کشف رایانش کوانتومی در مغز؛ جایی که نور فکر می‌ کند_صبح سریع

پژوهشگران با بازدید ساختار‌های پروتئینی غنی از تریپتوفان در مغز، به شواهدی از حرکت‌های کوانتومی از جمله اَبَرپرتوافشانی (superradiance) دست یافته‌اند؛ رفتاری که می‌تواند نشانگر وجود شبکه‌های پردازش اطلاعات کوانتومی در سلول‌های زنده باشد.

در حالی‌که رایانش کوانتومی تا بحال محدود به سیستم‌های زیاد سرد و کنترل‌شده‌ای همانند رایانه‌های کوانتومی بوده، پژوهشی تازه مشخص می کند که مولکول‌های تریپتوفان، هنگامی در ساختار‌های منظم و پیچیده‌ای همانند میکروتوبول‌ها، سانتریول‌ها و خوشه‌های نورونی کنار هم قرار می‌گیرند، رفتاری از خود نشان خواهند داد که تا پیش از این فقط در مقیاس‌های اتمی مشاهده شده می بود.

به حرف های فیلیپ کوریَن، بنیان‌گذار آزمایشگاه زیست‌شناسی کوانتومی در دانشگاه هاوارد، این شبکه‌های مولکولی نه‌تنها توانایی محافظت از سلول‌ها در برابر صدمه‌های اکسایشی را دارند، بلکه امکان پذیر اطلاعات را با سرعتی زیاد فراتر از فکر منتقل کنند.

اتفاق‌ای کوانتومی در جهانی پر از نویز

فیزیک کوانتومی طبق معمولً به دنیای اجسام ریز، سرد و منزوی تعلق دارد. اما بدن موجودات زنده، محیطی گرم، شلوغ و پر از اغتشاش‌های شیمیایی است. با این حال، گروه کورین در پژوهشی منتشرشده در مجله Science Advances نشان داده‌اند که ساختار‌های زنده نیز می‌توانند از اتفاق‌هایی همانند اَبَرپرتوافشانی منفعت ببرند؛ رفتاری جمعی که در آن مولکول‌ها با همدیگر هماهنگ می‌درخشند و انرژی تابشی را با کارایی زیاد بیشتری آزاد می‌کنند.

تریپتوفان یک آمینواسید متفاوت

تریپتوفان، برخلاف تعداد بسیاری از آمینواسیدها، دارای ساختار حلقه‌ای خاصی به نام «ایندول» است که توانایی جذب نور فرابنفش و تابش مجدد آن با طول‌موج متفاوت را دارد. این ویژگی، آن را به ابزار محبوبی در مطالعات طیف‌سنجی پروتئینی تبدیل کرده است. تریپتوفان در محل‌هایی کلیدی از جمله غشای سلول‌ها، پروتئین‌های نوری، هموگلوبین و اسکلت سلولی یافت می‌شود.

گروه پژوهشی با مطالعه ساختار‌هایی حاوی بیشتر از ۱۰۰٬۰۰۰ مولکول تریپتوفان دریافتند که هرچه نظم در ساختار زیاد تر باشد، حرکت کوانتومی نیز نیرومندتر ظاهر می‌شود. دلنشین‌تر آنکه حتی با تشکیل بی‌نظمی در ساختارها، اثرات کوانتومی در دمای معمول زیستی پابرجا باقی می‌همانند.

نور کوانتومی در خدمت حیات

یکی از نتایج مهم این پژوهش، کشف نقش احتمالی این شبکه‌ها در فرآیند محافظت نوری (photoprotection) است. در زمان تنفس هوازی، سلول‌ها گونه‌های اکسیژن فعال (ROS) تشکیل می‌کنند که می‌توانند به DNA و دیگر ساختار‌های سلولی صدمه برسانند. شبکه‌های تریپتوفانی، با جذب این فوتون‌های پرانرژی و بازتاب آنها به طور نور کم‌انرژی، می‌توانند از سلول محافظت کنند.

اما اتفاق اَبَرپرتوافشانی علتمی‌شود این فرآیند محافظتی، نه در میلی‌ثانیه بلکه در پیکوثانیه (یعنی نزدیک به یک میلیارد برابر سریع تر) رخ دهد. این شدت در انتقال سیگنال‌ها، اگر در مغز نیز فعال باشد، می‌تواند مفهوم انتقال اطلاعات عصبی را دگرگون کند.

در مطالعه‌ای دیگر، تیم کوریَن محاسبه کرده که شبکه‌های کوانتومی زیستی در طول تاریخ حیات، امکان پذیر اطلاعاتی هم‌سنگ کل ماده در کیهان پردازش کرده باشند.

عکس العمل‌ها: تحسین و چشم‌انداز‌های تازه

ست لوید از MIT، از پیشگامان رایانش کوانتومی، با تحسین این یافته‌ها او گفت: «یادآوری این که سیستم‌های زنده امکان پذیر زیاد پرقدرت از سامانه‌های مصنوعی پردازش کنند، زیاد مهم است.»

از نظر دیگر، دانشمندانی از ETH زوریخ و مرکز اخترزیست‌شناسی آریزونا نیز بر اهمیت این یافته‌ها در فهمیدن حیات، چه در زمین و چه در سیارات فراخورشیدی پافشاری کرده‌اند.

ورای مغز: کوانتوم در حیات غیرعصبی

زیاد تر دقت‌ها به مغز انسان معطوف است، اما کوریَن یادآور می‌شود که عمده زیست‌توده زمین، فاقد سیستم عصبی است. باکتری‌ها، گیاهان و تک‌سلولی‌ها نیز امکان پذیر از همین مکانیزم‌های کوانتومی منفعت ببرند. حتی شواهدی از وجود این حرکت‌ها در سیارک‌ها و محیط بین‌ستاره‌ای گزارش شده که می‌تواند کلید فهمیدن پیدایش حیات باشد.