Главная Биология Исследования в области квантовой биологии способствуют появлению новых биотехнологий

Биологи: фотоны связывают организм в одну квантовую систему

В тривиальном смысле вся биология является особой разновидностью квантовой механики, так как по своей природе вся материя является квантово-механической: она состоит из атомов и, следовательно, подчиняется физическим законам, впервые формализованными Нильсом Бором в начале 20-го века. Однако основное внимание в квантовой биологии уделяется ключевым эффектам - тем квантовым явлениям, которые не поддаются классическому воображению, таким, как суперпозиция состояний, когерентность, туннелирование и запутывание.

Квантовые эффекты биологических систем

Если мы говорим о квантовых эффектах, то вопрос "где" более прост. Мозг состоит из нервных клеток, дендритов и аксонов. Информация передается в мозг и из мозга путем срабатывания или несрабатывания нейронов. Это процесс, определяемый электрохимическим потенциалом нервной клетки. Такой потенциал зависит от распределения заряженных ионов по клеточной мембране. Для того, чтобы нерв «выстрелил», его потенциал покоя должен быть увеличен до необходимого порогового потенциала. Как этот сигнал передается от одной клетки к другой, до сих пор остается предметом споров, но общепринятая теория гласит, что нейронная связь осуществляется с помощью нейротрансмиттеров, которые выделяются в синаптическую щель и связываются с рецепторами следующей нервной клетки, тем самым изменяя электрохимический градиент и вызывая активацию нейронов.

Измененные состояния сознания

Что может быть лучше для изучения сознания, чем наблюдение за ним в измененных состояниях, например, при помощи анестетиков?

"Единственное, в чем мы уверены, так это то, что сознание растворимо в хлороформе", - рассуждает квантовый биолог Лука Турин из Центра биомедицинских исследований имени Александра Флеминга. Турин отмечает, что химические вещества с анестезирующими способностями имеют структурные свойства, которые сильно отличаются друг от друга.

Анестетики могут связываться с различными цитоплазматическими и мембранными белками. Ученый предполагает, что они способствуют току электронов в белках, поэтому нужно сконцентрироваться на изучении спинов, фактически создающих магнитные свойства квантовых частиц. Турин обнаружил, что под воздействием ксенона, самого простого из всех анестетиков, у плодовых мушек наблюдалось увеличение потока спинов электронов, измеренного с помощью электронного спинового резонанса. Впрочем, происхождение сигнала до сих пор остается спорным.

Что такое квантовая биология?

Читайте Альтернативная Наука на Google News

Участие анестетиков в электронных свойствах биологических систем не является абсолютно новым открытием, теория была еще изложена анестезиологом Хамероффом в дополнении к Orch OR. Новым является прогресс, достигнутый в понимании того, как квантовые эффекты способствуют процессам электронного переноса в биологических системах. Так, в фотосинтезе есть некоторые доказательства того, что при движении энергии через структуры, составляющие фотосинтетическую сеть, возникают некоторые квантовые эффекты, такие, как когерентность. В частности, ряд структур обеспечивают когерентную передачу, - таким образом хромофоры придают им «природный» цвет. В то же время исследования показывают, что вместо того, чтобы перемещаться между дискретными энергетическими уровнями хромофоров, энергия может распределяться или делокализоваться по нескольким хромофорам одновременно.

В контексте квантового сознания интересно то, что нервные клетки содержат такие структуры, как микротрубочки и митохондрии, поддерживающие когерентную энергию.

Роль биофотонов

Роль биофотонов в мозге является растущей областью исследований в нейробиологии - там, где есть фотоны, может существовать квантовая механика. Бетони Адамс и Франческо Петруччионе исследуют эту развивающуюся и спорную область квантовой биофизики.

