови приложения и платформи за изследователите на квантовите изчисления и те представляват нов начин на мислене за връзката между живота и квантовата механика.

Новата статия на Куриан се основава на три предположения: законите на квантовата механика, универсалната граница на скоростта на светлината и плътността на материята и енергията в космоса. Тези основи, съчетани с експерименталното потвърждение на квантовата свръхрадиоактивност в живите системи, разкриват потенциален мост между биологичните процеси и квантовите изчисления.

"В съчетание с тези доста безобидни предпоставки забележителното експериментално потвърждение на еднофотонното свръхнапрежение в повсеместно разпространена биологична архитектура в термично равновесие открива много нови насоки за изследване в областта на квантовата оптика, теорията на квантовата информация, физиката на кондензираната материя, космологията и биофизиката", отбеляза професор Марко Петини (Marco Pettini) от Университета в Екс-Марсилия.

Квантова обработка на информация, отвъд биохимичното сигнализиране

Аминокиселината триптофан играе ключова роля в този модел. Тя присъства в различни клетъчни компоненти и може да абсорбира вредните ултравиолетови фотони, генерирани от оксидативния стрес, и да ги излъчва отново с по-ниски, по-малко вредни енергии. Когато са организирани в големи структури като микротубули и амилоидни влакна, мрежите от триптофан показват повишена ефективност благодарение на квантовата кохерентност. Тези открития предполагат, че еукариотните клетки могат да използват тези квантови оптични ефекти за обработка на информация много по-бързо от традиционните електрохимични методи.

Докато за класическите биохимични сигнали са необходими милисекунди, тези квантови процеси протичат за пикосекунди. Куриан предполага, че такъв бърз, високоточен трансфер на информация може да бъде в основата на биологичните квантови изчисления.

"Квантовата биология - в частност нашите наблюдения на свръхрадиационни подписи от стандартни методи за протеинова спектроскопия, ръководещи се от неговата теория - има потенциала да открие нови перспективи за разбиране на еволюцията на живите системи в светлината на фотофизиката", коментира професор Маджед Чергуи (Majed Chergui) от École Polytechnique Fédérale de Lausanne (Швейцария) и Elettra-Sincrotrone Trieste (Италия), който подкрепи експерименталното проучване от 2024 г..

Аневрален живот и планетарен изчислителен капацитет

Представяйки си обработката на биологична информация главно на нивото на невроните, много учени пренебрегват факта, че аневралните (без невронни) организми - включително бактерии, гъби и растения, които формират по-голямата част от биомасата на Земята - извършват сложни изчисления. И тъй като тези организми са били на нашата планета много по-дълго от животните, те съставляват по-голямата част от базираните на въглерод изчисления на Земята.

"В междузвездната среда и на междупланетните астероиди има следи от подобни квантови излъчватели, които може да са предшественици на изчислителното предимство на еукариотния живот", смята Данте Лаурета (Dante Lauretta) от Университета в Аризона. "Предвижданията на Куриан дават количествени граници, отвъд прочутото уравнение на Дрейк, за това как свръхизлъчващите живи системи увеличават изчислителния капацитет на планетата."

Концепция на художник за аналогов квантов компютър, в който атомите се манипулират от лазери, за да симулират квантови системи от много тела. Кредит: Nikita Zemlevskiy, Henry Froland, and Stephan Caspar

Сравнение на производителността с квантови компютри

Изследователите на квантовите технологии вече обръщат внимание и на тях. Фактът, че крехките квантови явления могат да оцелеят в биологичните системи при условията на околната среда, заинтригува работещите по подобряване на устойчивостта на квантовите компютри.

"Тези нови сравнения на производителността ще представляват интерес за голямата общност от изследователи в областта на отворените квантови системи и квантовите технологии", коментира професор Николо Дефену (Nicolo Defenu) от ETH Цюрих.

Рамката на Куриан съчетава термодинамичните разсъждения с перспективата на квантовата информация, разширявайки прозренията на по-ранни физици за това как животът може да използва физичните закони за извършване на сложни изчисления.

Идентифицирането от екипа му на кубити, базирани на триптофан, предполага, че биологията вече може да използва усъвършенствани стратегии за коригиране на грешки, за да поддържа квантовата кохерентност.

Справка: Philip Kurian, Computational Capacity of Life in Relation to the Universe, Science Advances (2025). DOI: 10.1126/sciadv.adt4623. www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adt4623

Източници:

Physicist revisits the computational limits of life and Schrödinger's essential question in the era of quantum computing, Howard University

Howard University researcher explores quantum bounds on life's computational power, Clarence Oxford, Los Angeles CA

Още по темата

09/08/2023

Математика

Математиката предвижда самоорганизираното обучение в реалните неврони

22/06/2023

Животът

Квантова биология: Загадката как функционира животът (видео)

06/07/2022

Земята

Нов поглед към „царството на минералите“ може да промени начина, по който търсим живот

03/09/2018

Животът

Учените идентифицираха елемент от "легото на живота"