Στο Pursuit of Quantum Biology με την Birgitta Whaley

Ως προπτυχιακός στο Πανεπιστήμιο της Οξφόρδης στα μέσα της δεκαετίας του 1970, η K. Birgitta Whaley πάλευε να επιλέξει μεταξύ της χημείας και της φυσικής. Τώρα, ως καθηγήτρια στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια, στο Μπέρκλεϋ, και διευθύντρια του Κβαντικού Κέντρου Πληροφοριών και Υπολογιστών, δεν χρειάζεται:Τα ερευνητικά της ενδιαφέροντα να καλύπτουν όλα τα κβαντικά πεδία, συμπεριλαμβανομένης της χημείας και της φυσικής, καθώς και της επιστήμης των υπολογιστών και η πιο πρόσφατη ενασχόλησή της, η κβαντική βιολογία, όπου η φυσική συναντά τις επιστήμες της ζωής.

Η Whaley έστρεψε την προσοχή της στη βιολογία το 2007 αφού πειραματιστές απέδειξαν ότι τα βακτήρια του πράσινου θείου μπορούν να συνθέσουν ζάχαρη από το φως ελέγχοντας βιολογικά τις κβαντομηχανικές επιδράσεις σε θερμοκρασίες έως και 80 βαθμούς Φαρενάιτ. Ως θεωρητικός, η Whaley ενδιαφέρεται να μάθει πώς αυτοί οι ζωντανοί οργανισμοί μπορούν να επεξεργάζονται κβαντικές πληροφορίες τόσο αποτελεσματικά, επειδή αναζητά στοιχεία για το πώς να σχεδιάσει έναν ισχυρό κβαντικό υπολογιστή. Αλλά σε αντίθεση με τα πράσινα βακτήρια, τα οποία μπορούν να επεξεργάζονται κβαντικές πληροφορίες σε θερμοκρασία δωματίου στη φύση, τα καλύτερα πρωτότυπα κβαντικών υπολογιστών μας περιορίζονται στον έλεγχο των κβαντικών επιδράσεων στο εργαστήριο σε θερμοκρασίες που πλησιάζουν στο απόλυτο μηδέν.

Προχωρώντας πέρα ​​από τα απλά βακτήρια, τα πουλιά πιστεύεται τώρα ότι χαρτογραφούν τα ταξίδια τους χρησιμοποιώντας την κβαντική μηχανική και αυτό μπορεί να έχει εφαρμογές στην κβαντική επιστήμη.

Η βιολογία αναδύεται από τη χημεία, η οποία με τη σειρά της προκύπτει από το πώς τα άτομα και τα μόρια αλληλεπιδρούν στα μικροσκοπικά βασίλεια που διέπονται από κβαντικές πιθανότητες. Το βασικό εργαλείο της κβαντικής μηχανικής είναι η κυματική εξίσωση που δημοσιεύτηκε το 1926 από τον Erwin Schrödinger, η οποία χρησιμοποιείται για να απαριθμήσει όλες τις ιδιότητες ενός συγκεκριμένου κβαντικού αντικειμένου ή συστήματος, όπως ολόκληρο το εύρος των μη ταυτόσημων χωρικών θέσεων που μπορεί ένα μεμονωμένο ηλεκτρόνιο καταλαμβάνουν ταυτόχρονα. Αυτή η αντι-διαισθητική, αλλά καλά αποδεδειγμένη, ικανότητα ενός ατομικού σωματιδίου ή βιολογικού μορίου να κατοικεί ταυτόχρονα σε πολλά μέρη, χρόνους ή ενεργειακές καταστάσεις ονομάζεται υπέρθεση.

Μια άλλη σημαντική έννοια στην κβαντική βιολογία είναι η εμπλοκή. Λέγοντας ότι δύο ή περισσότερα ατομικά σωματίδια είναι μπλεγμένα σημαίνει ότι πληροφορίες μπορούν να μεταφερθούν μεταξύ τους ακαριαία, ανεξάρτητα από το πόσο μακριά βρίσκονται μεταξύ τους, ακόμη και έτη φωτός. (Όμως για να κατανοήσει τις μεταφερόμενες πληροφορίες, ένας παρατηρητής θα πρέπει επίσης να λάβει κάποιες οδηγίες αποκωδικοποίησης που θα μπορούσαν να μεταδοθούν μόνο με ή κάτω από την ταχύτητα του φωτός).