Передача энергии происходит так же, как при фотосинтезе. Микротрубочки являются частью цитоскелета эукариотических клеток (клетки с ядром, заключенным в оболочку, встречаются у растений и животных) и некоторых прокариотических клеток (клетки без оболочки ядра, из которых состоят археи и бактерии). Они обеспечивают форму и структуру, играют важную роль в делении клеток, а также в движении белков. Они состоят из полимеров тубулина, внутри которых находятся хромофоры, аналогичные тем, которые встречаются в фотосинтетических сетях. Хромофоры также встречаются в митохондриях - энергетических станциях клетки. Некоторые исследователи предполагают, что анестетики нарушают когерентные энергетические процессы, что отражается на изменении сознания.

Кроме того, недавнее исследование предполагает связь между интеллектом и частотой биофотонов в мозге животных. В 2016 году Чжуо Ванг и его коллеги из Южно-центрального университета Китая изучали срезы мозга различных животных (лягушки-быка, мыши, курицы, свиньи, обезьяны и человека), которые были возбуждены глутаматом. Они обнаружили, что рост интеллекта связан со смещением частоты биофотона в красную часть спектра. Так что света разума точно не голубой, как писала Сильвия Плат.

Конечно, неясно, что на самом деле является мерой интеллекта, поэтому исследование вызвало критику, в первую очередь, за отсутствие объяснительного механизма; корреляция, как гласит мантра, не означает причинно-следственную связь. Однако изучение роли биофотонов — от ультрафиолетового до инфракрасного диапазонов в биологических системах - является наиболее перспективной областью в нейробиологии.

Свет имеет символическое значение для человечека. Он присутствует в искусстве, религии, литературе и даже в том, что мы называем "просветление" и "видение света". Кажется вполне уместным, что он может играть и физиологическую роль. Как именно свет участвует в сигнальных процессах центральной нервной системе и в ее эмерджентном свойстве — сознании - пока неясно.

Фотоны, в конце концов, неразрывно связаны с рождением квантовой механики: Нобелевская премия Альберта Эйнштейна 1921 года была присуждена не за теорию относительности или другие открытия, а за его объяснение фотоэлектрического эффекта. Он предположил, что свет, который ведет себя как непрерывная волна, может распространяться в виде дискретных пакетов, или квантов, называемых фотонами. Далее описания Максом Планком черного тела, новая модель атома Нильса Бора, исследования Артура Комптона в области рентгеновского излучения, предположения Луи де Бройля о том, что материя обладает волнообразными свойствами, положили начало квантовой эры.

Квантовые эффекты в мозге

Хотя странности квантовой теории привели к появлению некоторых псевдонаучных интерпретаций сознания, ученые не спешат связывать эти два понятия воедино. То, что оба предмета сложны для понимания, не означает, что они обязательно дополняют друг друга.

Первая подробная теория квантового сознания появилась в 1990-х годах благодаря лауреату Нобелевской премии по физике Роджеру Пенроузу из Оксфордского университета и анестезиологу Стюарту Хамероффу из Аризонского университета. Их теория "оркестрованной объективной редукции" претерпела ряд изменений с момента своего появления, но в целом сводится к следующему: квантовые вычисления в клеточных структурах, микротрубочки, влияют на «стрельбу» нейронов и, как следствие, на человеческое сознание.

Роджер Пенроуз, автор первой теории квантового сознания

Теория вызвала ряд критических замечаний, но, возможно, самое разрушительное вытекает из фундаментальных постулатов квантовой теории.

Квантовая система - тонкая вещь. Обычно квантовые эффекты наблюдаются при низких температурах, когда эта система изолирована от разрушительных взаимодействий с окружающей средой. Казалось бы, это освобождает квантовые эффекты от какой-либо роли в суетливых живых систем. Биологические системы работают при физиологических температурах и неизбежно связаны с окружающей средой. Как подсчитал физик Макс Тегмарк из Принстонского университета в 2000 году, квантовые эффекты не сохранятся достаточно долго, чтобы оказать какое-либо влияние на гораздо более медленные скорости, то есть теория Пенроуза-Хамероффа как бы неверна.

