У тривіальному сенсі вся біологія є особливим різновидом квантової механіки, оскільки за своєю природою вся матерія є квантово-механічною: вона складається з атомів і, отже, підпорядковується фізичним законам, уперше формалізованим Нільсом Бором на початку 20-го століття.
Однак основна увага в квантовій біології приділяється ключовим ефектам - тим квантовим явищам, які не піддаються класичній уяві, таким, як суперпозиція станів, когерентність, тунелювання і заплутування.
Якщо ми говоримо про квантові ефекти, то питання "де" простіше. Мозок складається з нервових клітин, дендритів і аксонів. Інформація передається в мозок і з мозку шляхом спрацьовування або неспрацьовування нейронів. Це процес, який визначається електрохімічним потенціалом нервової клітини.
Такий потенціал залежить від розподілу заряджених іонів по клітинній мембрані. Для того, щоб нерв "вистрілив", його потенціал спокою має бути збільшений до необхідного порогового потенціалу. Як цей сигнал передається від однієї клітини до іншої, досі залишається предметом суперечок, але загальноприйнята теорія свідчить, що нейронний зв'язок здійснюється за допомогою нейротрансмітерів, які виділяються в синаптичну щілину і зв'язуються з рецепторами наступної нервової клітини, тим самим змінюючи електрохімічний градієнт і викликаючи активацію нейронів.
Змінені стани свідомості
Що може бути краще для вивчення свідомості, ніж спостереження за нею в змінених станах, наприклад, за допомогою анестетиків?
"Єдине, у чому ми впевнені, то це те, що свідомість розчинна в хлороформі", - міркує квантовий біолог Лука Турін із Центру біомедичних досліджень імені Олександра Флемінга. Турін зазначає, що хімічні речовини з анестезуючими здібностями мають структурні властивості, які сильно відрізняються одна від одної.
Анестетики можуть зв'язуватися з різними цитоплазматичними та мембранними білками. Вчений припускає, що вони сприяють току електронів у білках, тому потрібно сконцентруватися на вивченні спінів, які фактично створюють магнітні властивості квантових частинок. Турін виявив, що під впливом ксенону, найпростішого з усіх анестетиків, у плодових мушок спостерігалося збільшення потоку спінів електронів, виміряного за допомогою електронного спінового резонансу. Втім, походження сигналу досі залишається спірним.
Участь анестетиків в електронних властивостях біологічних систем не є абсолютно новим відкриттям, теорія була ще викладена анестезіологом Гамероффом у доповненні до Orch OR.
Новим є прогрес, досягнутий у розумінні того, як квантові ефекти сприяють процесам електронного переносу в біологічних системах. Так, у фотосинтезі є деякі докази того, що під час руху енергії через структури, які складають фотосинтетичну мережу, виникають деякі квантові ефекти, такі, як когерентність.
Зокрема, низка структур забезпечують когерентну передачу, - таким чином хромофори надають їм "природного" кольору. Водночас дослідження показують, що замість того, щоб переміщатися між дискретними енергетичними рівнями хромофорів, енергія може розподілятися або делокалізуватися за кількома хромофорами одночасно.
У контексті квантової свідомості цікавим є те, що нервові клітини містять такі структури, як мікротрубочки та мітохондрії, що підтримують когерентну енергію.
Роль біофотонів
Роль біофотонів у мозку є зростаючою областю досліджень у нейробіології - там, де є фотони, може існувати квантова механіка. Бетоні Адамс і Франческо Петруччіоне досліджують цю спірну галузь квантової біофізики, що розвивається.
Передача енергії відбувається так само, як під час фотосинтезу. Мікротрубочки є частиною цитоскелета еукаріотичних клітин (клітини з ядром, ув'язненим в оболонку, трапляються в рослин і тварин) і деяких прокаріотичних клітин (клітини без оболонки ядра, з яких складаються археї та бактерії).
