Tryptofaani, solujen proteiineissa esiintyvä aminohappo, saattaa olla avain kaikkeen. Käyttääkö luonto kvanttimekaniikkaa? Voiko aivoton organismi käsitellä tietoa nopeammin kuin kvanttisupertietokone? Niin epätodennäköiseltä kuin se kuulostaakin, uudet tutkimustulokset viittaavat siihen, että kaikki eukaryoottisolut, mukaan lukien ihmisen solut, voisivat käyttää kvanttimekaanisia periaatteita suorittaakseen tiedonkäsittelyoperaatioita nopeammin ja tehokkaamminkuin paras nykyteknologia. Mikä yllättävintä, tämä ilmiö tapahtuisi normaaleissa lämpötila- ja ympäristöolosuhteissa, mitä aiemmin pidettiin mahdottomana millekään kvanttisysteemille.
Teoreettisen fyysikon Philip Kurianin Science Advances -lehdessä julkaisema tutkimus avaa uudelleen vanhan keskustelun uusin välinein: käyttääkö elämä jo luonnostaan kvanttimekaniikkaa? Kurian ja hänen ryhmänsä Howardin yliopiston kvanttibiologian laboratoriossa ovat havainneet ilmiön nimeltä kvanttisuperradianssi solurakenteissa, joita kutsutaan sytoskelettifilamenteiksi. Kirjoittajien mukaan tämä mahdollistaisi sen, että solut voisivat käsitellä tietoa miljardeja kertoja nopeammin kuin perinteiset biokemialliset mekanismit.
Elämä on saattanut olla kvanttilaskentaa koko ajan
Kun puhutaan kvanttilaskennasta, ajatellaan yleensä ultrakylmiä laboratorioita, epävakaita järjestelmiä ja herkkiä laitteita. Tämä uusi tutkimus kuitenkin viittaa siihen, että elävät organismit olisivat voineet ratkaista nämä rajoitukset jo miljardeja vuosia sitten. Havainto perustuu havaintoon kvanttimaisesta ominaisuudesta nimeltä supersäteily, joka ilmenee, kun monet molekyylit tekevät yhteistyötä säteilemällä valoa synkronisesti ja vahvistamalla signaaliaan.
Päähenkilö on tryptofaani, monissa soluproteiineissa esiintyvä aminohappo. Kurian havaitsi, että mikrotubulusten ja muiden solurakenteiden sisään järjestäytyneet tryptofaaniverkostot voivat kvanttiefektien ansiosta absorboida ja lähettää uudelleen ultraviolettivaloa koherentisti. Tämä kyky olisi hyödyllinen paitsi hapettumisvaurioilta suojautumisessa myös tiedonsiirrossa nopeudella, joka uhmaa kaikkea, mitä tiedämme biologisesta signaloinnista.
Miksi tämä havainto on niin mullistava?
Tähän asti kvanttimekaniikkaa pidettiin liian herkkänä toimimaan biologisissa ympäristöissä, jotka ovat kuumia, kosteita ja kaoottisia. Siksi kvanttitietokoneet tarvitsevat toimiakseen äärimmäisen kylmät olosuhteet. Kurianin ryhmä pystyi kuitenkin havaitsemaan vakaita, toimivia kvanttisignaaleja elävien solujen sisällä. Tämä merkitsee sitä, että biologiset järjestelmät voisivat käyttää kvanttiefektejä ilman äärimmäistä jäähdytystä tai eristämistä.
Tämä löytö muuttaa tapaa, jolla tiedonkäsittelyä elävissä olennoissa ymmärretään. Klassiset mekanismit – kuten hermosolujen sähköimpulssit – toimivat millisekuntien mittakaavassa. Mutta havaittu supersäteily tapahtuu pikosekunneissa eli miljoona kertaa nopeammin. Kurian ehdottaa, että tryptofaaniverkot toimivat kuin optiset kvanttikuidut, jotka pystyvät lähettämään signaaleja ennennäkemättömän tehokkaasti ja nopeasti elävissä järjestelmissä.
Mitkä eliöt käyttäisivät tätä kykyä?
