Jetzt, da wir über bio- / molekulare Werkzeuge verfügen, mit denen lebende Organismen mit Quantenberechnungen umgehen können, z. B. die ausgefallenen Proteine, mit denen Vögel mit der Quantenkohärenz umgehen können (z. B. die Quantennadel des Vogel-Magnetkompasses oder das Doppelkegel-Lokalisierungs- und saisonale Expressionsmuster) Rolle bei der Magnetorezeption für das europäische Robin-Cryptochrom 4 ) Ich frage mich:
- Lösen diese Tools bereits Probleme, die Sie (Quantencomputerforscher) haben?
- Gibt es ein bestimmtes Problem, mit dem diese Tools Probleme lösen müssen, mit denen Sie in Ihren Labors zu kämpfen haben?
- Können wir sie verwenden (obwohl dies einen Paradigmenwechsel in Richtung Biotechnologie impliziert)?
Antworten:
Es wurden einige Arbeiten zum Thema Biocomputing durchgeführt , Quantencomputing , Spinchemie und magnetochemischen Reaktionen durchgeführt.
Korrelierte Radikalpaare - Paare von transienten Radikalen, die gleichzeitig erzeugt werden, so dass die beiden Elektronenspins, einer auf jedem Radikal, korreliert sind - auf photoaktiven magnetorezeptiven Proteinen wie Cryptochromen stellen keine Quantenberechnung dar.
Siehe: " Lichtabhängige Magnetorezeption bei Vögeln: Analyse des Verhaltens unter Rotlicht nach Vorbelichtung mit Rotlicht " von W. Wiltschko, Gesson, Noll und R. Wiltschko im Journal of Experimental Biology, 2004.
Siehe den Artikel " Vision-based animal magnetoreception " auf der QuantBioLab-Website der Forschungsgruppe Quantenbiologie und Computerphysik der University of Southern Denmark (SDU):
Abbildung 7. Schematische Darstellung eines Vogelauges und seiner wichtigen Komponenten. Die Netzhaut (a) wandelt Bilder aus dem optischen System des Auges in elektrische Signale um, die entlang der Ganglienzellen gesendet werden, die den Sehnerv zum Gehirn bilden. (b) Ein vergrößertes Retina-Segment ist schematisch dargestellt. (c) Die Netzhaut besteht aus mehreren Zellschichten. Die primären Signale, die in den äußeren Segmenten des Stabs und des Kegels auftreten, werden an die horizontale, die bipolare, die amakrine und die Ganglienzelle weitergeleitet. (d) Das primäre Phototransduktionssignal wird in dem schematisch gezeigten Rezeptorprotein Rhodopsin mit einer stark reduzierten Dichte erzeugt. Die Rhodopsin-haltigen Membranen bilden Scheiben mit einer Dicke von ~ 20 nm und einem Abstand von ~ 15–20 nm voneinander.
Mathematisch gesehen ist der visuelle Kompass bei Vögeln durch eine Filterfunktion gekennzeichnet, die die auf der Netzhaut des Vogels aufgezeichnete magnetfeldvermittelte visuelle Signalmodulation modelliert (siehe Abb. 8).
Abbildung 8. Panoramablick auf Frankfurt am Main. Das Bild zeigt die aus 200 m Höhe aufgenommene Landschaftsperspektive mit den angegebenen Himmelsrichtungen. Das Gesichtsfeld wird durch die Magnetfilterfunktion verändert; Die Muster sind für einen Vogel mit Blick auf acht Himmelsrichtungen (N, NE, E, SE, S, SW, W und NW) dargestellt. Der Neigungswinkel des Erdmagnetfelds beträgt 66 ° und ist ein für die Region charakteristischer Wert.