Вони забезпечують форму і структуру, відіграють важливу роль у поділі клітин, а також у русі білків. Вони складаються з полімерів тубуліну, усередині яких містяться хромофори, аналогічні тим, що трапляються у фотосинтетичних сітках.
Хромофори також зустрічаються в мітохондріях - енергетичних станціях клітини. Деякі дослідники припускають, що анестетики порушують когерентні енергетичні процеси, що відбивається на зміні свідомості.
Крім того, недавнє дослідження припускає зв'язок між інтелектом і частотою біофотонів у мозку тварин. У 2016 році Чжуо Ванг і його колеги з Південно-центрального університету Китаю вивчали зрізи мозку різних тварин (жаби-бика, миші, курки, свині, мавпи і людини), які були збуджені глутаматом. Вони виявили, що зростання інтелекту пов'язане зі зміщенням частоти біофотона в червону частину спектра. Тож світло розуму точно не блакитне, як писала Сільвія Плат.
Звісно, незрозуміло, що насправді є мірою інтелекту, тож дослідження викликало критику насамперед через відсутність пояснювального механізму; кореляція, як говорить мантра, не означає причинно-наслідкового зв'язку. Однак вивчення ролі біофотонів - від ультрафіолетового до інфрачервоного діапазонів у біологічних системах - є найперспективнішою галуззю в нейробіології.
Світло має символічне значення для людини. Воно присутнє в мистецтві, релігії, літературі і навіть у тому, що ми називаємо "просвітлення" і "бачення світла". Здається цілком доречним, що воно може відігравати й фізіологічну роль. Як саме світло бере участь у сигнальних процесах центральної нервової системи і в її емерджентній властивості - свідомості - поки що неясно.
Фотони, зрештою, нерозривно пов'язані з народженням квантової механіки: Нобелівська премія Альберта Ейнштейна 1921 року була присуджена не за теорію відносності або інші відкриття, а за його пояснення фотоелектричного ефекту.
Він припустив, що світло, яке поводиться як безперервна хвиля, може поширюватися у вигляді дискретних пакетів, або квантів, званих фотонами. Далі опис Максом Планком чорного тіла, нова модель атома Нільса Бора, дослідження Артура Комптона в галузі рентгенівського випромінювання, припущення Луї де Бройля про те, що матерія має хвилеподібні властивості, поклали початок квантової ери.
Квантові ефекти в мозку
Хоча дивацтва квантової теорії призвели до появи деяких псевдонаукових інтерпретацій свідомості, вчені не поспішають пов'язувати ці два поняття воєдино. Те, що обидва предмети складні для розуміння, не означає, що вони обов'язково доповнюють один одного.
Перша детальна теорія квантової свідомості з'явилася в 1990-х роках завдяки лауреату Нобелівської премії з фізики Роджеру Пенроузу з Оксфордського університету та анестезіологу Стюарту Гамероффу з Аризонського університету. Їхня теорія "оркестрованої об'єктивної редукції" зазнала низки змін від моменту своєї появи, але загалом зводиться до такого: квантові обчислення в клітинних структурах, мікротрубочках, впливають на "стрілянину" нейронів і, як наслідок, на людську свідомість.
Теорія викликала низку критичних зауважень, але, можливо, найбільш руйнівне випливає з фундаментальних постулатів квантової теорії.
Квантова система - тонка річ. Зазвичай квантові ефекти спостерігаються за низьких температур, коли ця система ізольована від руйнівних взаємодій із навколишнім середовищем. Здавалося б, це звільняє квантові ефекти від будь-якої ролі в метушливих живих системах.
Біологічні системи працюють за фізіологічних температур і неминуче пов'язані з навколишнім середовищем. Як підрахував фізик Макс Тегмарк із Прінстонського університету 2000 року, квантові ефекти не збережуться досить довго, щоб мати будь-який вплив на набагато повільніші швидкості, тобто теорія Пенроуза-Гамероффа нібито неправильна.
