Клетки могут выполнять квантовые вычисления. Жизнь на Земле выполнила 10⁶⁰ логических операций

Новое исследование предлагает мнение о том, что биологические системы могут осуществлять вычисления значительно быстрее, чем мы могли бы себе представить.

В своем исследовании физик Филип Куриан, возглавляющий Лабораторию квантовой биологии в Университете Говарда, выдвигает новый, революционный подход к пониманию жизни. Он утверждает, что биологические системы не просто следуют законам квантовой физики, но активно используют их. По его оценкам, жизнь на Земле могла выполнить около 10⁶⁰ элементарных логических операций на протяжении 4,5 миллиардов лет.

Это впечатляющее число ставит под сомнение повседневное восприятие времени. Если бы вы пытались считать до 10⁶⁰, произнося одно число в секунду, вам понадобилось бы больше времени, чем возраст Вселенной в квадрате. Даже при учете операций с самой быстрой временной единицей, планковским временем (5,4×10^-44 секунды), процесс занял бы более 13 миллиардов лет.

«Это исследование объединяет ключевые принципы физики XX века — термодинамику, теорию относительности и квантовую механику — и меняет парадигму в биологических науках», — отметил Куриан.

В прошлом году его команда представила экспериментальные результаты, показывающие, что белковые филаменты цитоскелета, ответственные за поддержание формы клетки, демонстрируют явление «сверхизлучения». Это квантовое явление позволяет молекулам действовать как единое целое, что способствует эффективному перемещению энергии.

Исследование Куриана сосредоточено на триптофане — аминокислоте, способной поглощать ультрафиолетовое излучение и излучать его на более длинных волнах. Эти сети триптофана встречаются в клетках, включая микротрубочки, рецепторы и аксоны.

Сверхизлучающие состояния в триптофановых волокнах могут обрабатывать информацию с невероятной скоростью — до 10 триллионов операций в секунду, что более чем в миллиард раз быстрее традиционных нейронных вычислений.

«Квантовая биология и наши наблюдения за сверхизлучающими эффектами могут открыть новые горизонты для понимания эволюции живых систем», — добавил физик Маджед Шерги, который стал соавтором исследования 2024 года, подтверждающего теорию Куриана.

Биологические вычисления за пределами нейронов

Куриан ставит под сомнение традиционные представления о том, что нейроны являются основными единицами информации. На протяжении многих лет нейробиологи использовали спайковые нейроны как модель для изучения познания, однако это игнорирует большинство организмов на Земле, таких как бактерии, грибы и растения, не имеющие нервной системы.

Куриан утверждает, что эти организмы могут выполнять большинство вычислений, так как их клетки также содержат сверхизлучающие волокна, способные к квантовой сигнализации. «Результаты работы Куриана потрясают», — заметил Шерги.

Поскольку эти организмы существуют миллиарды лет, их вклад в общую «вычислительную историю» жизни на Земле является значительным.

По расчетам Куриана, вся эукариотическая жизнь выполнила примерно 10⁶⁰ логических операций за все время существования Земли. Для сравнения, по оценкам, вся Вселенная выполнила около 10¹²⁰ операций. Это означает, что жизнь на нашей планете могла произвести квадратный корень от всех вычислений во Вселенной.

«Прогнозы Куриана предоставляют количественные границы, которые выходят за рамки уравнения Дрейка, касающегося вычислительных мощностей живых систем на планетах», — прокомментировал Данте Лауретта, планетолог из Университета Аризоны.

Последствия для квантовых вычислений и понимания Вселенной

Работа Куриана привлекла внимание как физиков, так и специалистов в области квантовых технологий. Его исследования показывают, что биологические системы естественным образом выполняют квантовые вычисления с такими показателями исправления ошибок и энергоэффективности, которые превосходят современные искусственные системы.

«Интересно наблюдать, как квантовые технологии и живые системы становятся все более взаимосвязанными», — отметил Николо Дефену, исследователь квантовой физики из Швейцарской высшей технической школы Цюриха.

Хотя на первый взгляд это может показаться противоречивым — современные квантовые компьютеры требуют охлаждения до температур ниже, чем в космосе для сохранения своих квантовых состояний, Куриан предполагает, что конкретные биологические структуры могут защищать и стабилизировать эти состояния даже в сложной среде.

Исследование подтверждает, что сверхизлучающие белковые волокна в аксонах приближаются к квантовому пределу Марголуса-Левитина, превышая его на два порядка.

«И все это происходит в теплом супе! Миру квантовых вычислений следует обратить на это внимание», — добавил Куриан.

От астробиологии до искусственного интеллекта

Эти открытия открывают новые горизонты для понимания жизни за пределами Земли. Триптофан и аналогичные молекулы были обнаружены в межзвездном пространстве, и некоторые астрохимики считают, что они могут быть предшественниками жизни. Если сверхизлучающая квантовая сигнализация действительно является основополагающим свойством этих структур, то идеи Куриана могут изменить подход к поиску жизни на других планетах.

«Важно помнить, что вычисления, выполняемые живыми системами, значительно более эффективны, чем те, что производятся искусственными системами», — отметил Сет Ллойд, пионер квантовых вычислений из Массачусетского технологического института.

Куриан идет дальше, утверждая, что жизнь — это не просто случайный процесс, а явление обработки информации, неразрывно связанное с законами физики. «Хотя эти строгие физические ограничения также применимы к способности жизни воспринимать и моделировать части Вселенной, мы все равно можем исследовать и осмысливать блестящий порядок внутри нее», — заключил он. «Это вдохновляет осознавать, какую роль мы играем».

Данное исследование опубликовано в журнале Science Advances.