Ein biomechanischer Computer wurde geschaffen. Bio4Comp, ein EU-finanziertes Forschungsprojekt, hat biomolekulare Maschinen mit einer Größe von nur wenigen Milliardstel Metern (Nanometern) geschaffen. Das Actin-Myosin-System und das Mikrotubulus-Kinesin-Beweglichkeitssystem können Probleme lösen, indem sie sich durch ein nanofabriziertes Netzwerk von Kanälen bewegen, das einen mathematischen Algorithmus darstellen soll. Diesen Ansatz nannten wir „netzwerkbasierte Biocomputation“. Wenn die Biomoleküle einen Knotenpunkt im Netzwerk erreichen, addieren sie entweder eine Zahl zu der Summe, die sie berechnen, oder lassen sie weg. Auf diese Weise fungiert jedes Biomolekül als winziger Computer mit Prozessor und Speicher. Ein einzelnes Biomolekül ist zwar viel langsamer als ein aktueller Computer, es baut sich jedoch selbst auf, sodass es in großer Zahl verwendet werden kann, wodurch sich seine Rechenleistung schnell aufsummiert. Ein Beispiel dafür ist im Video auf der Website zu sehen.
"Der erste Schritt bei der Lösung mathematischer Probleme mit netzwerkbasierter Biocomputation besteht darin, das Problem in ein Netzwerkformat zu codieren, damit molekulare Motoren, die das Netzwerk erkunden, das Problem lösen können. Wir haben bereits Netzwerkcodierungen für mehrere NP-vollständige Probleme gefunden, die besonders schwierig sind Zum Beispiel haben wir Teilmengen-Summe, exakte Deckung, boolesche Erfüllbarkeit und Handlungsreisender codiert .
Im Rahmen des Bio4Comp-Projekts werden wir uns darauf konzentrieren, diese Kodierungen so zu optimieren, dass sie effizient mit biologischen Arbeitsstoffen gelöst und leichter skaliert werden können. Analog zu optimierten Computeralgorithmen können optimierte Netzwerke die Rechenleistung (und damit die Anzahl der Motorproteine) erheblich reduzieren, die zum Finden der richtigen Lösung erforderlich sind. "- Quelle: Bio4Comp Research .
Eine weitere interessante Arbeit, die meine Antwort unterstützt, dass Radikalpaare keinen Quantencomputer darstellen, sondern lediglich eine quantenbiochemische Reaktion sind, die die Spinchemie demonstriert, ist " Quantensonde und Design für einen chemischen Kompass mit magnetischen Nanostrukturen " von Jianming Cai (2018).
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Es wurde viel über die Quantenbiologie geschrieben . Eine etwas alte und doch solide Version ist die von Phillip Ball, The Dawn of Quantum Biology (Nature 2011, 474, 271-274). Lassen Sie uns dies vorerst nicht überprüfen und uns stattdessen auf Ihre Fragen konzentrieren.
Zur ersten Frage: ( Löst sie unsere Probleme? )
Ein von der Quantenbiologie beschriebenes System (oder Verfahren) ist nicht trivial quantenmechanisch und daher interessant, aber meines Wissens ist es auch kein Multi-Qubit , also nicht wirklich das, worum es beim Quantencomputing geht. Insbesondere: Derzeit bekannte quantenbiologische Prozesse bieten keine Skalierbarkeit, und sie bieten auch keine quantenlogischen Gatter (oder zumindest nicht so, wie wir sie verstehen), geschweige denn Quantenalgorithmen. Als Antwort ist dies hauptsächlich ein Nein: Diese Tools lösen unsere Probleme nicht.
Zur zweiten Frage: ( Löst sie ein bestimmtes Problem, mit dem wir zu kämpfen haben? )
Eine zuverlässige Quantenkohärenz auf dem Festkörper, in komplex strukturierten Systemen und bei hohen Temperaturen ist etwas, das wir alle gerne gelöst sehen würden, und zumindest zu einem gewissen Punkt geht es darum, worum es in der Quantenbiologie geht. Nach heutigem Kenntnisstand ist dies in der Tat ein spezielles Thema, an dem die Mitarbeiter in den Labors arbeiten und das in der Biologie gelöst zu sein scheint (da Moleküle komplexe Nanostrukturen sind). Wann immer wir in unseren Labors in der Lage sind, zuverlässig Quantenkohärenz im Festkörper, in komplex strukturierten Systemen und bei hohen Temperaturen zu erreichen, werden wir der Nützlichkeit und der Billigkeit viel näher kommen. Als Antwort ist das ein Ja.
