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2015-09-04 15:23:23Newswise — Are the mysteries of quantum physics and consciousness related?
뉴스와이즈 - 인간의 의식과 양자물리학의 신비 간에 연결고리가 있는가?
A fierce debate has raged for decades over whether quantum coherence can occur in the brain to support the conscious mind. In the mid 1990s British physicist Sir Roger Penrose and American anesthesiologist Stuart Hameroff proposed that consciousness depends on quantum computations in microtubules inside brain neurons. The proposal has been viewed skeptically, and harshly over the years, as technological quantum computers require isolation and extreme cold to avoid ‘decoherence’ by thermal vibrations. The conventional wisdom has considered the brain far too “warm, wet and noisy” for seemingly delicate quantum functions.
지난 수 십년 동안 양자결맞음 현상이 뇌에서 일어나는지, 그리고 이것이 인간의 의식 유지에 필요한지에 대해
열띤 토론이 벌어졌다. 1990년 중반에 영국 물리학자 로저 펜로즈와 미국 마취학자 스튜어트 헤머로프는
인간의 의식이 뇌 뉴런 내 미세소관에서 일어나는 양자컴퓨팅과 관련이 있다는 가설을 내놓았다.
해당 가설은 수 년동안 많은 비판의 대상이 되었는데, 왜냐하면 현재 인공적인 양자 컴퓨터가 작동하려면
외부 영향으로부터의 차단 및 극저온 환경을 조성하여 열적 요동으로 인한 양자결깨짐 현상을 방지해야 하기 때문이다.
기존의 관점에서 보면 뇌는 양자컴퓨팅이 일어나기에는 너무나도 "따뜻하고, 습기가 많으며 시끄러운" 장소였다.
But nature is resourceful. Photosynthesis, the ubiquitous and essential mechanism by which plants produce food from sunlight, has been shown since 2006 to routinely utilize quantum coherence at warm temperatures. Photons from the sun are absorbed within plant cells, the collected energy then transported through a protein to another region for chemical energy and food.
하지만 자연은 항상 우리보다 똑똑하다. 광합성, 즉 식물이 햇빛에서 영양분을 만들어내는데 필수적이면서
어디서나 흔히 발견되는 이 기제가 실온에서도 양자결맞춤 현상을 지속적으로 이용한다는 사실이 2006년에 밝혀졌다.
태양으로부터 오는 광자는 식물 세포에 흡수되며, 이 흡수된 에너지는 다시 단백질을 통해 다른 구역으로 옮겨져
화학에너지 및 영양분의 생산에 사용된다.
It turns out that the collected photon energy is first converted to electronic excitations in distinct intra-protein ‘chromophores’, each an array of ‘pi’ electron resonance clouds, and then transported as electronic excitations (‘excitons’), dipole couplings or ‘resonance energy transfers’ which ‘hop’, or spread through the protein, not just from one chromophore to another, but among all chromophores at the same time in quantum coherent superposition! Heat in the form of thermal vibrations pumps, rather than disrupts, quantum coherence, the end result being highly efficient conversion of sunlight to food, extremely important to life on earth.
그런데 이 과정에서 흡수된 광자의 에너지가 먼저 단백질 내부의 발색단(각 발색단은 일종의 파이전자 공명구름 배열이다)에서
전자적 요동으로 변환된 후 전자적 요동(엑시톤, 여기자), 쌍극자 결합 또는 공명에너지이동의 형태로 단백질을 통해
한 발색단에서 다른 발색단으로 '도약' 또는 확산할 뿐만 아니라, 양자결맞음 중첩 현상을 이용하여
동시에 모든 발색단으로 확산되는 것이 발견되었다! 이 과정에서 열은 일종의 열적 요동으로 양자결맞음을
방해하기보다 강화해주며, 그 결과 지구상 생명에 매우 중요한 햇빛-영양분 변환과정을 매우 효율적으로 수행할 수
있도록 도와준다.
Back in the brain, microtubules are components of the cytoskeleton inside neurons, cylindrical lattice polymers of the protein ‘tubulin’. Microtubules are theorized to encode memory, regulate synapses and act as quantum computers generating consciousness. The latter claim has been criticized, but now it appears quantum mechanisms eerily similar to those in photosynthesis may operate in tubulins within microtubules.
다시 뇌로 돌아가자. 위에서 말한 미세소관이란 뉴런 내 세포골격을 구성하는 요소로써,
'튜불린' 단백질의 중합체이자 실린더형 격자의 모양을 하고 있다. 이론에 따르면, 미세소관은 기억을 코드화하고
시냅스를 제어하며 인간의 의식을 형성하는 양자컴퓨터로써 기능한다. 미세소관이 정말로 양자컴퓨터인지에 대해서는
많은 비판이 있었지만, 최신 연구결과에 따르면 미세소관 내 튜불린 단백질을 제어하는 양자학적 현상이
광합성 과정에서 볼 수 있는 양자학적 현상과 매우 유사하는 사실이 밝혀졌다.
