В продължение на 100 години си задаваме въпроса за предназначението на биофотоните - нискочестотно лъчение, излъчвано от всички растения. Прецизните изследвания на лещата сега подсказват, че това може да е форма на квантова комуникация.
В подножието на хълмовете на юг от Рим се намира главната италианска лаборатория по ядрена физика - Националната лаборатория във Фраскати. Тя разполага с цялото оборудване, което може да се очаква от най-съвременните научни центрове, с огромни магнити, мощни ускорители на частици и електрически кабели, разположени навсякъде. Много от изследователите тук се опитват да разгадаят тайните на Стандартния модел - най-добрата ни теория за това как функционира реалността на най-фундаментално ниво. Там се намира и стаята, в която Четина Курчану (Cătălina Curceanu) наблюдава малка кутия с леща.
Разбира се, това не е съвсем нормално поведение за един физик, но Курчану се надява, че апаратурата и методите на ядрената физика могат да разрешат вековната загадка защо лещата - а също и други организми - постоянно излъчва изключително слаб поток от фотони или частици светлина. Някои смятат, че тези „биофотони“ са без значение. Други настояват, че те са фина форма на комуникация на лещата. Кърчеану клони към втория лагер - и подозира, че импулсите между импулсите може дори да съдържат тайни квантови сигнали.
„Това са само първите стъпки, но изглеждат изключително интересно“, смята Курчану.
Вече има намеци, че живите същества използват квантовите явления, като съществуват неособено убедителни доказателства, че те се проявяват във фотосинтезата и начина, по който птиците се ориентират, наред с други неща. Но лещата, която не е известна със сложното си поведение, би била най-изненадващият пример за квантова биология, посочва Михал Сифра (Michal Cifra) от Чешката академия на науките в Прага.
„Това би било невероятно“, отбелязва Сифра. „Ако това е вярно."
Тъй като толкова много организми излъчват биофотони, подобно откритие може да означава, че квантовите ефекти са разпостранени навсякъде.
Биофотони
Биофотоните озадачават учените от точно един век. През 1923 г. биологът Александър Гурвич (Alexander Gurwitsch) изучава как растителните клетки се делят, като поставя корени на лук близо един до друг. Колкото по-близо са били корените, толкова повече е било клетъчното делене, което предполага, че има някакъв сигнал, който предупреждава корените за присъствието на съседа им. Би било полезно корените на растенията да подават сигнали по този начин, обяснява Сифра, защото това би им подсказало дали наблизо покълват други растения, което предполага плодородно място за растеж.
За да разбере как корените на лука сигнализират, Гурвич повтаря експеримента с всякакви физически бариери между корените. Дървото, металът, стъклото и дори желатинът забавят клетъчното делене до същото ниво, което се наблюдава при единичните лукови корени. Но за изненада на Гурвич кварцовият разделител не оказва влияние. В сравнение със стъклото кварцът пропуска много повече ултравиолетови лъчи. Той стига до заключението, че причината трябва да е някакъв вид слабо излъчване на ултравиолетово лъчение.
Отдавна е известно, че живите организми общуват чрез светлина. Медузите, гъбите и светулките, да споменем само някои от тях, светят или излъчват ярки проблясъци, за да се предпазят от врагове или да привлекат партньор. Но тези очевидни сигнали, известни като биолуминесценция, се различават от открития от Гурвич ефект. Биофотоните са „светлина с много нисък интензитет, която не се вижда с просто око“, уточнява сътрудникът на Курчану Маурицио Бенфато (Maurizio Benfatto). Всъщност биофотоните са толкова слаби, че чак до 1954 г. се разработва достатъчно чувствително оборудване, за да се потвърди категорично идеята на Гурвич.
Оттогава насам десетки изследователски групи съобщават за случаи на излъчване на биофотони, които имат полезна функция при растенията и дори при животните. Подобно на корените на лука, клетките на дрождите са известни с това, че влияят върху скоростта на растеж на съседните им клетки. А през 2022 г. Жолт Поня (Zsolt Pónya) и Каталин Сомфалви-Тоут (Katalin Somfalvi-Tóth) от Университета в Капошвар, Унгария, наблюдават излъчването на биофотони от слънчогледи, когато са били подложени на стрес, което изследователите се надяват да използват за прецизно наблюдение на тези култури. На друго място, преглед, извършен от Роланд Ван Вейк (Roeland Van Wijk) и Едуард Ван Вейк (Eduard Van Wijk), понастоящем в изследователската компания MELUNA в Нидерландия, предполага, че биофотоните могат да играят роля в различни състояния на човешкото здраве - от стареене до акне.