Zur dritten Frage: ( Können wir Biomoleküle als Quantenhardware verwenden? )
Sie sind noch nicht in der Hauptliga, um es gelinde auszudrücken. Selbst als optimistische Spekulation würde ich sagen, dass sie in naher Zukunft nicht mit den Big Playern konkurrieren werden , aber ich glaube, dass die Forschung in einigen Fällen Fortschritte in Bezug auf DNA-Origami (und verwandte Strategien) in der Molekularbiologie und der synthetischen Biologie macht Punkt biomolekularen Qubits eine Rolle innerhalb der Untergruppe der molekularen Spin Qubits spielen. Insbesondere wäre der Schlüssel zur Relevanz, die (scheinbar nachgewiesene) Kohärenz unter ungewöhnlichen Bedingungen (warm, nass) mit der unerreichten Fähigkeit von Biomolekülen zu extrem komplexer Selbstorganisation in funktionale Strukturen zu kombinieren. Da (kohärente, organisierte) molekulare Spin-Qubits mein Forschungsgebiet sind, möchte ich auf einige relevante Arbeiten verweisen. Erstens eine erste Reaktion auf das erste Magnetmolekül, die hinsichtlich der Kohärenz mit regulären Festkörperkandidaten wettbewerbsfähig war, und damit, wie Magnetmoleküle wieder im Rennen um den Quantencomputer sind . Und auch dieser Vorschlag (Offenlegung: Ich bin ein Autor) über das arXiv, warum und wie man Peptide als vielseitige Gerüste für das Quantencomputing verwenden könnte .
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Aufgrund der Schwierigkeit, wissenschaftliche Beweise zu reproduzieren, gab es in der Biologie zahlreiche wissenschaftliche Debatten über den Nachweis von Quanteneffekten. Einige haben Hinweise auf Quantenkohärenz gefunden, während andere argumentierten, dass dies nicht der Fall ist. (Ball, 2018).
Die jüngste Forschungsstudie (in Nature Chemistry, Mai 2018 ) ergab Hinweise auf ein spezifisches oszillierendes Signal, das auf eine Überlagerung hinweist. Die Wissenschaftler fanden theoretisch exakt erwartete Quanteneffekte und bewiesen, dass diese zu der Energie gehören, die zwei Molekülen gleichzeitig überlagert. Dies führte zu der Schlussfolgerung, dass biologische Systeme dieselben Quanteneffekte aufweisen wie nichtbiologische Systeme.
Diese Effekte wurden im Fenna-Matthews-Olsen-Reaktionszentrum der Bakterien - Chlorobium Tepidum (Borroso-Flores, 2017) beobachtet.
Untersuchungen belegen, dass die Dimensionen und Zeitskalen der photosynthetischen Energieübertragungsprozesse nahe an der Grenze zwischen Quanten und Klassik liegen. Hierfür gibt es verschiedene Erklärungen, aber sie scheinen darauf hinzudeuten, dass ein energetisch verrauschtes Quanten- / klassisches Limit ideal für die Steuerung des Anregungsenergietransfers ist. Keren 2018.
Quantenbiologie als biologischer Halbleiter
PJ Hore (2016).
Die Begriffe "Spin-Singuletts" und "Tripletts" werden in der Spintronik (zur Untersuchung von Halbleitern) und die Begriffe "Radikalpaare" (einschließlich Spin-Singuletts oder Tripletts) in der Biologie verwendet. Alle Begriffe beschreiben jedoch die gleichen Phänomene (nur in verschiedenen Disziplinen). Vor kurzem gab es interdisziplinäre Aufrufe zur Integration von Spinchemie und Spintronik in Anerkennung dieses J Matysik (2017).
