Открыта способность живых организмов к квантовым вычислениям 

Известный физик Эрвин Шредингер почти век назад предположил, что фундаментальные законы физики, включая мир квантовой механики, могут лежать в основе понимания самой природы жизни. Сегодня эта пророческая идея находит подтверждение в новаторском исследовании физика Филипа Куриана из Говардского университета (США). 

Квантовая обработка информации

Ученый представил убедительные доказательства того, что живые системы во всем своем многообразии – от простейших бактерий до сложнейшего человеческого организма – используют квантовые эффекты для обработки информации. Причем, происходит это с невероятной скоростью, на порядки превышающей возможности самых передовых современных компьютеров.  

Квантовая механика и ее проявления

Квантовая механика – раздел физики, изучающий поведение материи и энергии на микроскопическом уровне: атомов и элементарных частиц. Этот мир подчиняется совершенно иным законам, нежели привычный нам макромир, и характеризуется рядом удивительных явлений, аналогов которым, кажется, нет в обычной жизни.  

Одна из ключевых концепций квантовой механики, суперпозиция, утверждает, что квантовая частица может одновременно находиться в нескольких состояниях, как будто подброшенная монета еще, которая не определилась, какой стороной упасть – "орлом" или "решкой".  

Не менее сложное для понимания явление – квантовая запутанность. Она связывает две или более частицы таким образом, что изменение состояния одной из них мгновенно отражается на состоянии другой, даже если они разделены огромным расстоянием. 

Квантовое сверхизлучение в клетках

Долгое время считалось, что эти экзотические квантовые эффекты могут проявляться лишь в строго контролируемых лабораторных условиях при экстремально низких температурах, далеких от "теплого хаоса" живых клеток. Однако Филип Куриан в ходе опытов установил, что белковые сети, образующие цитоскелет – внутренний каркас клеток, обеспечивающий их форму и структуру – используют явление квантового сверхизлучения. 

Это кооперативный квантовый эффект, при котором множество молекул, взаимодействуя друг с другом, излучают свет гораздо интенсивнее и быстрее, чем если бы они действовали поодиночке. Ключевую роль в этом процессе играет триптофан – одна из важнейших аминокислот, входящих в состав белков. Молекулы триптофана способны эффективно поглощать ультрафиолетовый свет (например, излучение свободных радикалов, образующихся в клетках в процессе жизнедеятельности) и практически мгновенно переизлучать его. 

В протяженных белковых сетях, таких как микротрубочки цитоскелета, молекулы триптофана действуют как своего рода квантовые антенны, многократно усиливая световой сигнал благодаря квантовым эффектам. Этот удивительный механизм позволяет живым клеткам обрабатывать колоссальные объемы информации с невероятной скоростью, достигающей 10¹²–10¹³ операций в секунду. Для сравнения, это в миллиарды раз быстрее, чем передача нервных импульсов, скорость которых составляет всего около 10³ операций в секунду. 

Квантовая биология наступает

Открытие Куриана имеет фундаментальное значение по нескольким причинам. Ведь ученым впервые удалось получить убедительные доказательства того, что живые организмы, включая бактерии и растения, способны использовать квантовые эффекты для обработки информации при комнатной температуре. Это поразительно контрастирует с искусственными квантовыми компьютерами, которые для своей работы требуют поддержания температур, близких к абсолютному нулю (-273°C). 

Уникальная способность живых систем поддерживать квантовую когерентность (сохранять свои квантовые состояния) в теплой среде клетки может стать основой для создания более устойчивых и эффективных квантовых компьютеров, способных функционировать в обычных, а не в лабораторных экстремальных условиях.  

Сам Филип Куриан подчеркивает: "Физики и космологи должны серьезно отнестись к таким открытиям, особенно когда они рассматривают вопросы происхождения жизни на Земле и возможности ее существования в других обитаемых уголках Вселенной".  

Маджед Шерги, профессор из Швейцарии, также отмечает: "Квантовая биология может открыть совершенно новые горизонты для понимания фундаментальных механизмов эволюции живых систем и их адаптации к окружающей среде". 

В поисках новой жизни

Поразительно, но квантовые эффекты, как оказалось, эффективно работают в белковых сетях, размеры которых сопоставимы с размерами микронных структур (10⁻⁶ метра) внутри клеток. Живые системы демонстрируют поразительную способность хранить и обрабатывать кубиты – квантовые биты информации, которые, в отличие от классических битов, могут одновременно находиться в состоянии 0 и 1, – обходя тем самым многие ограничения современных квантовых технологий.  

Если даже такие простые организмы, как бактерии и растения, повсеместно используют законы квантовой механики, значит, мы до сих пор недооценивали сложность и изощренность жизни на Земле. А если подобные квантовые эффекты могут возникать и в космическом пространстве (например, на поверхности астероидов), это кардинально меняет наши подходы к поиску внеземной жизни во Вселенной.