Однако это ограничение было смягчено исследованиями, проведенными в более широкой области квантовой биологии. Применение квантовой теории в биологическом контексте было наиболее успешным в отношении фотосинтеза. К тому же исследования птичьего компаса, обоняния, ферментов и даже ДНК позволяют предположить, что квантовые эффекты могут быть задействованы в функционировании биологических организмов в более широком смысле.

Измененные состояния

В квантовой биологии важную роль играют квантовые эффекты суперпозиции, когерентности и декогерентности, туннелирования и запутывания.

Математически физическая система, например, атом или фотон, описывается квантовым состоянием, которое содержит всю информацию о ней. Суперпозиция - это свойство квантового мира, которое позволяет физической системе существовать в двух или более квантовых состояниях, пока не произведено измерение. Это неинтуитивное явление привело Эрвина Шредингера к знаменитому вездесущему мысленному эксперименту, в котором кот в коробке одновременно жив и мертв, пока наблюдатель находится вне самой коробки. Квантовая когерентность количественно определяет взаимосвязь состояний в суперпозиции. Ее аналог, декогеренция, описывает потерю таких квантовых эффектов.

Квантовое туннелирование, между тем, подразумевает прохождение частицы через энергетический барьер, несмотря на отсутствие энергии, необходимой для преодоления барьера, как это представляется классической физикой. Данное явление не до конца изучено теоретически, однако оно лежит в основе практических технологий - от сканирующей туннельной микроскопии до флэш-памяти.

Наконец, квантовая запутанность позволяет двум частицам обладать более тесными связями, чем предсказывает классическая физика. На протяжении многих лет она играла центральную роль в квантовой криптографии, квантовой телепортации и информации. За последнее десятилетие физики смогли передать пары запутанных фотонов на большие расстояния, как по воздуху, так и по оптическому волокну.

Компас мозга

Некоторые животные способны ощущать магнитное поле Земли, но как именно они это делают, вопрос остается открытым. Согласно общепринятой гипотезе, птицы используют квантовые эффекты для совершения своих навигационных подвигов. Этот квантовый компас называется механизмом радикальных пар и основан на взаимодействии спина электрона с геомагнитным полем. Радикальная пара - это пара электронов, спины которых коррелируют, существуя в суперпозиции двух различных состояний. Соотношение этих состояний определяется магнитным полем, в результате чего при различных выравниваниях в этом поле химическая сигнатура отличается. Спин-зависимый компас находится в криптохромах, которые активируются синим светом, поступающим из окружающей среды.

Причины миграции птиц

До недавнего времени не было убедительных доказательств того, что люди обладают магнитным чувством. Однако новый эксперимент, проведенный Квон-Сеок Че и командой из Национального университета Кюнгпук в Корее, невероятным образом показал, что голодающие могут ощущать геомагнитное поле, ориентируясь на запомненное местоположение пищи, и эта ориентация, по-видимому, зависит от синего света.

Конни Ванг из Калифорнийского технологического института (США) и ее коллеги также показали, что изменения напряженности магнитного поля Земли вызывают у людей изменения альфа-волн мозга - колебаний нейронной активности в диапазоне 8-12 Гц. Как данный эффект использует организм на практике - неизвестно.

В отдельных исследованиях изменения в альфа-волнах связывались с колебаниями биофотонов, косвенно измеряемых по колебаниям реактивных видов кислорода, которые играют определенную роль в клеточной коммуникации и отвечают за многочисленные телесные проблемы. Они связаны со старением, болезнями и депрессией. Поэтому антиоксиданты широко рекламируются как полезные для здоровья вещества.

Исследования также продемонстрировали, как опосредованные магнитным полем изменения в спиновой динамике механизма радикальных пар приводят к увеличению реактивных видов кислорода. Можно предположить, что люди используют механизм радикальных пар в важнейших клеточных функциях. Что именно это означает, пока неясно. Потенциально это поможет объяснить физиологические и психологические последствия геомагнитных бурь, одним из которых является увеличение числа самоубийств.