Biologische Halbleiter, die bereits von Wissenschaftlern identifiziert wurden, umfassen Melanin und Peptide, und Peptide werden derzeit als Gerüste für das Quantencomputing untersucht.
Ultraschneller Elektronentransfer und Speicherung elektronischer Spininformationen in einem Kernspin
Rienk van Grondelle.
Bei der Ladungstrennung in photosynthetischen Reaktionszentren können Triplettzustände mit molekularem Sauerstoff reagieren und zerstörerischen Singulettsauerstoff erzeugen. Es wird beobachtet, dass die Triplett-Produktausbeute in Bakterien und Pflanzen durch schwache Magnetfelder verringert wird. Es wurde vermutet, dass dieser Effekt auf die photochemisch induzierte dynamische Kernpolarisation im Festkörper (Photo-CIDNP) zurückzuführen ist. Dies ist eine effiziente Methode zur Erzeugung einer Nichtgleichgewichtspolarisation von Kernspins mithilfe chemischer Reaktionen, die Radikalpaare als Zwischenprodukte aufweisen ( Adriana Marais 2015). Innerhalb der Biologie könnte ein solcher Mechanismus die Beständigkeit gegen oxidativen Stress erhöhen.
Es wurde festgestellt, dass ein Zusammenhang zwischen den Bedingungen des Auftretens von Photo-CIDNP in Reaktionszentren und den Bedingungen des unübertroffenen effizienten lichtinduzierten Elektronentransfers in Reaktionszentren besteht. J Matysik 2009, IF Cespedes-Camacho und J Matysik 2014.
Ein CIDNP-Effekt wurde im Fenna-Matthews-Olsen-Reaktionszentrum beobachtet (Roy et al. 2006).
Ein CIDNP-Effekt wurde auch bei Flavinadenindinukleotid (FAD) beobachtet ( Stob 1989) .
FAD ist an Quanteneffekten beteiligt, die in Cryptochrom- und anderen biologischen Redoxreaktionen theoretisiert werden. Die weit verbreitete Theorie besagt, dass die Photoanregung des nicht kovalent gebundenen Flavinadenindinukleotid (FAD) -Kofaktors in Cryptochrom während der Reaktion auf Magnetfelder zur Bildung von Radikalpaaren über sequentielle Elektronentransfers entlang der „Tryptophan-Triade“ führt. eine Kette von drei konservierten Tryptophanresten innerhalb des Proteins. Dieser Prozess reduziert den photoangeregten Singulettzustand des FAD zum Anionenradikal. Ebenso wie das Photo-CIDNP-MAS-NMR detaillierte Einblicke in den photosynthetischen Elektronentransport in Reaktionszentren liefert, wird dies in einer Vielzahl von Anwendungen in mechanistischen Studien erwartet anderer photoaktiver Proteine.
J Matysik (2017).
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Dies ist eine Erweiterung des obigen Anin-Posts (ich konnte nicht mehr auf das Anin-Konto zugreifen, habe daher unter dem Tag "systematisch" ein neues Konto erstellt.
Die Quantenbiologie kann die praktischen Probleme des Quantencomputers nicht einfach so lösen, wie sie sind - da die Biologie nicht einfach eine Form von Halbleiter oder Quantencomputer ist.
Ich stelle fest, dass führende Wissenschaftler wie PJ Hore (oben zitiert), die am Radikalpaarmechanismus in der Biologie arbeiten, von Anfang an eng mit der NMR-Forschung verbunden waren.