In an article published September 17 by the Journal of the Royal Society – Interface a team of scientists from Nova Southeastern University and the University of Arizona in the US, and the University of Alberta in Canada used computer simulation and theoretical quantum biophysics to analyze quantum coherence among tryptophan pi resonance rings in tubulin, the component protein in microtubules.
9월 17일에 발간된 영국왕립학회 저널에 따르면, 미국 소재 노바 사우스이스턴 대학과 아리조나 주립대학, 그리고
캐나다 소재 알버타주립대학이 참여한 공동연구에서 연구진은 컴퓨터 시뮬레이션과 양자생물물리학 이론을 사용하여
미세소관의 구성 단백질인 튜불린 내부의 트립토판 파이공명링 간의 양자결맞음을 분석하였다.
Professor Travis Craddock of Nova Southeastern University and colleagues mapped locations of the tryptophan pi electron resonance clouds in tubulin, and found them analogous to chromophores in photosynthesis proteins.
노바 사우스이스턴 대학의 트래비타 크래독 교수와 그 동료들은 튜불린 내 트립토판 파이 전자공명구름의 위치를 기록했으며,
그 결과 그것들이 광합성 단백질 내에 있는 발색단과 유사하는 사실을 발견하였다.
Eight tryptophans per tubulin are spatially arrayed nanometers apart, geometrically similar to the 7 chromophores in photosynthetic proteins. Calculations showed plausible quantum dipole coupling among tryptophan pi resonance clouds, mediated by exciton hopping or Forster resonance energy transfer (FRET) across the tubulin protein. Quantum coherence was enhanced by mechanical vibrational resonance, also similar to photosynthesis proteins.
각 튜불린마다 8개씩 있는 트립토판은 서로 간에 8나노미터 간격으로 떨어져 있으며,
기하학적으로 광합성 단백질 내부에 있는 7개의 발색단과 유사하다. 계산 결과에 따르면,
엑시톤 도약 또는 포스터공명에너지이동을 매개로 하는 트립토판 파이공명구름 간의 양자 쌍극자 결합이
튜불린 내에서 발생할 수 있다. 또한 광합성 단백질과 유사한 방식으로 양자결맞춤이 기계적진동공명으로 강화되는 것을
확인하였다.
Craddock’s team also found that resonance transfer between tryptophans in adjacent tubulins is plausible, e.g. along the microtubule length. This implies the likelihood of quantum coherent states extending through mesoscopic and macroscopic lengths in microtubules.
크래독이 이끄는 연구진은 이 외에도 공명이동이 주변 튜불린 내 트립토판과도 가능하다는 점을 발견하였다.
즉 공명이동이 미세소관의 길이를 따라 이동할 수 있다는 것이다. 이는 곧 양자결맞춤상태의 확률이 미세소관 내에서
중시적 거리와 거시적 거리를 따라 확산될 수 있다는 점을 시사한다.
Along with recent evidence for coherent megahertz vibrations in microtubules, and that anesthetics act to erase consciousness via microtubules, quantum brain biology will become increasingly important.
Professor Jack Tuszynski of the University of Alberta, senior author on the study, “If a potato or rutabaga can utilize quantum coherence, it's likely our brains could have figured it out as well.”
최근에는 미세소관 내에서는 결맞음진동 현상이 발생하며, 또한 마취제가 미세소관에 영향을 끼쳐
의식을 지울 수 있다는 증거가 속속 발견되고 있다. 따라서 양자뇌생물학은 시간이 갈수록 중요한 분야에 될 것으로 보인다.
해당 연구의 수석저자인 알버타 대학의 잭 투신스키 교수에 따르면,
"만일 감자나 순무가 양자결맞음 현상을 이용한다면, 인간의 뇌도 그러지 말라는 법이 없지요"
Top: A microtubule, polymer of ‘tubulin’ proteins inside neurons. Bottom: Tubulin with 8 tryptophan chromophores (blue). Red lines and numbers between tryptophans indicate dipole coupling strengths in cm-1
(image courtesy of: Travis J.A. Craddock)
그림 위쪽에는 신경 내부에 위치한 미세소관이 그려져 있다. 미세소관은 '튜불린' 단백질로 구성된 중합체이다.
그림 아래쪽에는 8개의 트립토판 발색단(파란색)을 가진 튜불린이 그려져 있다.
트립토판 사이에 그려져 있는 빨간색 선과 숫자는 단위가 cm-1인 쌍극자결맞춤강도를 나타낸다.
(그림 제공자: 트래비스 J.A. 크래독)
낄낄낄
