Новое исследование предполагает, что жизнь может производить вычисления гораздо быстрее и глубже, чем мы когда-либо себе представляли.
Восемьдесят лет назад физик Эрвин Шредингер задал обманчиво простой вопрос: что такое жизнь? В серии лекций в Дублине, позже опубликованных в виде короткой книги, он предположил, что принципы квантовой механики могут лежать в основе сложной организации живых существ.
Теперь, в новом провокационном исследовании, приуроченном к Международному году квантовой науки и технологий 2025 года, другой физик предлагает радикально новый ответ.
В своем исследовании, проведенном одним автором, Филип Куриан, директор Лаборатории квантовой биологии в Университете Говарда, утверждает, что жизнь не просто подчиняется законам квантовой физики — она их эксплуатирует. По его словам, делая это, жизнь на Земле, вероятно, выполнила около 10 60 элементарных логических операций за свою 4,5-миллиардную историю.
Это число настолько ошеломляет, что оно бросает вызов повседневной интуиции. Если бы вы попытались сосчитать до 10 60 , произнося одно число в секунду, это заняло бы у вас больше времени, чем возраст Вселенной в квадрате. Даже если считать по одной операции за планковское время (наиболее короткое физически значимое время: 5,4×10 -44 секунды), все равно потребовалось бы более 13 миллиардов лет, чтобы сосчитать до 10 60 .
«Эта работа связывает воедино основные принципы физики двадцатого века — термодинамику, теорию относительности и квантовую механику — для кардинального сдвига парадигмы в биологических науках», — сказал Куриан.
В прошлом году его команда опубликовала экспериментальные данные, показывающие, что филаменты цитоскелетного белка — класс волокнистых структур, которые поддерживают форму клетки — демонстрируют « сверхизлучение », отчетливо квантовое явление, при котором частицы ведут себя как единое целое. Этот вид когерентности позволяет энергии перемещаться с поразительной эффективностью через большие группы молекул.
В частности, группа Куриана сосредоточилась на триптофане, аминокислоте, известной своей способностью поглощать ультрафиолетовый свет и испускать его на более длинных волнах. Сети триптофана широко распространены в живых организмах, они встречаются в клеточных структурах, таких как микротрубочки, рецепторы и аксоны.
Сверхизлучающие состояния в этих богатых триптофаном волокнах могут обрабатывать информацию поразительно быстро: около 10 триллионов операций в секунду. Это более чем в миллиард раз быстрее, чем традиционные модели нейронных вычислений, основанные на потенциалах действия в нейронах.
«Квантовая биология — в частности, наши наблюдения за сверхизлучательными сигнатурами с помощью стандартных методов спектроскопии белков, основанные на его теории, — может открыть новые горизонты для понимания эволюции живых систем», — сказал физик Маджед Черги, который был соавтором экспериментального исследования 2024 года, подтверждающего теорию Куриана.
За пределами мозга: скрытый код нервной жизни
Одна из самых спорных идей Куриана заключается в том, что биологические вычисления не начинаются с нейронов.
Десятилетиями нейробиологи моделировали познание, используя спайковые нейроны в качестве основных информационных единиц. Но такие модели игнорируют подавляющее большинство жизни на Земле — организмы без нервной системы. Подумайте о бактериях, грибах или растениях.
На самом деле, Куриан утверждает, что эти аневральные организмы могут фактически выполнять большую часть вычислений жизни. Это потому, что их клетки также содержат сверхизлучающие волокна, способные к квантовой сигнализации. «Последствия открытий Куриана ошеломляют», — сказал Шерги.
А поскольку эти организмы существуют уже миллиарды лет, их вклад в общую «вычислительную историю» жизни огромен.
Куриан подсчитал, что вся эукариотическая жизнь — организмы со сложными клетками — выполнила примерно 10 60 логических операций за время существования Земли. Для сравнения, вся вселенная, по оценкам, выполнила около 10 120. Примечательно, что это означает, что жизнь на Земле могла выполнить квадратный корень из всех вычислений вселенной.
«Прогнозы Куриана предоставляют количественные границы, выходящие за рамки общепринятого уравнения Дрейка , относительно того, как сверхизлучающие живые системы повышают вычислительную мощность планет», — сказал Данте Лауретта, планетолог из Университета Аризоны.
Что это значит для квантовых вычислений и Вселенной
Работа Куриана привлекла внимание физиков и компьютерных специалистов, работающих над передовыми технологиями квантовых вычислений. Его расчеты показывают, что биологические системы уже выполняют квантовые вычисления с показателями исправления ошибок и энергоэффективностью, которые превосходят даже лучшие искусственные системы, создаваемые сегодня.
«Очень интересно наблюдать важную и растущую связь между квантовыми технологиями и живыми системами», — сказал Николо Дефену, исследователь квантовой физики из Швейцарской высшей технической школы Цюриха.
На первый взгляд это может показаться невозможным. В конце концов, современные квантовые компьютеры должны охлаждаться до температур ниже, чем в глубоком космосе, чтобы сохранить их хрупкие квантовые состояния. Живые организмы, с другой стороны, теплые и грязные. Но модель Куриана предполагает, что определенные биологические структуры могут естественным образом экранировать и стабилизировать квантовые состояния даже в этой хаотичной среде.
Исследование показывает, что сверхизлучающие белковые волокна в аксонах приближаются к пределу Марголуса-Левитина — квантовому пределу скорости, с которой может развиваться система, на два порядка .
«И все это в теплом супе! Мир квантовых вычислений должен обратить на это серьезное внимание», — сказал Куриан.
От астробиологии к искусственному интеллекту
Это открытие делает еще более интригующим его значимость за пределами Земли.
Триптофан и подобные молекулы были обнаружены в межзвездном пространстве. Некоторые астрохимики полагают, что они могут быть предшественниками жизни. Если сверхизлучательная квантовая сигнализация является фундаментальным свойством этих структур, идеи Куриана могут повлиять на то, как мы ищем жизнь на других планетах.
«Полезно помнить, что вычисления, выполняемые живыми системами, гораздо более производительны, чем вычисления, выполняемые искусственными», — сказал Сет Ллойд, пионер квантовых вычислений из Массачусетского технологического института.
Куриан идет дальше. Он предполагает, что жизнь — это не просто случайный процесс, происходящий во вселенной, а скорее явление обработки информации, неразрывно связанное с физическими законами вселенной.
«Хотя эти строгие физические ограничения также применимы к способности жизни отслеживать, наблюдать, узнавать и моделировать части вселенной, мы все равно можем исследовать и осмысливать блестящий порядок внутри нее», — сказал Куриан. «Это внушает благоговение, что нам досталась такая роль».
Результаты исследования опубликованы в журнале Science Advances .