Diese Wissenschaftler sind sich möglicherweise sowohl des Nutzens als auch der Fallstricke interdisziplinärer Arbeit bewusst. Eines der größten Risiken bei akademischen Studien besteht darin, dass wir beim Ziehen von Parallelen zwischen Disziplinen Unterschiede ignorieren können. Daher würde ich denjenigen, die in den Bereichen Quantenbiologie, Biocomputing und Quantencomputing arbeiten, raten, offen für Unterschiede und Gemeinsamkeiten zu bleiben. Die Biologie hat sich über Jahrmillionen weiterentwickelt (und passt sich immer noch an). Die Wiederholung von Erkenntnissen in der Biologie kann aus diesem Grund Kopfschmerzen bereiten. Biologen können feststellen, dass die Arbeit mit einer anderen Probe oder geringfügige Änderungen in einer Umgebung die Ergebnisse erheblich verändern können. Was für eine Art gilt, gilt möglicherweise nicht für andere. Es ist daher immer wichtig, beim Lesen der Biowissenschaften breit zu lesen.
Es ist unwahrscheinlich, dass die Biologie einfach zu bestehenden Konzeptualisierungen innerhalb von Computer oder Physik passt. Wissenschaftler müssen die Phänomene als etwas Unbekanntes untersuchen und über viele Möglichkeiten verfügen, von denen einige Vorurteile in Frage stellen können, die sie bereits haben.
Zum Beispiel wird es von begrenztem Nutzen sein, sich bei der Erforschung der Quanteneffizienz (innerhalb biologischer Prozesse) nur auf den Radikalpaarmechanismus zu konzentrieren, ohne deren weiteren Kontext zu verstehen.
Kontext verstehen
Untersuchungen belegen die Wechselwirkung von Cryptochrom mit Redox und biologischen Zeitmechanismen in Mäusemodellen (Harino et al., 2017 ). Und weiter verbreitet ist eine wachsende Literatur über die Wechselwirkung von Redox und circadianen Rhythmen (auch durch circadianes Gating) zwischen vielen Pflanzen- ( Guadagno et al., 2018) und Tierarten. In jüngster Zeit wurden circadiane Rhythmen der Erzeugung von reaktiven Sauerstoffspezies (ROS) und ROS-abfangenden Enzymen identifiziert , und es gibt auch circadiane Rhythmen der ROS-erzeugenden Photosynthese ( Simon et al., 2019 ). Wenn Sie mehr über zirkadiane Rhythmen erfahren möchten, empfehle ich Ihnen, sich Alfred Goldbeters Arbeit anzusehen.
Die Biologie trennt nicht alles in einzelne Komponenten
Der Betrieb solcher Zeitsteuerungsmechanismen hat Auswirkungen auf die Quanteneffizienz [ Garzia-Plazaola et al., 2017 ; Schubert et al., 2004 ) in der Biologie. Sorek und Levy (2012) haben auch Beziehungen zur Temperaturkompensation untersucht. Es scheint, dass die Biologie Licht- und Temperatursignale eher integriert als getrennt behandeln kann ( Franklin et al., 2014) .
Das Cry-Gen verändert die Blaulicht-Phototransduktion (<420 nm), die biologische Uhren, räumliche Orientierung und Taxis in Bezug auf Schwerkraft, Magnetfelder, Sonnen-, Mond- und Himmelsstrahlung bei verschiedenen Arten beeinflusst ( Clayton, 2016).
Gedächtnis konzipieren
Ein weiteres Problem bei der Entwicklung neuer Speichertechnologien ist die Konzeptualisierung des zu verwendenden Speichers. Wenn Sie versuchen, Erkenntnisse aus der Biologie zu gewinnen, ist es möglicherweise hilfreich, die neueste Literatur zum biologischen Gedächtnis zu lesen.
Das Konzept des Archivspeichers als eine bestimmte Form des Computerspeichers (Codieren, Speichern und Abrufen) ist historisch und wohl veraltet (z. B. Zeichnen auf Atkinson und Shiffrin, 1968). Heute gibt es viele Konzeptualisierungen von Erinnerungen aus verschiedenen Disziplinen.
