Клітини обчислюють швидше за квантові комп’ютери

Понад 80 років тому Ервін Шредінгер, видатний теоретичний фізик, у своїх лекціях у Триніті-коледжі в Дубліні порушив питання про природу життя з точки зору законів фізики. Його книга «Що таке життя?», опублікована 1944 року, стала поштовхом до осмислення біології через призму квантової механіки. Сьогодні, у 2025 році, який проголошено Міжнародним роком квантових наук і технологій, учений Філіп Куріан, теоретичний фізик і засновник Лабораторії квантової біології (QBL) при Університеті Говарда у Вашингтоні, зробив революційний крок у цьому напрямку. У своїй новій роботі, опублікованій у журналі Science Advances, він доводить, що клітини живих організмів можуть обробляти інформацію на квантовому рівні з такою швидкістю й ефективністю, що це перевершує можливості найсучасніших квантових комп’ютерів.

Дослідження Куріана базується на відкритті його команди, зробленому минулого року, коли вони виявили квантові оптичні ефекти в цитоскелетних структурах клітин. Ці структури, зокрема мікротрубочки, демонструють явище надвипромінювання (superradiance) — квантового ефекту, який дозволяє передавати інформацію за пікосекунди навіть у теплому й хаотичному біологічному середовищі. Це явище пов’язане з молекулами триптофану, амінокислоти, що поглинає ультрафіолетове світло й перевипромінює його на довших хвилях. Такі мережі триптофану виявлені в багатьох клітинних комплексах еукаріотів — від нейронів до війок і центріолей. Це означає, що всі еукаріотичні організми потенційно здатні до квантової обробки інформації.

Традиційно вважалося, що біохімічна сигналізація в клітинах, наприклад рух іонів через мембрани, є основним способом передачі інформації. Цей процес займає кілька мілісекунд для одного сигналу. Однак Куріан показав, що надвипромінювання в цитоскелетних структурах відбувається за пікосекунду — у мільйони разів швидше. Такі триптофанові мережі можуть діяти як квантові оптичні волокна, дозволяючи клітинам обробляти дані з неймовірною швидкістю, що перевищує навіть можливості сучасних методів квантової корекції помилок.

Ці висновки мають далекосяжні наслідки. Наприклад, під час аеробного дихання клітини використовують кисень для розщеплення їжі, що призводить до утворення вільних радикалів. Ці радикали можуть випромінювати ультрафіолетове світло високої енергії, яке потенційно шкодить клітинам. Триптофан у складі білків здатен поглинати це світло й перетворювати його на менш енергійне випромінювання. Завдяки квантовим ефектам великі триптофанові мережі роблять цей процес ще ефективнішим, захищаючи клітини й одночасно забезпечуючи швидку передачу інформації.

Куріан стверджує, що ці відкриття змінюють наше уявлення про обчислювальну здатність життя на Землі. Він розрахував верхню межу інформаційної обробки вуглецевого життя за всю історію планети, спираючись на три базові припущення: стандартну квантову механіку, релятивістську межу швидкості світла та матеріально-домінований Всесвіт із критичною густиною маси-енергії. Його висновки пов’язують термодинаміку, релятивізм і квантову механіку, пропонуючи нову парадигму для біологічних наук.

Цікаво, що квантові ефекти, які зазвичай вважаються нестійкими в теплому й шумному середовищі, виявилися надзвичайно стійкими в біологічних системах. Це привернуло увагу дослідників квантових обчислень, адже стійкість квантових ефектів у «гарячому супі» клітин може стати проривом для створення більш надійних квантових технологій. «Ці порівняння продуктивності будуть цікаві великій спільноті дослідників відкритих квантових систем», — зазначив професор Ніколо Дефену з Федерального інституту технологій у Цюриху.

Дослідження також кидає світло на обчислювальну здатність організмів без нервової системи, таких як бактерії, гриби й рослини, які становлять основну частину біомаси Землі. Ці організми, що з’явилися значно раніше за тварин, виконують складні обчислення, використовуючи квантові механізми. Куріан припускає, що подібні квантові випромінювачі можуть бути присутні в міжзоряному середовищі та на астероїдах, що дає підстави вважати їх попередниками еукаріотичного життя.

Професор Данте Лаuretта з Університету Аризони зауважив, що передбачення Куріана можуть змінити підхід до вивчення придатних для життя екзопланет, адже надвипромінювання може значно підвищувати обчислювальну здатність планетарних систем. У той же час Сет Ллойд, піонер у галузі квантових обчислень із MIT, підкреслив, що обчислення, які виконують живі системи, набагато перевищують можливості штучних комп’ютерів.

Робота Куріана не лише розширює межі квантової біології, але й нагадує про фундаментальний зв’язок між фізикою та інформацією. У світі штучного інтелекту й квантових комп’ютерів він підкреслює, що фізичні закони однаково обмежують як технології, так і живі організми. Проте навіть у цих межах життя демонструє вражаючу здатність обробляти інформацію, відкриваючи нові горизонти для науки. «Це надихає усвідомлювати, яку роль ми відіграємо в космічній історії», — резюмує Куріан.