Жизнь на грани. Ваша первая книга о квантовой биологии - Джонджо МакФадден

Но означает ли это, что квантовая механика не играет никакой роли в головном мозге? Есть ли вероятность, что, при такой значительной квантовой активности в наших телах наши мысли приводятся в движение исключительно за счет классических процессов, напоминающих паровой двигатель? Может быть, и нет. Новейшие исследования показывают, что квантовая механика действительно может сыграть решающую роль в работе разума.

Возможно, место для квантово-механических явлений в мозге отведено среди ионных каналов в клеточных мембранах нейронов. Как мы уже говорили, они выступают как посредники для потенциалов действия — нервных сигналов, — которые передают информацию в мозг и таким образом играют центральную роль в обработке нейронной информации. Длина каналов — всего одна миллиардная метра (1,2 нанометра), ширина — менее половины длины, поэтому ионы проходят через них по одному. Тем не менее они делают это на чрезвычайно высокой скорости, около 100 миллионов в секунду. Кроме того, каналы весьма избирательны. Например, канал, отвечающий за проникновение ионов калия в клетку, позволяет пройти примерно одному иону натрия на каждые десять тысяч ионов калия, несмотря на то что ион натрия немного меньше иона калия, а вы могли наивно полагать, что он легко проскользнет, ведь места достаточно для прохода крупного иона калия.

Такая высокая скорость движения в сочетании с особой избирательностью поддерживает скорость потенциалов действия и, таким образом, их способность передавать наши мысли в мозге. Но как ионы перемещаются так быстро и избирательно — остается загадкой. Может ли здесь помочь квантовая механика? Мы уже открыли для себя (в главе 4), что квантовая механика может усилить движение энергии в процессе фотосинтеза. Может ли она так же усилить движение ионов в головном мозге? В 2012 году нейробиолог Густав Бернроидер из Университета Зальцбурга совместно с Иоганном Суммхаммером из Института атома Венского технологического университета осуществили квантово-механическое моделирование прохождения иона через потенциалозависимый канал и обнаружили, что ион делокализуется (сбивается с курса), когда проходит через канал: волна более когерентна волне, чем частица. Также эта ионная волна колеблется на очень высоких частотах и передает энергию окружающему белку посредством своего рода резонансного процесса, так чтобы канал эффективно действовал в качестве ионного холодильника, который уменьшает кинетическую энергию иона примерно наполовину. Такое эффективное охлаждение иона помогает поддерживать делокализованное квантовое состояние, сдерживая декогеренцию и тем самым способствуя быстрому квантовому движению в канале. Это также благоприятствует избирательности, так как степень охлаждения будет сильно отличаться, если калий заменяется натрием: конструктивная интерференция даст иону калия двигаться, в то время как деструктивная интерференция может сдерживать перенос ионов натрия. Группа ученых пришла к выводу, что квантовая когерентность играет незаменимую роль в проводимости ионов через каналы нервов и, таким образом, так протекает существенная часть нашего мышления[162].

Следует подчеркнуть, что эти исследователи не показали способность квантовых когерентных ионов действовать как нейронные кубиты, а также не показали, что они могли бы играть определенную роль в сознании; и, на первый взгляд, трудно понять, как они могли бы способствовать решению проблем сознания, таких как проблема связи. Тем не менее, в отличие от микротрубочек в гипотезе Пенроуза — Хамероффа, ионные каналы по крайней мере играют четкую роль в нейронных вычислениях — они лежат в основе потенциалов действия. Поэтому их состояние будет отражать состояние нервной клетки: если нерв возбужден, то ионы будут двигаться (помните, что они движутся как квантовые волны) быстро через каналы, в то время как, если нерв спокоен, любые ионы в каналах будут неподвижны. И поскольку общая сумма возбужденных и спокойных нейронов в нашем мозге должна каким-то образом кодировать наши мысли, то эти мысли также отражены — закодированы — в сумме всего этого квантового потока ионов, входящих и выходящих из нервных клеток.

Но как можно было бы объединить отдельные процессы мышления для создания осознанных, связных мыслей? Один когерентный ионный канал — квантовый или классический — не может кодировать всю информацию, связанную в мыслительные процессы, которые достигают высшей точки в визуализации сложного объекта, такого как бизон. Чтобы играть свою роль в сознании, ионные каналы должны быть связаны каким-либо образом. Может ли квантовая механика помочь здесь? Возможно ли, например, что ионы в канале не только когерентны по всей его длине, но когерентны или даже перепутываются с ионами в соседних каналах или даже соседних нервных клеток? Почти наверняка нет. Ионные каналы и ионы в них столкнутся с той же проблемой, что и идея Пенроуза — Хамероффа о микротрубочках. Хоть это всего лишь вероятность, что один ионный канал может быть спутан с соседним в пределах одной нервной клетки, но запутанность ионных каналов в различных нервах, которая необходима для решения проблемы связи, совершенно неосуществима в теплой, влажной, очень динамичной и декогерентно-возбудимой среде живого мозга.

Таким образом, если запутанность не может связать информацию квантового уровня в ионных каналах, есть ли что-нибудь еще, способное на это? Возможно. Потенциалозависимые ионные каналы, конечно, чувствительны к напряжению: они открывают и закрывают каналы. Напряжение — это лишь показатель разности в электрическом поле. Но мозг по всему объему заполнен своим собственным электромагнитным (ЭМ) полем, которое генерируется с помощью электрической активности всех его нервов. Это поле обычно обнаруживается технологиями сканирования мозга, такими как электроэнцефалография (ЭЭГ) или магнитоэнцефалография (МЭГ), и простой взгляд на одно из этих сканирований расскажет вам только, насколько это поле сложное и информационно богатое. Большинство нейробиологов проигнорировали потенциальную роль, которую ЭМ-поле может играть в мозговых вычислениях, сравнивая ее с паровым гудком поезда: продукт деятельности мозга, но без влияния на эту деятельность. Тем не менее некоторые ученые, в том числе Джонджо, недавно ухватились за идею, что переход сознания из дискретных частиц мозгового вещества в единое ЭМ-поле вполне может решить проблему связи и предоставить место для сознания[163].

Чтобы понять, как это могло бы работать, мы, вероятно, должны сказать немного больше о том, что подразумеваем под полем. Термин происходит от его применения: нечто расширяющееся в пространстве, как кукурузное или футбольное поле. В физике термин «поле» имеет, по существу, то же значение, но, как правило, относится к энергетическим полям, которые способны перемещать объекты. Гравитационные поля перемещают все, что имеет массу, а электрические или магнитные поля перемещают электрически заряженные или магнитные частицы, такие как ионы в нервных каналах. В XIX веке Джеймс Клерк Максвелл обнаружил, что электричество и магнетизм являются двумя аспектами одного и того же явления, электромагнетизма, поэтому мы рассматриваем их как ЭМ-поля. Уравнение Эйнштейна E = mc2 с энергией по одну сторону и массой по другую лихо продемонстрировало, что энергия и материя являются взаимозаменяемыми. Поэтому электромагнитное энергетическое поле мозга — левая часть уравнения Эйнштейна — столь же реально, как и материя, связывающая свои нейроны; и поскольку оно происходит от возбуждения нейронов, то кодируется в точности такая же информация, как в моделях нейронных возбуждений мозга. Однако в то время, как нейронная информация остается в возбужденных нейронах, электрическая активность, порожденная ими, объединяет всю информацию в ЭМ-поле мозга. Это потенциально может решить проблему связи[164]. А открывая и закрывая потенциалозависимые ионные каналы, ЭМ-поле связывается с квантовыми когерентными ионами, проходящими через каналы.