科学家在大脑中惊人地发现量子计算

当许多色氨酸分子以高度有序的蛋白质结构共同作用时，会发生一些非同寻常的现象。

当一个色氨酸分子吸收紫外线时，它会以较低的频率释放能量，发出微弱的荧光。这种效应就是众所周知的做荧光效应。但是，当许多色氨酸分子在高度有序的蛋白质结构中共同作用时，一些不寻常的事情发生了：它们开始比应该的更明亮、更快速地发光。这种令人惊讶的群体行为，称为超辐射，是新的研究焦点，可能会改变我们对生命和信息的本质的看法。

研究人员现在发现，富含色氨酸的蛋白质，特别是脑细胞和其他生物系统中的蛋白质，可能发挥量子计算网络的作用。这些网络不仅有助于保护细胞免受损伤，还可能以比以前认为更快和更高效的方式存储和传输数据。

多彩世界中的量子神奇

量子效应通常被认为只存在于小、冷和受控系统中。例如，量子计算机必须在比外太空更冷的温度下运行，以防止干扰。热和混沌通常会破坏量子行为所需的精细特性。

另一方面，生命系统一点也不安静。它们温暖、活跃，充满化学噪音。按量子标准，细胞、蛋白质和神经元都太大了。然而，霍华德大学量子生物实验室创始主任菲利普·库里安(Philip.Kurian)领导的一个团队，已经发现有力的证据表明，生命不仅能容忍量子效应——它可能依赖于这些效应。

菲利普·库里安的团队已经证明，排列在微管、小分子和神经元束中的巨大色氨酸分子网络可以表现为量子光学系统。

他们的这项研究，刚刚发表在《科学前沿》期刊上，研究表明超辐射——以前仅在原子系统中得到证实——也可以出现在温暖的生物体中。

这项工作将二十世纪物理学两大支柱——热力学、相对论和量子力学——之间的点连接起来，实现了重大的范式转变。”

特别的色氨酸

色氨酸不仅仅是另一种氨基酸。它具有独特的吲哚环结构，特别擅长吸收紫外线。它还具有强烈的斯托克斯变换荧光，这意味着它发出的光在颜色上与吸收的光明显分离。这些特性使它成为实验室研究蛋白质行为的最受欢迎的工具。

色氨酸不仅在试管中是有帮助的，它自然地出现在生命系统的关键位置，通常在细胞膜中水和脂质的界面。它存在于跨膜蛋白中，光感受器，血红蛋白，特别是在细胞内的复杂细胞骨架结构中。这些包括微管和中心粒，它们帮助细胞分裂、改变形状和移动。

库里安的团队研究了这些包含超过10万色氨酸分子的中尺度网络，发现它们经常表现出集体光学响应。结构越有序，量子效应越强。即使它们引入了无序，这些效应在正常的生物温度下仍然存活。

洛桑联邦理工学院的 Majed Chergui教授解释中表示：这需要非常精确和谨慎地应用标准的蛋白质光谱学方法，但在团队合作者的理论预测指导下，他们能够证实一个令人惊叹的超辐射在微米尺度生物系统中的“标签”。

生命系统如何使用量子光

Kurian 的团队认为，这些大的色氨酸网络可能已经进化到利用它们的量子特性。当细胞用氧气呼吸时——这个过程被称为有氧呼吸——它们会产生自由基，或活性氧（ROS）。这些不稳定的粒子可以发射高能UV光子，这会对DNA和其他重要分子造成损害。

色氨酸网络充当天然屏障。它们吸收有害光线并以较低的能量重新发射，从而减少伤害。但由于超辐射，它们可能比单个分子更快、更有效地履行这一保护功能。

这种速度在大脑中可能更为重要。传统的神经科学模型认为，信息是通过化学信号在神经元之间传递的，这个过程需要几毫秒。但库利安的研究发现，超辐射信号传递发生在皮秒级——大约快10亿倍。

在之前，发表于《物理化学》杂志的一项研究更令人鼓舞，Kurian 的团队发现这些信号可能使细胞能够以传统模型无法解释的速度和规模共享信息。它们可以像光纤电缆一样，通过组织传输基于光的数据，实现生物计算的新水平。

Kurian称这种光保护在减缓或阻止退行性疾病方面可能至关重要。他们希望这将启发一系列新的实验，以了解量子增强光保护在复杂病理中如何发挥作用，这些病理一般在高氧化条件下生长。”

一种新的计算方式

在的论文中，Kurian 采取了一个大胆的步骤：他根据量子力学的定律 ，光速和宇宙中的物质密度，计算了地球生命自诞生以来可能处理了多少信息。他发现，由量子增强结构（如色氨酸网络）驱动的生命信息处理，可能与可观测宇宙中所有已知物质的信息处理能力相匹敌。

这一发现呼应了大物理学家埃尔温·薛定谔(Erwin Schrödinger)在几十年前提出的问题，他于1944年在著名的《生命是什么》一书中问道：是否有比化学更深层次的东西可以支配生命系统？现在，库里安的研究工作为此提供了一个可能的答案。

量子计算领域的先驱、麻省理工学院的赛斯·劳埃德教授对这项研究给予了高度评价。他称赞道：这项研究提示我们，生物系统执行的计算比人工系统强大得多，这非常有价值。

库里安的理论引起了全球量子计算研究者的关注，包括苏黎世联邦理工学院的 Nicolò Defenu 教授 。他兴奋地表示：看到量子技术与生命系统之间的重要和不断增长的联系真的很令人着迷。

这项研究甚至引起太空科学家的关注。亚利桑那州天体生物学中心主任，但丁·劳雷塔称库库里安的研究为寻找宇宙其他地方的生命的探索提供了新的见解。这种信号和信息处理模式的显著特性可能成为可居住系外行星研究中的游戏规则的改变者。

超越大脑

虽然大多数研究集中在神经元上，但库里安等人指出，地球上的大多数生命都是非神经性的。细菌、植物、真菌和单细胞生物构成了地球生物量的大部分。这些生物系统可能像大脑一样高效地使用色氨酸网络和量子效应。

这些简单生物体中超辐射行为的存在表明，量子信息处理可能是生命本身的核心特征，而不仅仅是复杂生物体的附加功能。

星际介质和行星际小行星上都有类似的量子发射体的特征，这些可能是真核生命计算优势的前兆。

库里安希望这项工作能激发对生命量子维度的进一步研究。在人工智能和量子计算机的时代，重要的是要记住，物理定律限制着它们的所有行为。然而，尽管这些严格的物理限制也适用于生命认识和模拟宇宙的能力，科学家们仍然可以探索和理解它。因为这些被发现的现象的确令人感到惊奇。