Има просто обяснение и за това как се създават биофотоните. По време на нормалния метаболизъм химичните реакции в клетките водят до превръщане на биомолекулите в така нареченото от изследователите възбудено състояние, при което електроните се издигат до по-високи енергийни нива. След това тези електрони по естествен начин спадат до основното си състояние и излъчват фотон. Тъй като покълващите семена, като лещата, изгарят бързо енергия, за да растат, те излъчват повече биофотони.
Днес никой не се съмнява, че биофотоните съществуват. Спорът е по-скоро за това дали лещата и други организми са използвали биофотоните по полезен начин.
„Това е интригуващо“, коментира Грег Скоулс (Greg Scholes) от Принстънския университет. „Може ли това излъчване да се използва като сигнал?"
Квантова биология
Идеята не е доказана, но не е толкова реалистична, колкото изглежда. Знаем, че растенията общуват с помощта на химични вещества и понякога дори издават ултразвукови писъци, когато са стресирани. Това им позволява да контролират растежа си, да се предупреждават взаимно за нахлуващи насекоми и да привличат опрашители. Знаем също, че те имат начини да откриват и реагират на фотони под формата на обикновена слънчева светлина. „Биологичните системи могат да откриват фотони и да осъществяват обратна връзка въз основа на това“, обяснява Скоулс. И допълва, че не е необосновано да се предположи, че ако имат системи за откриване на фотони светлина, може да имат и начини за откриване на по-слаби биофотони. Една от идеите е, че този сигнал би могъл да подскаже на клетките по някакъв начин масово да се пренастроят метаболитно, посочва Скоулс. „Всъщност не знаем как работи това."
Сифра някога е бил привърженик на биофотонната сигнализация, но ентусиазмът му намалява през последните години, когато открива по-прозаични обяснения за много от съобщенията. Миналата година например забелязва, че едно твърдение за това как биофотоните влияят върху клетъчната смърт всъщност се обяснява с химическа сигнализация, която не е била адекватно блокирана. В друго неотдавнашно проучване той открива само малка разлика между модела на биофотоните, излъчвани от бобчетата мунг, и този на случаен сигнал, генериран от компютър. „Не съм сигурен, че това е достатъчно, за да го направи полезен за комуникация“, отбелязва изследователят, макар да признава, че излъчването е толкова слабо, че е трудно да се каже със сигурност.
Но Курчану и Бенфато се надяват, че прилагането на сериозно физично оборудване към този проблем може най-накрая да ни позволи да подслушваме тайните на бобовите растения. Обикновено те използват свръхчувствителни детектори, за да изследват фундамента на реалността. Сега те ги прилагат към кутия със 75 семена от леща - необходими са им толкова, защото ако използват по-малко, биофотонните сигнали ще бъдат твърде слаби.
Комуникират ли тези покълнали лещи в квантов код? Кредит: Catalina Curceanu
Квантова кохерентност
Двамата учени знаят също, че е възможно сигналите да имат квантови характеристики. Квантовите частици, сред които са и фотоните, се държат според правилата на квантовата теория, която описва често контраинтуитивното поведение на атомите и субатомните частици. Например фотоните могат да съществуват в мъгляв облак от много възможни състояния, наречен квантова суперпозиция. В този случай се казва, че фотоните проявяват квантова кохерентност.
Преди години Бенфато попада на статия за биофотоните и забелязва, че има закономерности в начина, по който те се получават. Интензитетът им се увеличава, а след това намалява, почти като музика. Това му дава идеята да приложи метод от физиката, наречен анализ на дифузионната ентропия, за да изследва тези модели. Методът дава възможност да се определят математическите структури, които са в основата на сложните модели. Представете си, че сравнявате например обикновен удар на барабан с мелодията на поп песен - методът, който Бенфато иска да приложи, може да определи количествено сложността, която се съдържа във всеки от тях.
За да приложат този метод към лещата, Бенфато, Курчану и колегите им поставят семената в черна кутия, която ги предпазва от смущения. Извън кутията те монтират уред, способен да открива единични биофотони. Освен това те разполагат с въртящи се филтри, които им позволяват да откриват фотони с различна дължина на вълната. Оставаше само да накарат лещата да поникне.