Нейронная запутанность

Спиновая динамика, а также поведение квантовых частиц в магнитном поле лежат в основе другой теории, которая предполагает, что квантовые эффекты корректируют познание. В этом случае спины принадлежат не электронам, а ядрам. Ядра могут иметь особенно длительное время жизни когерентности, то есть их квантовые эффекты сохраняются на протяжении достаточно длительного времени, чтобы играть роль в нейронном возбуждении и даже, возможно, в функции памяти.

Что такое нейронная запутанность?

Физик Мэтью Фишера из Калифорнийского университета резонно предположил, что спин-запутаные молекулы Познера способны привести к тому, что нервы будут «стрелять» коррелированно. Клеточные процессы протекают за счет энергии, которую обеспечивает аденозинтрифосфат. Когда это соединение распадается, оно высвобождает фосфаты (спин ядра половинный) и кислорода (нулевой ядерный спин). Фишер утверждает, что спины ядер фосфора запутаны и если эту квантовую запутанность каким-то образом изолировать от других квантовых взаимодействий, она может существовать достаточно долго, чтобы оказывать влияние на процессы познания.

Он предполагает, что фосфаты образуют молекулы Познера, связываясь со спин-нулевыми ионами кальция, которые действуют как эффективный экран от внешних взаимодействий. Затем молекулы Познера попадают в нейроны и высвобождают ионы кальция, вызывая запутанную нейронную активацию. Отсюда вопрос: почему литий успешно лечит биполярное расстройство? Если литий заменяет центральный ион кальция в молекуле Познера, то ненулевой спин иона лития способствует декогеренции и оказывает «позитивное» влияние на нейронную активацию.

Возможно, более удивительным в отношении лития является то, что многие изотопы оказывают различное влияние на материнское поведение крыс. Аналогичное явление недавно было зафиксировано при воздействии ксенона, анестетика. На Ли и его коллеги из Хуачжунского университета науки и технологии в Ухане обнаружили, что разные изотопы ксенона вызывают потерю сознания, что кажется необычным: изменение чего-то столь малого, как спин ядра, может привести к макроскопическим изменениям на уровне материнского инстинкта, сознания в целом.

Но что толку?

Программирующие особенности квантовых эффектов по своей сути увлекательны; есть вероятность того, что мы скоро поймем, как будем лечить расстройства мозга и психические заболевания.

Выяснение того, как именно нейротрансмиттеры связываются с рецепторами, будет способствовать пониманию природы нейронных и обонятельных рецепторы, которые являются одной из основных мишеней большинства фармацевтических препаратов. Кроме того, определение того, как квантовые эффекты проявляются в мозге, создаст принципиально новый способ медицинского вмешательства, выходящий за рамки чисто химического воздействия. Прежде всего в области электросудорожной терапии (транскраниальное применение электрических токов) и магнитной стимуляции участков мозга.

Расшифровка роли света также может быть полезной, поскольку ряд недавних исследований показали, что он оказывает ряд физиологических эффектов. Ученые обнаружили, что креветки, подвергшиеся воздействию антидепрессантов на основе серотонина, чаще искали свет, что привело к увеличению случаев хищничества.

В другом недавнем исследовании, квантовые точки - полупроводниковые наночастицы, способные излучать свет, - были успешно использованы для устранения сцепления белков, связанного с болезнями Паркинсона и Альцгеймера. В то же время было показано, что зрения улучшается благодаря устранению повреждений митохондрий с помощью красного света. Фотобиомодуляция - применение красного или инфракрасного лазерного света - также продемонстрировала перспективность в лечении различных заболеваний мозга, а также в улучшении внимания, памяти и обучения.

Просветление во всех смыслах этого слова, похоже, может быть не только метафорой.

Дата: 2021-05-15

Автор: Всеволод Гордиенко

Поделиться с друзьями: