Wednesday, November 25, 2009

Kakšno zvezo ima kvantna mehanika z zavestjo, 3. del

Od kar sem napisal prvi in drugi del je minilo kar nekaj časa, kar sploh ni tako pomembno, saj je ta del precej neodvisen. Prvi zapis o tem kakšno zvezo ima kvantna mehanika z zavestjo je govoril predvsem o osnovah te veje fizike, s katerimi sem hotel pokazat, kako na primer kemiki uporabljajo teorijo za izračune lastnosti molekul pri čemer si ne dovoljujejo filozofiranja, ker jim je odveč. Kot protiutež sem v drugem delu predstavil visokoleteče interpretacije in možne ontologije, ki se na teorijo prilegajo. Razmišljanja v teh dveh dosedanjih zapisih se sučejo okoli fizike in filozofije, tokrat pa bom predstavil pogled biologa ali natančneje rečeno fiziologa, ki se ukvarja s tem, kako bi možgani sploh lahko delovali po načelih kvantne mehanike.
Na Stanforski enciklopediji filozofije sta predstavljeni dve zamisli o prepletu nevrofiziologije in kvantne mehanike. Oba modela je skoval dvojec fizik-fiziolog in oba bom predstavil v nadaljevanju.

Beck & Eccles

En model pripada F. Becku in J. C. Ecclesu. Prvi od teh dveh bistrih glav je kot že oznanjeno fizik, drugi pa fiziolog. Eccles je s svojim delom pripomogel veliko k razumevanju stika med živčnimi celicami imenovanega sinapsa in za to prejel Nobelovo nagrado. Okoli področja, ki ga najbolj pozna, je Eccles začel razvijati svoje razmišljanje in na pomoč mu je pozneje priskočil fizik Beck. Po njunem mnenju torej kvantna mehanika vskoči v možganske procese ravno v sinapsi.

Da lahko razložim kaj je njujina zamisel, bom na kratko razložil klasičen model prenosa signala v sinapsi. Umetniška upodobitev sinapse s katero si lahko pomagamo med razlago je na sliki 1. Proces prenosa se začne, ko signal pripotuje po nevronu do konca, do stika tih dveh celic. Takrat se iz enega izmed veziklov (na sliki v zeleni barvi), nekakšnih membranskih mehurčkastih tvorb, sprosti nevrotransmiter. To so molekule, ki se vežejo na receptorje na drugem nevronu, ki nato prične prevajati signal naprej.


slika 1

Zamisel Ecclesa lahko razumemo ob bolj podrobnem pregledu sproščanja nevrotransmiterja iz veziklov. Izmed vseh veziklov v končiču prve živčne celice se ob prispelem signalu sprosti le en, drugi so v trenutku zavrti. Trenutni stop signal vsem veziklom spominja na kvantno delovanje na daljavo. Drugi, še bolj asociativni pojav je, da se količina nevrotransmiterja sprošča vedno v enakih paketih. Eccles intuitivno zaznava, da bi lahko tukaj imela prste vmes kvantna mehanika, in ima zato že pripravljen mehanizem delovanja. Po njegovem mnenju so vezikli pred sprostitvijo nameščeni v nekakšni posebni strukturi (slika 2), kar jim omogoča, da med seboj kvantno interagirajo, posameznemu veziklu pa omogoča sprostitev s pomočjo kvantnomehanskega tunnelling efekta. To hipotezo je fizikalni del dvojca podprl z nekaj enačbami, ki v končni izpeljavi pripeljejo do valovne funkcije za sprostitev nevrotransmiterja iz vezikla. To pomeni, da se neurotransmiter ne sprosti vsakič, ko signal prispe do sinapse, ampak da se sproščanje pokorava neki verjetnostni porazdelitvi, ki jo narekuje valovna funkcija. Dogajanje na membrani nevrona pred sinapso, kjer so vsidrani vezikli, v tem modelu torej ni deterministično.

slika 2

Ne ustrašite se zdaj, kajti to nikakor ne pomeni, da nevroni delujejo naključno in po svoje, kakor se jim zahoče. Saj vendar iz vsakdanjega življenja vidimo, da morajo možgani, ki nas upravljajo delovati po nekih pravilih. Tako se tudi vezikel od signalu za sproščanje sprosti s povprečno verjetnostjo 0.25, kvantna mehanika pa poskrbi za majhne variacije. Kako torej ta majhna variacija v verjetnosti sproščanje le vpliva? Ker imamo v možganih na miljarde sinaps, se lahko z majhnim popravkom v vsaki od teh naše vedenje pobegne determinizmu. Recimo torej, da je duh nekaj, kar v vsaki sinapsi povzroči majhno odstopanje od povprečne verjetnosti sproščanja neurotransmiterja, kar v seštevku pomeni makroskopsko viden učinek.

Jaz sem do tega modela zelo zadržan zaradi več razlogov. O opisani sturkturi na presinaptičnem nevronu nisem našel niti članka, fizikalni del z enačbami pa je zelo preprost in meni predstavlja naiven pogled fizikov na svet biologije na molekularnem nivoju. Kljub temu ta primer razvije nekaj filozofije in zelo mi je všeč Ecclesov seznam štirih dobrih točk njegove lastne teorije: je nevroanatomska, v soglasju z evolucijo (česar nisem obravnaval), uporablja mikrostrukture v nevronih, ter da temelji na kvantni fiziki, seveda.

Hameroff & Penrose

Zamisel drugega para znanstvenikov mi je ljubša, predvsem zato ker je bolj prefinjena na način, da upošteva vse velikostne razrede: drugačno interpretacijo kvantne mehanike, mehanizem na molekularnem nivoju in na nivoju povezav živčnih celic, s tem pa tudi možganov. Ta opis skoka čez vse nivoje od atoma do možganov hipoteze ne naredi pravilnejše, zaradi špekulativnosti je zaenkrat celo nepreverljiva, jo pa naredi zanimivejšo, poda sveže ideje in izgleda že bolj znanstvena.

V tem primeru je za razliko od prejšnjega glavni idejni vodja Roger Penrose, ki je fizik. Pričakovano se s problemom povezave kvantne mehanike in zavesti spopade na njegovem področju, fiziki. Kot pri večini drugih poskusov vpleta zavesti v kvantno mehaniko se tudi po njegovem mnenju pojav, ki ni skladen z determinizmom, zgodi med kolapsom valovne funkcije, ko izmed množice možnih stanj izmerimo le eno. Na tem mestu potem doda nekaj začimb, ki njegovo razmišljanje naredijo zanimivejše. Penrose pravi, da običajni fizikalni kvantnomehanski opis sistemov ni popolen, ker v svojih enačbah ne zajema gravitacije. Gravitacija naj bi torej v prihodnosti bila vključena v teorijo. Z upoštevanjem te majhne a nezanemarljive sile pa bi ugotovili, da imamo v izoliranem kvantnem sistemu sčasoma superpozicijo različnih ukrivljenosti prostora-časa (slika 3). Različna ukrivljenost je namreč rezultat je različne lege mase, torej atomov, elektronov v prostoru. Taka superpozicija ukrivljenosti prostora-časa s časom postane nestabilna in sama kolapsira v eno možnost, druge pa odmrejo.


slika 3

Ker se valovna funkcija ne poruši ob meritvi ali opazovanju, ampak ob nekih svojih notranjih kriterijih neodvisnih od opazovalca Penrose to redukcijo valovne funkcije imenuje »objective reduction« ali krajše OR. V nasprotji s Penrosovo zamislijo bi lahko redukcijo klasične kopenhagenske interpretacije imenovali subjektivna redukcija (SR), saj redukcijo valovne funkcije po kopenhagensko sprožimo z opazovanjem, z našim vpletanjem.

