کشف رایانش کوانتومی در مغز؛ جایی که نور فکر می‌ کند

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

در حالی‌که رایانش کوانتومی تاکنون محدود به سیستم‌های بسیار سرد و کنترل‌شده‌ای مانند رایانه‌های کوانتومی بوده، پژوهشی تازه نشان می‌دهد که مولکول‌های تریپتوفان، وقتی در ساختار‌های منظم و پیچیده‌ای مانند میکروتوبول‌ها، سانتریول‌ها و خوشه‌های نورونی کنار هم قرار می‌گیرند، رفتاری از خود نشان می‌دهند که تا پیش از این فقط در مقیاس‌های اتمی مشاهده شده بود.

به گفته فیلیپ کوریَن، بنیان‌گذار آزمایشگاه زیست‌شناسی کوانتومی در دانشگاه هاوارد، این شبکه‌های مولکولی نه‌تنها توانایی محافظت از سلول‌ها در برابر آسیب‌های اکسایشی را دارند، بلکه ممکن است اطلاعات را با سرعتی بسیار فراتر از تصور منتقل کنند.

پدیده‌ای کوانتومی در جهانی پر از نویز

فیزیک کوانتومی معمولاً 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 پدیده‌هایی مانند اَبَرپرتوافشانی بهره ببرند؛ رفتاری جمعی که در آن مولکول‌ها با همدیگر هماهنگ می‌درخشند و انرژی تابشی را با کارایی بسیار بیشتری آزاد می‌کنند.

تریپتوفان یک آمینواسید متفاوت

تریپتوفان، برخلاف بسیاری از آمینواسیدها، دارای ساختار حلقه‌ای خاصی به نام «ایندول» است که توانایی جذب نور فرابنفش و تابش دوباره 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 بیش از ۱۰۰٬۰۰۰ مولکول تریپتوفان دریافتند که هرچه نظم در ساختار بیشتر باشد، رفتار کوانتومی نیز قوی‌تر ظاهر می‌شود. جالب‌تر آنکه حتی با ایجاد بی‌نظمی در ساختارها، اثرات کوانتومی در دمای معمول زیستی پابرجا باقی می‌مانند.

نور کوانتومی در خدمت حیات

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

اما پدیده اَبَرپرتوافشانی باعث می‌شود این فرآیند محافظتی، نه در میلی‌ثانیه بلکه در پیکوثانیه (یعنی حدود یک میلیارد برابر سریع‌تر) رخ دهد. این سرعت 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، ممکن است اطلاعاتی هم‌سنگ کل ماده در کیهان پردازش کرده باشند.

واکنش‌ها: تحسین و چشم‌انداز‌های تازه

ست لوید از MIT، از پیشگامان رایانش کوانتومی، با تحسین این یافته‌ها گفت: «یادآوری اینکه سیستم‌های زنده ممکن است بسیار قدرتمندتر از سامانه‌های مصنوعی پردازش کنند، بسیار مهم است.»

از سوی دیگر، دانشمندانی از ETH زوریخ و مرکز اخترزیست‌شناسی آریزونا نیز بر اهمیت این یافته‌ها در درک حیات، چه در زمین و چه در سیارات فراخورشیدی تأکید کرده‌اند.

ورای مغز: کوانتوم در حیات غیرعصبی

بیشتر توجه‌ها به مغز انسان معطوف است، اما کوریَن یادآور می‌شود که عمده زیست‌توده زمین، فاقد سیستم عصبی است. باکتری‌ها، گیاهان و تک‌سلولی‌ها نیز ممکن است از همین مکانیزم‌های کوانتومی بهره ببرند. حتی شواهدی از وجود این رفتار‌ها در سیارک‌ها و محیط میان‌ستاره‌ای گزارش شده که می‌تواند کلید درک پیدایش حیات باشد.