Και μετά υπάρχει η εντροπία:η τάση των μεμονωμένων συστημάτων να προσεγγίζουν τη στάση (κατάσταση θερμικού θανάτου ή μέγιστης διαταραχής). Στο βιβλίο του το 1944, «Τι είναι η ζωή;», ο Σρέντινγκερ εστίασε στο πώς οι οργανισμοί, όπως οι μύγες των φρούτων, χρησιμοποιούν κβαντομηχανικά αποτελέσματα για να καταπολεμήσουν την εντροπία παράγοντας τάξη από την αταξία.

Σκεφτείτε ότι η τάξη αποτελείται από τον τρόπο με τον οποίο οι μονάδες πληροφοριών ή οι ποσότητες ενέργειας διατάσσονται μέσα σε ένα κλειστό σύστημα:Καθώς η ενέργεια σε ένα σύστημα διαχέεται, η πληροφορία χάνεται στο σύστημα καθώς εμφανίζεται η διαταραχή. Αλλά η ικανότητα ενός κλειστού συστήματος να αυξάνει πληροφορίες ή ενεργειακό περιεχόμενο με την πρόσβαση στο περιβάλλον του ισοδυναμεί με αποκατάσταση της τάξης. Ο Schrödinger ονόμασε τη διαδικασία της αναδιάταξης της ενέργειας σε ένα σύστημα «αρνητική εντροπία». Έγραψε ότι ο αγώνας της ζωής «συνίσταται στο να ρουφάει συνεχώς την τάξη από το περιβάλλον».

Το να μάθετε πώς να ελέγχετε τις υπερθέσεις και τις εμπλοκές χωρίς να χάνετε πληροφορίες από το περιβάλλον είναι sine qua non για την κατασκευή ενός βιώσιμου κβαντικού επεξεργαστή που μπορεί να εκτελέσει υπολογισμούς χρησιμοποιώντας συστοιχίες ατόμων και μορίων ως τρανζίστορ. Ο Whaley έχει μεγάλες ελπίδες ότι οι συνεχείς ανακαλύψεις στον αναπτυσσόμενο τομέα της κβαντικής βιολογίας θα οδηγήσουν σε έναν επαναστατικό σχεδιασμό για νέες κβαντικές συσκευές.

Τον Μάρτιο, ο Whaley εξήγησε τις βασικές αρχές του κβαντικού ελέγχου των βιολογικών συστημάτων σε μια συγκέντρωση καθηγητών γυμνασίου στο Ινστιτούτο Θεωρητικής Φυσικής Kavli στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια στη Σάντα Μπάρμπαρα. Πιο πρόσφατα, συμμετείχε σε μια δίωρη συνέντευξη στο Quanta Magazine. Αυτή είναι μια συνοπτική και επεξεργασμένη έκδοση αυτής της συνομιλίας.

ΠΕΡΙΟΔΙΚΟ QUANTA:Είναι η κβαντική βιολογία ένα νέο πράγμα ή ένα παλιό νέο πράγμα;

K. BIRGITTA WHALEY:Το βιβλίο βιοφυσικής του Schrödinger "What is Life?" εμφανίστηκε χρόνια πριν από την ανακάλυψη της ατομικής δομής του DNA. Σε αυτό, υποστήριξε ότι η κβαντική φυσική διέπει την εξέλιξη των «γονιδιακών μορίων» που περιέχουν τον «κώδικα» για τη ζωή. Και πρότεινε ότι επειδή τα ζωντανά συστήματα υπόκεινται σε εντροπία και αποσύνθεση, πρέπει να αντλούν συνεχώς ενέργεια από το κβαντικό περιβάλλον τους ή να πεθάνουν.