Однак це обмеження було пом'якшено дослідженнями, проведеними в ширшій галузі квантової біології. Застосування квантової теорії в біологічному контексті було найбільш успішним щодо фотосинтезу. До того ж дослідження пташиного компаса, нюху, ферментів і навіть ДНК дають змогу припустити, що квантові ефекти можуть бути задіяні у функціонуванні біологічних організмів у ширшому сенсі.
Змінені стани
У квантовій біології важливу роль відіграють квантові ефекти суперпозиції, когерентності та декогерентності, тунелювання і заплутування.
Математично фізична система, наприклад, атом або фотон, описується квантовим станом, який містить усю інформацію про неї. Суперпозиція - це властивість квантового світу, яка дає змогу фізичній системі існувати у двох або більше квантових станах, доки не проведено вимірювання.
Це неінтуїтивне явище привело Ервіна Шредінгера до знаменитого всюдисущого уявного експерименту, в якому кіт у коробці одночасно живий і мертвий, поки спостерігач перебуває поза самою коробкою. Квантова когерентність кількісно визначає взаємозв'язок станів у суперпозиції. Її аналог, декогеренція, описує втрату таких квантових ефектів.
Квантове тунелювання, тим часом, передбачає проходження частинки через енергетичний бар'єр, незважаючи на відсутність енергії, необхідної для подолання бар'єру, як це уявляється класичною фізикою. Це явище не до кінця вивчено теоретично, проте воно лежить в основі практичних технологій - від скануючої тунельної мікроскопії до флеш-пам'яті.
Нарешті, квантова заплутаність дає змогу двом частинкам володіти тіснішими зв'язками, ніж передбачає класична фізика. Протягом багатьох років вона відігравала центральну роль у квантовій криптографії, квантовій телепортації та інформації. За останнє десятиліття фізики змогли передати пари заплутаних фотонів на великі відстані, як повітрям, так і оптичним волокном.
Компас мозку
Деякі тварини здатні відчувати магнітне поле Землі, але як саме вони це роблять, питання залишається відкритим. Згідно із загальноприйнятою гіпотезою, птахи використовують квантові ефекти для здійснення своїх навігаційних подвигів.
Цей квантовий компас називається механізмом радикальних пар і ґрунтується на взаємодії спіна електрона з геомагнітним полем. Радикальна пара - це пара електронів, спіни яких корелюють, існуючи в суперпозиції двох різних станів.
Співвідношення цих станів визначається магнітним полем, унаслідок чого при різних вирівнюваннях у цьому полі хімічна сигнатура відрізняється. Спін-залежний компас міститься в криптохромах, які активуються синім світлом, що надходить із навколишнього середовища.
Донедавна не було переконливих доказів того, що люди мають магнітне відчуття. Однак новий експеримент, проведений Квон-Сеок Че і командою з Національного університету Кюнгпук у Кореї, неймовірним чином показав, що люди, які голодують, можуть відчувати геомагнітне поле, орієнтуючись на запам'ятовуване місце розташування їжі, і ця орієнтація, мабуть, залежить від синього світла.
Конні Ванг з Каліфорнійського технологічного інституту (США) та її колеги також показали, що зміни напруженості магнітного поля Землі викликають у людей зміни альфа-хвиль мозку - коливань нейронної активності в діапазоні 8-12 Гц. Як цей ефект використовує організм на практиці - невідомо.
В окремих дослідженнях зміни в альфа-хвилях пов'язували з коливаннями біофотонів, які побічно вимірюють за коливаннями реактивних видів кисню, що відіграють певну роль у клітинній комунікації та відповідають за численні тілесні проблеми. Вони пов'язані зі старінням, хворобами та депресією. Тому антиоксиданти широко рекламуються як корисні для здоров'я речовини.
Дослідження також продемонстрували, як опосередковані магнітним полем зміни в спіновій динаміці механізму радикальних пар призводять до збільшення реактивних видів кисню. Можна припустити, що люди використовують механізм радикальних пар у найважливіших клітинних функціях. Що саме це означає, поки неясно. Потенційно це допоможе пояснити фізіологічні та психологічні наслідки геомагнітних бур, одним з яких є збільшення кількості самогубств.