„Добавяме вода и чакаме“, разказва Бенфато.
През 2021 г. те разкриват първоначалните си резултати. Оказва се, че сигналите на биофотоните се променят значително по време на покълването на лещата. По време на първата фаза фотоните са били излъчвани в модел, който многократно се е нулирал, подобно на музикално произведение, което променя темпото си. След това, по време на втората фаза, излъчванията приели формата на друг вид сложен модел, наречен фракционно брауново движение.
Фактът, че биофотонните емисии на лещата не са случайни, е индикация, че те могат да комуникират, смята Бенфато. И това не е всичко. Притеснително е, че сложността във втората фаза на емисиите е математически свързана с уравненията на квантовата механика. Поради тази причина Бенфато казва, че работата на екипа му подсказва, че сигналите, проявяващи квантова кохерентност, биха могли да играят роля в насочването на покълването на лещата.
Сифра предупреждава, че не бива да се правят твърдения за естеството на тези сигнали само въз основа на математически прилики. Това, че нещо може да бъде описано с математически методи в квантов стил, само по себе си не доказва, че то е квантово по природа. Курчану признава, че всички признаци за квантови ефекти са все още условни. „Има нещо, което се случва там, но не можем да твърдим, че знаем какво“, уточнява изследователката.
Сифра смята, че квантовата механика вероятно играе важна роля в биологията - например в навигацията на птиците - само че не чрез биофотоните. Квантовата интерпретация на изследванията на лещата е „пресилена“, заявява професорът.
„Това може лесно да бъде обяснено с класически ефекти. Аз предпочитам по-простото обяснение."
Част от проблема при планирането на подобни експерименти е, че всъщност не знаем как изглеждат квантовомеханичните ефекти в живите организми. Всякакви квантови ефекти, открити в лещата и други организми, ще бъдат „много различни от квантовата механика в учебниците“, посочва Скоулс.
Остава и въпросът защо квантовата механика изобщо би била полезна за лещата. Откриването на квантови ефекти в биофотоните би било " голямо постижение“, отбелязва Скоулс, „но е отворен въпросът за това каква би била функцията“. С други думи, какво еволюционно предимство би дало използването на квантови сигнали на лещата? Един от начините да се разгледа този въпрос е да се направи справка за разликата между работата на класическия компютър, който използва битове, и квантовия компютър, който използва квантови битове. Двете системи работят по различни начини, което означава, че са подходящи за решаване на различни видове проблеми. Може би по подобен начин всички квантови сигнали, преминаващи между импулсите, ще им дадат уникален начин за изпращане на информация - с цел, която все още не сме разбрали напълно.
Друга възможност е квантовата комуникация да позволява на лещите да предават съобщения, без те да се губят при предаването. Тъй като биофотоните се излъчват от всички живи същества, сигналите на лещата биха могли да бъдат заглушени от излъчванията на заобикалящата ги органична материя, обяснява Сифра. Възможно е, уточнява Скоулс, квантовата кохерентност да позволи на сигналите да преминат въпреки този фонов шум.
Бенфато признава, че засега доказателствата за квантовата леща са съвсем скромни. Въпреки това продължава напред с нов проект на експеримента, който прави съотношението сигнал/шум 100 пъти по-добро. Ако искаме да чуем тайния шепот на тези семена, може би ще ни помогне да се отървем от шумните им съседи на една покълваща леща.
Справка:
BIOPHOTONS - NEW EXPERIMENTAL DATA AND ANALYSIS; M. Benfatto, C. Curceanu et al.; https://arxiv.org/ftp/arxiv/papers/2305/2305.09524.pdf
Biophotons and Emergence of Quantum Coherence—A Diffusion Entropy Analysis; Maurizio Benfatto, Elisabetta Pace, Catalina Curceanu, Alessandro Scordo, Alberto Clozza et al; Entropy 2021, 23(5), 554; https://doi.org/10.3390/e23050554
Kučera, O., Cifra, M. Cell-to-cell signaling through light: just a ghost of chance?. Cell Commun Signal 11, 87 (2013). https://doi.org/10.1186/1478-811X-11-87
Източник: Mystery of the quantum lentils: Are legumes exchanging secret signals?, New Scientist