Για να στηρίξει τα επιχειρήματά του, ο Schrödinger έκανε εκτενή χρήση της πειραματικής έρευνας που διεξήχθη από τον Max Delbrück κατά τη διάρκεια της δεκαετίας του 1930. Ο Ντελμπρούκ ήταν ένας φυσικός που έγινε βιολόγος και αναγνώρισε ότι η χημική σταθερότητα του έμψυχου υλικού καθορίζεται από το γεγονός ότι τα οργανικά μόρια πρέπει να υπερπηδήσουν ενεργειακούς φραγμούς για να συμβούν οι αντιδράσεις της ζωής. Το ύψος αυτών των ενεργειακών φραγμών καθορίζεται από τις κβαντικές αλληλεπιδράσεις μεταξύ των ηλεκτρονίων, των ατόμων και των μορίων που συνθέτουν τη μορφή ζωής.

Πώς έγινε αυτό στο εργαστήριο;

Ο Ντελμπρούκ βομβάρδισε συστάδες χρωμοσωμάτων μύγας φρούτων με ακτίνες Χ για να προκαλέσει και να μελετήσει τα ποσοστά γενετικής μετάλλαξης, αλλά οι ανιχνευτές του δεν επέτρεψαν την εξερεύνηση της κβαντικής δυναμικής της ατομικής κλίμακας σε πραγματικό χρόνο. Η εμφάνιση των λέιζερ τη δεκαετία του 1960 το κατέστησε δυνατό. Τώρα, μετράμε διασταυρούμενους παλμούς φωτός λέιζερ με φασματόμετρα για να παρακολουθήσουμε τη μοριακή δυναμική των βιολογικών αντικειμένων σε πραγματικό χρόνο, όπως μετράται σε τετράδιστη του δευτερολέπτου.

Ανιχνεύοντας τη χημεία των φυτών με λέιζερ, μπορούμε να παρατηρήσουμε την αλληλεπίδραση μεταξύ των κβαντικών συστατικών στους ζωντανούς οργανισμούς και του τοπικού τους περιβάλλοντος, του περιβαλλοντικού «λουτρού». Αλλά ένα «ανοιχτό» κβαντικό σύστημα και το λουτρό του σε έναν ζωντανό οργανισμό δεν είναι πραγματικά ξεχωριστά. επηρεάζουν συνεχώς ο ένας τον άλλον ανταλλάσσοντας ποσότητες ενέργειας και πληροφοριών εμπρός και πίσω.

Τι σας προσέλκυσε στην κβαντική βιολογία;

Συνεπλάθηκα πριν από έξι χρόνια αφού το θεαματικό πείραμα του Γκράχαμ Φλέμινγκ έδειξε την ύπαρξη κβαντικής συνοχής κατά τη φωτοσύνθεση σε υπερψυκτικά βακτήρια πράσινου θείου. Τα επόμενα πειράματα παρακολούθησαν κβαντικές αλληλεπιδράσεις σε θερμοκρασίες περιβάλλοντος.

Τι είναι η κβαντική συνοχή;

Η συνοχή είναι η συντονισμένη δυναμική των κβαντικών καταστάσεων, είτε με τον εαυτό τους σε διαφορετικούς χρόνους και τόπους είτε με άλλες καταστάσεις. Το αντίθετο της συνοχής είναι η αποσυνοχή:Όταν μεμονωμένα κβαντικά συστήματα ανοίγουν και αλληλεπιδρούν ενεργειακά με το ατομικό τους περιβάλλον, αποσυντονίζονται γρήγορα:Χάνουν την κβαντομηχανική εναρμονισμένη φύση τους - τη συνοχή τους - και αρχίζουν να συμπεριφέρονται κλασικά, μακροσκοπικά. Η αποσυνοχή είναι το κύριο εμπόδιο στην κατασκευή ενός κβαντικού υπολογιστή.

Γιατί;

Μηχανή ή φυτό, είναι δύσκολο να κρατηθεί ένα κλειστό κβαντικό σύστημα απομονωμένο από το λουτρό του — ή έτσι πιστεύαμε μέχρι που οι πειραματιστές άρχισαν να πιάνουν συμβάντα συνοχής σε πραγματικό χρόνο στη φωτοσύνθεση. Είδαν συνεκτικές υπερθέσεις ηλεκτρονικών διεγέρσεων στα βακτήρια.

