Більше 80 років тому Ервін Шредінгер у своїй книзі «Що таке життя?» висунув гіпотезу, що закони фізики, зокрема квантова механіка, можуть пояснити природу життя. Нещодавно фізик Філіп Куріан з Університету Говарда (США) підтвердив, що живі системи — від бактерій до людей — використовують квантові ефекти для обробки інформації в мільярди разів швидше, ніж будь-які комп’ютери. Результати його дослідження, опублікованого журналом Science Advances, кардинально змінюють наше сприйняття біології та технологій.

Квантова механіка в клітинах: новий погляд на життя

Квантова механіка вивчає поведінку частин на мікроскопічному рівні, включаючи складні явища, такі як суперпозиція та заплутаність. Суперпозиція означає, що частинка може перебувати в кількох станах одночасно, тоді як заплутаність полягає в тому, що зміна стану однієї частини миттєво впливає на іншу, незалежно від відстані між ними.

Досі вважалося, що такі ефекти можливі лише в контрольованих умовах, а не в «теплом хаосі» живих клітин. Однак Куріан виявив, що білкові мережі в цитоскелеті (внутрішньому каркасі клітин) використовують явище квантового надпотужного випромінювання. Це явище дозволяє молекулам разом випромінювати світло сильніше та швидше, ніж вони могли б самі, подібно до хору, який співає голосніше за соліста.

Критичну роль у цьому процесі відіграє триптофан, амінокислота, що поглинає ультрафіолетове світло та переосвітлює його. У великих мережах, таких як мікротрубочки, триптофан функціонує як антена, значно посилюючи сигнал завдяки квантовим ефектам. Завдяки цьому клітини здатні обробляти дані зі швидкістю від 10¹² до 10¹³ операцій на секунду — що в мільярд разів швидше, ніж нервові імпульси, які мають приблизно 10³ операцій на секунду.

Значення нових відкриттів у квантовій біології

Відкриття Куріана особливо важливе, оскільки воно підкреслює, що живі системи, включаючи бактерії та рослини, здатні використовувати квантові ефекти при кімнатній температурі, випереджаючи штучні квантові комп’ютери, для роботи яких потрібні температури наближенні до абсолютного нуля (-273°C). Цей факт може надихнути на створення стабільних квантових комп’ютерів, здатних працювати в «шумному» середовищі, аналогічно живим клітинам.

Куріан порівняв обчислювальну потужність життя на Землі з потужністю всієї матерії в спостережуваній Всесвіті, вказуючи на величезну роль, яку життя відіграє в обробці інформації. «Фізики та космологи повинні приймати виклик таких відкриттів, особливо при розгляді виникнення життя на Землі та в інших частинах обжитої Всесвіту,» — зазначає Куріан.

Уявіть собі мозок як суперкомп’ютер: він не лише передає електричні сигнали, а й використовує квантові ефекти для миттєвої обробки даних. У рослинах клітини завдяки триптофану також можуть «спілкуватися» світлом швидше, ніж за допомогою хімічних сигналів. Це стосується усіх еукаріотичних організмів — від одноклітинних до людини.

Для порівняння, звичайні сигнали, наприклад, йони, проходять через мембрани за кілька мілісекунд, тоді як квантове надпотужне випромінювання може здійснювати операції за піко секунди (10⁻¹² секунди).

Перспективи та виклики у вивченні квантової біології

«Квантова біологія може відкрити нові горизонти для розуміння еволюції живих систем,» — підкреслює професор Маджед Шергі зі Швейцарії. Вивчення квантових ефектів у клітинах дозволяє зрозуміти, як зберігати та обробляти кубіти (квантові біти, які можуть бути 0 та 1 одночасно), обминаючи обмеження сучасних технологій.

Це не лише наукове досягнення, а й виклик: якщо бактерії та рослини використовують квантову механіку, можливо, ми недооцінювали життя на Землі. А якщо подібні ефекти існують у космосі — наприклад, на астероїдах — це може змінити підходи до пошуку життя у Всесвіті. Нове відкриття створює міст між біологією та квантовими технологіями.

«Обчислення, виконувані живими системами, значно потужніші за ті, що здійснюються штучними,» — наголошує Сет Ллойд, один із засновників квантових обчислень. Це відкриття потенційно може кардинально змінити наші уявлення про природу життя, технології та їхній взаємозв’язок.