Über viele Disziplinen hinweg wird das Gedächtnis heute eher als konstruiert oder erzeugt denn als „Wahrheit“ angesehen. Eine solche Konzeptualisierung findet sich zunehmend in den Neurowissenschaften, wo mit Licht Erinnerungen rekonstruiert oder durch Optogenese neue implantiert werden .
Viele Konzeptualisierungen konzentrieren sich auf den räumlich-zeitlichen Aspekt des Gedächtnisses. Zum Beispiel innerhalb des Konzepts von mentalen Zeitreisehistorische Informationen (identifiziert mit einer anderen Zeit und einem anderen Ort) werden in der Gegenwart überarbeitet und umgestaltet - möglicherweise entsprechend den Erfordernissen des aktuellen Umfelds. Vergangenheit und Zukunft existieren also nicht fixiert, sondern als vielfältige Möglichkeiten, bevor sie durch eine Technik der Erinnerung kollabieren. Vorhersage basierend auf historischen Daten ist selbst eine Technik zum Umformen des Gedächtnisses. Menschliche Techniken oder Praktiken des Gedächtnisses wurden von Menschen geschaffen (basierend auf der Philosophie - von Platon bis Husserl) und können daher nicht als angeboren angesehen werden. Wenn wir Techniken anwenden, die mit der Philosophie der Aufklärungsperiode verbunden sind, werden wir das Gedächtnis entsprechend formen (dh an klassischen Formen der Physik festhalten), aber es gibt Alternativen aus philosophischen Gebieten wie der Phänomenologie, die für das Quantenspeicher geeigneter sein können.
Etwas alternative Konzepte des Quantenspeichers wurden bereits vorgestellt.
Eine Reihe von Disziplinen erkennt auch an, dass das Vergessen (mehr als man sich erinnert) ein notwendiger Aspekt des biologischen Gedächtnisses ist - obwohl nicht klar ist, ob die Informationen ausgelöscht oder nur aus dem Bewusstsein zurückgehalten werden, bis die Gelegenheit dazu entsteht, dass sie offen für das Sein werden wieder zugegriffen und umgestaltet. Es wird auch anerkannt, dass das Gedächtnis über das Individuum hinausgeht und in biologischen Kollektiven geteilt wird.
Generativer Code?
Sie könnten überlegen, wie quantenbiologische Systeme Code erzeugen könnten. Ein Hinweis darauf könnte in unserem eigenen visuellen System liegen. Wir haben Materialien wie Cryptochrom in unserer eigenen Retina, die auf Licht und Magnetfelder reagieren ( Foley et al., 2011)
Es wurde vorgeschlagen, dass Phosphene (die in unserem visuellen Kortex als Reaktion auf flackerndes Licht und elektromagnetische Felder erzeugt werden können) das Ergebnis von lichterzeugenden Radikalreaktionen von reaktiven Sauerstoffspezies (ROS) und nichtradikalem ROS sind, die zur Oxidation von Biomolekülen führen Selbstrekombination organischer Radikale und Übertragung von Anregungsenergie auf Chromophore. Császár et al., 2015 .
Phosphene erzeugen eine große Auswahl an geometrischen Formen und Farben. Diese können möglicherweise als Code / Speicher fungieren .
Gerne erkenne ich meine eigenen Einschränkungen
Die obigen Angaben stellen jedoch nur Ideen dar, die ich aus meinen eigenen Untersuchungen (in verschiedenen interdisziplinären Graden) gewonnen habe. Die Biologie geht weit darüber hinaus und es wird sich wahrscheinlich herausstellen, dass sie auf verschiedene Arten und Umgebungen wirkt. Manche mögen feststellen, dass eine solche Unsicherheit beunruhigend ist, aber für mich ist dies ein großes Versprechen für die Zukunft. Beispielsweise kann sich die Biologie so entwickeln, dass sie in ihrer Umgebung nur sehr wenig Umweltverschmutzung verursacht.
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