Τι είναι η κβαντομηχανική στη φωτοσύνθεση;

Στη φωτοσύνθεση, τα βακτήρια και τα φυτά μετατρέπουν το ηλιακό φως σε ηλεκτρόνια και στη συνέχεια σε χημική ενέργεια. Εδώ είναι το μοντέλο:Τα φωτόνια απορροφώνται πρώτα από μόρια χλωροφύλλης που είναι ενσωματωμένα σε πρωτεϊνικά ικριώματα. Αυτές οι «κεραίες» συλλογής φωτός μεταδίδουν αυτή τη φωτονική ενέργεια ως διεγέρσεις ηλεκτρονίων μέσω μιας σειράς κβαντικών μηχανικά συνδεδεμένων μορίων χλωροφύλλης σε μια τοποθεσία αντίδρασης όπου η παγιδευμένη ενέργεια καταλύει την παραγωγή σακχάρων που αποθηκεύουν ενέργεια.

Μέχρι τα πειράματα του Φλέμινγκ, θεωρούνταν ότι στη συλλογή φωτός, οι διεγέρσεις των ηλεκτρονίων διαχέονταν τυχαία, αναποτελεσματικά, μέσω της δομής της κεραίας, χάνοντας μεγάλο μέρος της ηλιακής εισόδου που συλλαμβάνονταν κατά τη διάρκεια μιας περιπλανώμενης διαδικασίας μετάδοσης.

Μπορούμε τώρα να δείξουμε ότι μια απλή ηλεκτρονική διέγερση που ενεργεί ως κύμα πλάτους πιθανότητας μπορεί ταυτόχρονα να δειγματίσει τις διάφορες μοριακές διαδρομές που συνδέουν τις κυψέλες της κεραίας με το κέντρο αντίδρασης. Η διέγερση «επιλέγει» αποτελεσματικά την πιο αποτελεσματική διαδρομή από την επιφάνεια του φύλλου στην τοποθεσία μετατροπής ζάχαρης από ένα κβαντικό μενού πιθανών μονοπατιών. Αυτό απαιτεί όλες οι πιθανές καταστάσεις του ταξιδιού σωματιδίου να υπερτίθενται σε μια ενιαία, συνεκτική κβαντική κατάσταση για δεκάδες femtoseconds.

Έχουμε δει αυτό το αξιοσημείωτο φαινόμενο στα βακτήρια του πράσινου θείου, αλλά οι άνθρωποι δεν έχουν ακόμη καταλάβει πώς η φύση μπορεί να σταθεροποιήσει μια συνεκτική ηλεκτρονική κβαντική κατάσταση σε τόσο πολύπλοκα συστήματα για τόσο μεγάλες χρονικές περιόδους.

Μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε αυτό το μάθημα από τη φύση για να φτιάξουμε μια τεχνητή μηχανή συλλογής φωτός;

Εργαστήρια σε όλο τον κόσμο εργάζονται για την κατασκευή πρωτοτύπων χημικών ηλιακών κυψελών που βασίζονται στο πρότυπο της φυσικής φωτοσύνθεσης. Αποδεικνύεται ότι τα οργανικά συστήματα με εξατομικευμένα μόρια είναι εξαιρετικά συντονίσιμα. Το κόλπο είναι να μην χάσετε τα δεδομένα εισόδου:Κάθε φωτόνιο που συλλαμβάνεται από τα πράσινα βακτήρια θείου χρησιμοποιείται. Η μίμηση αυτού του βιολογικού επιτεύγματος θα μπορούσε να δημιουργήσει τη βάση για τη δημιουργία μιας ισχυρής, ελεγχόμενης, κβαντικής μηχανικής βελτιωμένης συσκευής συλλογής φωτονίων.

Όσοι από εμάς αγωνίζονται να σχεδιάσουν κλιμακωτούς κβαντικούς υπολογιστές γοητεύονται από το πώς η φύση ελέγχει τόσο αποτελεσματικά τη ροή ενέργειας —μεταφορά πληροφοριών, πραγματικά— μέσω ενός ανοιχτού κβαντικού συστήματος όπως τα βακτήρια του πράσινου θείου.

