Почти «Автостопом по галактике»: жизнь на Земле работает как квантовый компьютер и уже провела 10⁶⁰ логических операций
Клетки могут выполнять квантовые вычисления.
Восемьдесят лет назад физик Эрвин Шредингер задал простой, но глубокий вопрос: что такое жизнь? В своих лекциях в Дублине, позже опубликованных как книга, он предположил, что квантовые принципы могут лежать в основе организации живых организмов. Сегодня, в 2025 году — Международный год квантовой науки и технологий, — физик Филипп Курьян предлагает радикальный ответ, который может изменить наше понимание биологии. Об этом рассказывает ZME Science.
В своей исследовательской работе, опубликованной в журнале Science Advances, Курьян, директор Квантовой биологической лаборатории при Говардском университете, утверждает, что жизнь не только подчиняется законам квантовой физики, но и использует их. По его подсчетам, за 4,5 млрд лет существования жизни на Земле было выполнено примерно 10⁶⁰ элементарных логических операций. Это число настолько огромное, что представить его сложно: если считать по одной операции в секунду, понадобилось бы больше времени, чем возраст Вселенной, умноженный на себя. Даже за самый короткий физически значимый промежуток времени — планковский (5,4×10⁻⁴⁴ с) — это заняло бы более 13 млрд лет.
«Эта работа объединяет основы двадцатого века — термодинамику, относительность и квантовую механику — для революции в биологических науках», — отмечает Курьян.
Суперадиация: микроскопические вычислители жизни
Исследование Курьяна начинается с клеточного уровня. В 2024 году его команда опубликовала экспериментальные данные, которые показали, что цитоскелетные белковые волокна — волокнистые структуры, поддерживающие форму клеток, — проявляют «суперадиацию», квантовое явление, при котором частицы действуют как единое целое. Такая когерентность позволяет энергии двигаться с невероятной эффективностью через большие группы молекул.
Особое внимание уделено триптофану — аминокислоте, которая поглощает ультрафиолетовый свет и излучает его на более длинных волнах. Сети триптофана широко распространены в живых организмах, в частности в микротрубочках, рецепторах и аксонах. Суперадиационные состояния в этих волокнах обрабатывают информацию со скоростью около 10 трлн операций в секунду — это в миллиард раз быстрее, чем традиционные модели нейронных вычислений, основанные на потенциалах действия.
«Квантовая биология, в частности наши наблюдения суперадиационных признаков с помощью стандартных методов спектроскопии белков, открывает новые горизонты для понимания эволюции живых систем», — добавляет физик Маджед Шергуй, соавтор экспериментального исследования 2024 года.
За пределами мозга: скрытый код аневральных организмов
Одна из самых спорных идей Курьяна — то, что биологические вычисления не начинаются с нейронов. Долгое время нейрофизиологи моделировали когницию, опираясь на спайковые нейроны как основные единицы информации. Однако такие модели игнорируют большую часть жизни на Земле — организмы без нервной системы, такие как бактерии, грибы или растения.
Курьян утверждает, что именно эти аневральные организмы могут выполнять основную часть вычислений жизни. Их клетки также содержат суперадиационные волокна, способные к квантовой сигнализации.
«Последствия этих идей впечатляют», — отмечает Шергуй. Поскольку эти организмы существуют миллиарды лет, их вклад в общую «вычислительную историю» жизни огромен.
Квантовые вычисления и Вселенная
Работа Курьяна привлекла внимание физиков и специалистов по квантовым вычислениям. Его подсчеты указывают, что биологические системы уже выполняют квантовые вычисления с показателями коррекции ошибок и энергоэффективностью, которые превосходят даже самые современные искусственные системы.
«Интересно наблюдать, как растет связь между квантовыми технологиями и живыми системами», — говорит Николо Дефену, квантовый исследователь из ETH Цюрих. Хотя современные квантовые компьютеры требуют охлаждения до температур ниже космического пространства, Курьян доказывает, что биологические структуры могут естественным образом защищать квантовые состояния в теплом и хаотичном окружении.
Исследование показывает, что суперадиационные белковые волокна в аксонах приближаются к пределу Марголуса-Левитина — квантовому лимиту скорости эволюции систем.
«И все это в теплом "супе"! Мир квантовых вычислений должен обратить на это внимание», — подчеркивает Курьян.
От астробиологии до искусственного интеллекта
Открытие имеет значение не только для Земли. Триптофан и подобные молекулы обнаружены в межзвездном пространстве, и некоторые астрохимики считают их предшественниками жизни. Если квантовая сигнализация является фундаментальным свойством этих структур, идеи Курьяна могут повлиять на поиск жизни на других планетах.
«Хорошо напоминать, что вычисления живых систем значительно мощнее искусственных», — отмечает Сет Ллойд, пионер квантовых вычислений из MIT. Курьян идет дальше, утверждая, что жизнь — это не случайный процесс, а явление, тесно связанное с физическими законами Вселенной.
«Хотя эти строгие физические пределы ограничивают способность жизни отслеживать, наблюдать и моделировать части Вселенной, мы все равно можем исследовать и понимать его удивительный порядок», — подытоживает Курьян.
Больше новостей читайте на GreenPost.