Z objektivno redukcijo se torej zgodi trenutek zavesti , da smo zavestni pa le en trenutek ni dovolj, naša zavest je po Penrosovo sestavljena iz več zaporednih OR, ki potem tvorijo tok zavesti. Da dosežemo dovolj veliko število trenutkov zavesti mora biti predpostavljeni kvantni sistem v naših možganih dovolj velik. OR se namreč zgodi ko produkt časa in energije sistema preseže kritično točko. Več časa kot je sistem v superpoziciji bolj postaja nestabilen. Prav tako je z energijo ali drugače rečeno velikostjo sistema - večji kot je, bolj je nestabilen. Če predstavim na primeru, ima en izoliran elektron tako majhno energijo, da v celotnem času vesolja ne doživi zavestnega trenutka, pa če si ga še tako želi. V sistemu več elektronov produkt časa in energije prej preseže kriterij za OR in zavestni trenutki so pogostejši. Če imamo v naših možganih dovolj velik kvantni sistem, se OR dogajala tako pogosto, da bi lahko mnogo trenutkov zavesti doživljali kot tok zavesti.

Hameroffovi mikrotubuli

Penrose je izdelal svojo teorijo, ki zaheteva velik izoliran sistem v kvantni superpoziciji, za katerega pa potem ni vedel kje v možganih bi se lahko nahajal. Lahko je namreč predstavljati si kvantni računalnik, produkt tehničnega mišljenja inžinirjev, v katerem so pogoji natančno nadzorovani, in ki je izoliran od okolja, ter ohlajeni na temperature blizu absolutne ničle. Malo težje je kaj takega najti v živem bitju, pravzaprav nemogoče. Od okolja izoliran sistem je namreč potreben, da se superpozicija lahko vzpostavi. Ob stalnem trkanju zunanjih atomov v naš sistem, se koherenca prehitro podira, saj lahko od odbitega atoma z meritvijo dobimo informacijo o sistemu. Ob višji temperaturi so trki silovitejš in pogostejši, superpozicije stanj več atomov težko verjetne in to je ključni argument za to, da naši možgani ne morejo biti kvantni računalnik. Mogočepa kje le obstajajo kakšne bljižnice in nepričakovane rešitve problema, biologija nas vedno rada preseneti. Možnosti torej niso velike, treba je najti strukturo v možganih, ki bi zadostovala pogojem, kar pa je že izven Penrosovega področja. Na srečo fizik tu ni ostal sam, pridružil se mu je fiziolog Hameroff, ki je že dolga leta gojil navdušenje za mikrotubule. Drugi dvojec Hamerff-Penrose se je s tem izoblikoval in zdaj je čas, da razložim biokemijski del o mikrotubulih.

Mikrotubuli spadajo med proteine citoskeleta, ki daje celicam oporo, kot jo daje nam naše okostje. Lahko si jih predstavljate kot stebre, ki štrlijo navzven iz jedra celice proti membrani in jo podpirajo (slika 4A). Ta predstava pa ni popolna, saj mikrotubuli niso statični, ampak dinamični in aktivni. Zelo pomembno vlogo imajo na primer pri celični delitvi, ko vlečejo kromosome narazen v dve bodoči ločeni jedri (slika 4B).