Το κύριο πρόβλημα με τους κβαντικούς επεξεργαστές πληροφοριών είναι ότι το μικροσκοπικό λειτουργικό τους σύστημα πρέπει να διατηρείται «κλειστό» - απρόσβλητο σε εκφυλιστικές περιβαλλοντικές επιδράσεις - ενώ υπολογίζουν με υπερτιθέμενα «qubits» ή επεξεργαστές μεγέθους ατόμου. Μέχρι στιγμής, οι μηχανικοί μπορούν μόνο να ονειρεύονται να δημιουργήσουν ένα ανοιχτό κβαντικό σύστημα που θα μπορεί να υπολογίζει με τα qubits του να διατηρούνται σε μια συνεκτική κατάσταση αρκετό καιρό ώστε να μην χάνουν δεδομένα στο λουτρό μέσω αποσυνοχής.

Είναι αξιοσημείωτο ότι φαίνεται ότι αυτά τα βακτήρια φωτοσύνθεσης μπορούν πραγματικά να χρησιμοποιήσουν την αποσυνοχή για να επιταχύνουν τη μεταφορά ηλεκτρονικών πληροφοριών, αποκτώντας πρόσβαση σε δονητικές ενέργειες στο λουτρό πρωτεΐνης που περιβάλλει το βιολογικό-κβαντικό σύρμα χωρίς να χάσουν την ακεραιότητα των πληροφοριών.

Είναι αυτά τα βακτήρια —πρωτόφυτα, πραγματικά— κβαντικοί υπολογιστές;

Τα φυτά δεν μπορούν να επεξεργαστούν εσωτερικά πληροφορίες τόσο γρήγορα όσο προβλέπουμε ότι θα είναι σε θέση ένας πραγματικός κβαντικός υπολογιστής. Όμως τα βακτήρια που μελετήσαμε μεταδίδουν πληροφορίες με πολύ υψηλό ποσοστό απόδοσης με κβαντομηχανικά κόλπα που δεν μπορούμε ακόμη να αναπαράγουμε σε μηχανές.

Η κβαντομηχανική έχει επηρεάσει την εξέλιξη της ζωής σε μακροοικονομική κλίμακα;

Είναι πιθανό τα φυτά και τα βακτήρια να υπόκεινται σε έντονη επιλογή για εξαιρετικά αποτελεσματική σύλληψη της ενέργειας από το φως. Αυτό μπορεί να εξηγήσει γιατί τα φωτοσυνθετικά συστήματα που διαθέτουμε σήμερα είναι συνήθως τόσο αποτελεσματικά που μπορούμε να ανιχνεύσουμε τις κβαντικές διεργασίες που βρίσκονται στη βάση αυτής της συλλογής φωτεινής ενέργειας.

Πώς χρησιμοποιούν τα πουλιά την κβαντομηχανική;

Τα αποδημητικά πουλιά εκμεταλλεύονται το γεγονός ότι η κλίση του μαγνητικού πεδίου της Γης αλλάζει ως συνάρτηση του γεωγραφικού πλάτους ή του πόσο βόρεια βρίσκεται το πουλί. Στον ισημερινό, το μαγνητικό πεδίο εφάπτεται στη γη. Στο Βόρειο Πόλο, είναι κάθετο. Καθώς το πουλί πετά σε μεγάλες αποστάσεις, η κλίση του μαγνητικού πεδίου αλλάζει σε σχέση με το επίπεδο της τοπικής επιφάνειας της Γης από κάτω.

Φαίνεται ότι οι κβαντομηχανικές διεργασίες στο μάτι των πτηνών στέλνουν σήματα στον εγκέφαλο που εξαρτώνται ευαίσθητα από τη γωνία αλλαγής στην κλίση του μαγνητικού πεδίου, επιτρέποντας έτσι στο πουλί να χαρτογραφήσει διαδρομές. Η υπόθεση είναι ότι ζεύγη μορίων που απορροφούν φως στον αμφιβληστροειδή του πτηνού παράγουν κβαντικά μηχανικά μπερδεμένα ηλεκτρόνια των οποίων η κβαντομηχανική κατάσταση εξαρτάται από τη γωνιακή κλίση του πεδίου και τα οποία καταλύουν χημικές αντιδράσεις που στέλνουν σήματα διαφορετικής αξίας στον εγκέφαλο ανάλογα με τον βαθμό κλίσης .