Нейронна заплутаність
Спінова динаміка, а також поведінка квантових частинок у магнітному полі лежать в основі іншої теорії, яка припускає, що квантові ефекти коригують пізнання. У цьому випадку спіни належать не електронам, а ядрам. Ядра можуть мати особливо тривалий час життя когерентності, тобто їхні квантові ефекти зберігаються впродовж досить тривалого часу, щоб відігравати роль у нейронному збудженні і навіть, можливо, у функції пам'яті.
Фізик Метью Фішера з Каліфорнійського університету резонно припустив, що спін-заплутані молекули Познера здатні призвести до того, що нерви будуть "стріляти" корельовано. Клітинні процеси протікають за рахунок енергії, яку забезпечує аденозинтрифосфат.
Коли ця сполука розпадається, вона вивільняє фосфати (спін ядра половинний) і кисню (нульовий ядерний спін). Фішер стверджує, що спіни ядер фосфору заплутані і якщо цю квантову заплутаність якимось чином ізолювати від інших квантових взаємодій, вона може існувати досить довго, щоб впливати на процеси пізнання.
Він припускає, що фосфати утворюють молекули Познера, зв'язуючись зі спін-нульовими іонами кальцію, які діють як ефективний екран від зовнішніх взаємодій. Потім молекули Познера потрапляють у нейрони і вивільняють іони кальцію, викликаючи заплутану нейронну активацію.
Звідси питання: чому літій успішно лікує біполярний розлад? Якщо літій замінює центральний іон кальцію в молекулі Познера, то ненульовий спін іона літію сприяє декогеренції і чинить "позитивний" вплив на нейронну активацію.
Можливо, більш дивним щодо літію є те, що багато ізотопів по-різному впливають на материнську поведінку щурів. Аналогічне явище нещодавно було зафіксовано під час впливу ксенону, анестетика. На Лі та його колеги з Хуачжунського університету науки і технології в Ухані виявили, що різні ізотопи ксенону спричиняють непритомність, що видається незвичним: зміна чогось настільки малого, як спін ядра, може призвести до макроскопічних змін на рівні материнського інстинкту, свідомості загалом.
Але що толку?
Програмувальні особливості квантових ефектів за своєю суттю захопливі; є ймовірність того, що ми скоро зрозуміємо, як лікуватимемо розлади мозку і психічні захворювання.
З'ясування того, як саме нейротрансмітери зв'язуються з рецепторами, сприятиме розумінню природи нейронних і нюхових рецепторів, які є однією з основних мішеней більшості фармацевтичних препаратів.
Крім того, визначення того, як квантові ефекти проявляються в мозку, створить принципово новий спосіб медичного втручання, що виходить за рамки суто хімічного впливу. Насамперед у сфері електросудомної терапії (транскраніальне застосування електричних струмів) і магнітної стимуляції ділянок мозку.
Розшифровка ролі світла також може бути корисною, оскільки низка нещодавніх досліджень засвідчила, що воно чинить низку фізіологічних ефектів. Вчені виявили, що креветки, які зазнали впливу антидепресантів на основі серотоніну, частіше шукали світло, що призвело до збільшення випадків хижацтва.
В іншому нещодавньому дослідженні, квантові точки - напівпровідникові наночастинки, здатні випромінювати світло, - були успішно використані для усунення зчеплення білків, пов'язаного з хворобами Паркінсона і Альцгеймера. Водночас було показано, що зір покращується завдяки усуненню пошкоджень мітохондрій за допомогою червоного світла. Фотобіомодуляція - застосування червоного або інфрачервоного лазерного світла - також продемонструвала перспективність у лікуванні різних захворювань мозку, а також у поліпшенні уваги, пам'яті та навчання.
Просвітлення у всіх сенсах цього слова, схоже, може бути не тільки метафорою.
Джерело: physicsworld.com