slika 4

Hameroff se je za mikrotubule navdušil prav zato, ker se lahko vedejo tako koordinirano in zapleteno. Če si na sliki 5A mikrotubul pogledamo od bližje lahko vidimo, da je ta sestavljen iz veliko manjših podenot, ki se združujejo v nekakšno cev. Ta je lahko mnogo daljša kot na sliki in kar ji omogoča tvorbo omenjenih »stebrov« ali dolgih rok za vleko kromosomov. Na tej sliki se že skoraj vidi posamezne atome, kar pomeni, da smo sedaj prešli v podmikroskopski svet in s tem v svet kvantnih pojavov. Slika 5B predstavlja posamezno podenoto, tubulin, ki gradi mikrotubul, pri čemer shematsko prikazuje, da se lahko molekula prepogiba med dvema možnima stanjema. Ker je med tubulini stlačeni v cevast mikrotubul vlada napetost, se ti komolčijo in s svojo obliko vplivajo na obliko okoliških podenot. Razporeditev podenot v mikrotubulu naj bi bila takšna, da ravnovesno stanje ni nikoli doseženo. Zato se lahko v mikrotubulu s časom pojavljajo različni vzorci razporeditev dveh oblik tubulina, ki potem potujejo vzdolž dolge cevi in prenašajo signal (slika 5C). Če ima mikrotubul nekakšen »input« na začetku cevi in če ima končno tarčo, ki ji sporoča prejeti signal, potem je mogoče tudi, da se s procesom potovanja vzorcev črnobelih tubulinov (slika 5C), informacija na tej poti z nekakšnim algoritmom tudi obdeluje.



slika 5

Na sliki spodaj (slika 6) je prikazana razporeditev mikrotubulov v nevronih, ki potekajo od leve proti desni, ob tem pa jih drugi proteini povezujejo prečno (krajše navpične črtice). Če primerjate to sliko s sliko 5A, vidite da so tukaj mikrotubuli razporejeni drugače, od enega konca nevrona proti drugemu, namesto radialno iz centra. Takšna razporeditev pomeni daljše mikrotubule in tak sistem mikrotubulov je s svojo velikostjo primeren kandidat za Penrose-ov model.

Na tem mestu vemo že dovolj, da si lahko odgovorimo na vprašanje, kako se dogodki na podatomskem svetu, lahko ojačajo do makrosveta na nivo naših vsakdanjih dejanj. Prehod kvantne mehanike v makroskopski svet se prične v jedru posameznega tubulina, kjer protein gradi več aromatskih molekul. To aromatsko jedro proteina je takšne kemične narave, da se tukaj lahko elektroni prosteje gibajo, kar povzroči, da imamo dve energijsko enakovredni stanji, ko so elektroni nagačeni v enem koncu ali drugem skrajnem koncu. Ta pozicija elektronov potem preko različnih molekularnih vzvodov vpliva na obliko tubulina; Elektroni zbrani na »desni« povzročijo, da se tubulin nahaja v določeni od izmed oblik med katerima z lahkoto preklaplja, elektroni zbrani na drugem kocu jedra, nemudoma povzročijo, da tubulin preklopi v drugo možno obliko. Če so elektroni v sredici proteina v superpoziciji, je v superpoziciji tudi celotna podenota – tubulin. Na tem mestu se vedenje elektronov prenese na nivo proteina (več tisoč atomov). Ker pa se tubulini med sabo čutijo zaradi prej omenjene nagačenosti in komolčenja, se ob tem lahko razvije superpozicija po celem mikrotubulu kot enem sistemu. Ko se v superpozicijo postavi dovolj velik del mikrotubula, je dosežena kritična točka, ki jo predvideva Penrose, in zgodi se objektivna redukcija, ter s tem zavestni trenutek. Rezultat kolapsa valovne funkcije je nov vzorec razporedbe oblik tubulinov, ki se zatem prenese naprej v makroskopski svet na raven nevrona, ta pa se zaradi tega recimo sproži in vpliva na celotno trenutno stanje v možganih.


slika 6

Hameroff Penrose-ov model je polznanstven in zaenkrat nepreverljiv. Kar pa nam lepo pokaže je, da preostane fiziologom podmikroskopskega sveta še veliko presenetljivih odkritji v svetu biologije, ki jih človeški tehnični um težko predvidi.


Jaka Kragelj


Prispevek odraža mnenje avtorja in ne nujno tudi društva.

No comments:

Post a Comment