Vaikka tutkimuksessa keskitytään eukaryoottisiin soluihin – kuten kasvien, eläinten ja sienten soluihin – Kurian esittää, että tämä kvanttikyky voisi olla läsnä kaikissa monisoluisissa eliöissä ja myös niissä, joilla ei ole aivoja tai hermostoa. Itse asiassa aneuraaliset organismit, kuten bakteerit, levät tai itiöt, jotka muodostavat suurimman osan maanpäällisestä biomassasta, vastaisivat suurimmasta osasta tämäntyyppistä kvanttiprosessointia.
Tämä merkitsee luonnossa esiintyvän älykkyyden ja laskennan käsitteen perusteellista tarkistamista. Elämä voisi ratkaista monimutkaisia ongelmia ilman aivoja käyttämällä molekyylirakenteita, jotka toimivat luonnollisten kvanttipiirien tavoin. Ja tämä mekanismi olisi ollut olemassa jo paljon kauemmin kuin hermostoa omaavien eläinten synty.
Lisäksi Kurian ehdottaa, että nämä järjestelmät ovat saattaneet kehittyä evoluution paineessa keinoksi suojata DNA:ta ultraviolettisäteilyn aiheuttamilta vaurioilta ja valjastaa sama energia informaation käsittelyyn sen sijaan, että se tuhlattaisiin.
Kysymys fysikaalisista… ja filosofisista rajoista
Biologisten vaikutusten lisäksi Kurianin tutkimuksella on vaikutuksia myös fysiikan perusteisiin. Kirjoituksessaan hän vertaa maapallon elämän kokonaislaskentakapasiteettia havaittavan maailmankaikkeuden teoreettisiin rajoihin. Hänen laskelmiensa mukaan elävien organismien suorittama laskenta voisi lähestyä ja jopa ylittää ihmisen suunnittelemien kvanttisysteemien suorituskyvyn niiden luonnollisen tehokkuuden ansiosta.
Kurian yhdistää kvanttimekaniikan, suhteellisuusteorian ja termodynamiikan käsitteitä ajatellakseen uudelleen tiedon rajoja elävässä aineessa ja väittää, että ”lähes kaikella maapallon elävällä olennolla on fyysinen kapasiteetti laskea hallittavilla kvanttivapausasteilla”, mikä mahdollistaisi ”kvanttitiedon tallentamisen ja manipuloinnin virheenkorjaussykleillä, jotka ylittävät reilusti viimeisimmät verkkoon perustuvat pintakoodit”.
Tämä mahdollisuus on herättänyt huomiota sellaisissa vaikutusvaltaisissa henkilöissä kuin kvanttilaskennan pioneeri Seth Lloyd, joka totesi: ”On hyvä muistuttaa, että elävien järjestelmien suorittama laskenta on huomattavasti tehokkaampaa kuin keinotekoisten järjestelmien suorittama laskenta.
Onko laskennan tulevaisuus biologiassa?
Monien tutkijoiden mielestä se, että luonto on ratkaissut joitakin kvanttilaskennan keskeisiä haasteita tavanomaisissa biologisissa olosuhteissa, merkitsee poikkeuksellista mahdollisuutta uusien teknologisten järjestelmien suunnitteluun. Jos näitä ominaisuuksia voidaan kopioida tai mukauttaa, edessä voi olla hybridi-biokvanttilaskennan synty, joka on nykyistä vakaampi, tehokkaampi ja ympäristöystävällisempi.
Kyse ei ole vain akateemisesta kuriositeetista: tämä uusi tapa ymmärtää elämässä olevaa tietoa voisi mullistaa lääketieteen, tekoälyn ja astrobiologian kaltaisia aloja. Samanlaisia ”kvanttisignaaleja” voisi olla jopa muiden planeettojen eliöissä, mikä muuttaisi elämän etsintää maailmankaikkeudessa.
Kurian toteaa lopuksi: ”Tekoälyjen ja kvanttitietokoneiden aikakaudella on tärkeää muistaa, että fysikaaliset lait rajoittavat kaikkea niiden käyttäytymistä. Silti elämä on näiden rajojen sisällä onnistunut löytämään tavan navigoida ja ymmärtää maailmankaikkeuden loistavaa järjestystä.