Πώς βοηθά τα πουλιά να επιλέξουν τον σωστό προορισμό;

Φαίνεται να έρχονται γενετικά συνδεδεμένα με την κβαντομηχανική ικανότητα να υπολογίζουν την κατευθυντικότητα, αλλά κατά την πρώτη τους μετανάστευση, οδηγούνται στο πατρογονικό σπίτι του χειμώνα από μεγαλύτερα, έμπειρα πουλιά. Είναι πιθανότατα παρόμοιο με αυτό που μαθαίνουν οι άνθρωποι τη γλώσσα.

Είναι ο εγκέφαλος ενός πουλιού ένα ελεγχόμενο κβαντικό σύστημα;

Θα ήταν αν γνωρίζαμε την ταυτότητα και τη θέση και των δύο εμπλεγμένων μορίων στον αμφιβληστροειδή. Γνωρίζουμε τη θέση του μορίου που παγιδεύει φωτόνια, αλλά δεν έχουμε βρει ακόμη το μόριο που παρέχει το δεύτερο ηλεκτρόνιο στο ζεύγος ριζών που εκκινεί το σήμα χαρτογράφησης.

Γιατί όχι;

Είναι δύσκολο να βρεις χρήματα για έρευνα για να μελετήσεις τον εγκέφαλο πουλιών. Επιπλέον, κάποιος πρέπει να τα σκοτώσει για να αποκτήσει μια σαφή εικόνα του τι συμβαίνει σε μοριακό επίπεδο, και σε πολλούς ανθρώπους αρέσουν τα πουλιά. Από την άλλη, μπορεί να το κάνουν και οι κατσαρίδες.

Ας γυρίσουμε πίσω στον εγκέφαλο του Σρέντιγκερ. Το 1953, πρότεινε ένα παράδοξο:Σύμφωνα με την κυματική του εξίσωση, τα μακροσκοπικά αντικείμενα αποτελούνται από μικροσκοπικά άτομα και μόρια. Εφόσον τα μικρά αντικείμενα μπορούν να βρεθούν σε κυματιστές, ταλαντευόμενες, αναστρέψιμες ή «συνεκτικές» υπερθέσεις, τότε γιατί δεν υπερτίθενται και τα μεγάλα αντικείμενα; Τι εμποδίζει τα βιολογικά αντικείμενα να μετατραπούν σε αυτό που ο Σρέντινγκερ ονόμασε «κβαντική μέδουσα»;

Αποφεύγουμε τη «μέδουσα» γιατί οι μεγάλες υπερθέσεις ξεπλένονται απίστευτα γρήγορα από την αποσυνοχή. Στη φωτοσύνθεση, η χημική αντίδραση εισάγει γρήγορα μη αναστρεψιμότητα στην κβαντική διαδικασία μεταφοράς ενέργειας. Υπάρχει πάντα κάποια θερμοδυναμική ή εντροπική δύναμη που οδηγεί τη συνολική βιολογική δυναμική. Τα βακτήρια και τα φυτά και οι άνθρωποι δεν μετατρέπονται σε μέδουσες επειδή υπάρχει μια δομή, μια οργάνωση στη βιολογική δυναμική.

Δεν καταλαβαίνουμε όλες τις λεπτομέρειες, αλλά στον βιολογικό τομέα, η φύση δεν φαίνεται να εμφανίζει τα τυπικά παράδοξα που σχετίζονται με την επεξεργασία πληροφοριών στην κβαντική φυσική:Και αυτό είναι καλό για το μέλλον των κβαντικών υπολογιστών, με την προϋπόθεση ότι θα εξερευνήσουμε ανοιχτά, βιολογικά κβαντικά συστήματα ως μοντέλα μηχανικής.