Podemos ter descoberto como seres vivos usam comunicação quântica

Redação do Site Inovação Tecnológica - 22/04/2025

Sistemas vivos mantêm arquiteturas de processamento de informações usando graus de liberdade quânticos fotoexcitados.
[Imagem: Philip Kurian - 10.1126/sciadv.adt4623]

Biologia quântica

A ciência hoje acredita que os organismos vivos funcionam com base na troca de informações por meio de sinais bioquímicos e bioelétricos, como os potenciais de ação entre neurônios, sinapses elétricas, sinapses químicas, hormônios e algumas outras moléculas que participam da comunicação intercelular.

Mas há um problema fundamental nessa explicação: A velocidade e o alcance dessas comunicações variam amplamente, mas não são capazes de explicar uma série de observações, das respostas fisiológicas a estímulos (como a liberação de hormônios em situações de estresse ou reações imunológicas) e da comunicação não localizada (comunicação ou influência entre partes do organismo que parecem não estar conectadas por vias bioquímicas ou bioelétricas conhecidas) até os comportamentos coordenados de grandes grupos, como cardumes de peixes e bandos de pássaros, com mudanças de direção ocorrendo de forma quase instantânea e sincronizada, mesmo a grandes distâncias.

Isto fez surgir um campo novo de estudos, envolvendo a possibilidade da ocorrência de fenômenos quânticos na biologia. Por exemplo, fenômenos como o entrelaçamento quântico, essencial para a computação quântica, podem desempenhar um papel na transferência de informações nos sistemas biológicos de modos que a bioquímica e a bioeletricidade clássicas não conseguem explicar.

Inicialmente houve muito ceticismo sobre isso entre os físicos sobretudo porque o mundo biológico parece ter todas as condições que os fenômenos quânticos mais odeiam, como calor, umidade, interações moleculares contínuas, complexidade estrutural e dinâmica etc - os sistemas quânticos são extremamente sensíveis a interações com o ambiente circundante porque essas interações causam a perda da coerência quântica, incluindo fenômenos como o entrelaçamento e a superposição, que tipicamente são estudados próximos ao zero absoluto, quando tudo está "parado". É por isso que os computadores quânticos devem ser mantidos em temperaturas mais frias que o espaço sideral, e normalmente apenas objetos pequenos, como átomos e moléculas, apresentam propriedades quânticas - e mesmo células são enormes em comparação com eles.

Fenômeno quântico na biologia

A equipe do professor Philip Kurian, da Universidade Howard, nos EUA, ganhou destaque recentemente nesse campo da biologia quântica ao descobrir um efeito distintamente quântico em polímeros de proteínas em solução aquosa, que sobrevive às condições desafiadoras na escala de micrômetros. O trabalho inclusive demonstra que esse efeito pode representar uma maneira que o cérebro tem de se proteger de doenças degenerativas, como Alzheimer e outras demências.

A molécula-chave que permite essas propriedades notáveis é o triptofano, um aminoácido encontrado em muitas proteínas que absorve luz ultravioleta e a reemite em um comprimento de onda maior. Isso envolve a ocorrência da chamada superradiância, um fenômeno regido pela mecânica quântica que ocorre quando um grupo de átomos alcança o entrelaçamento, passando a se comportar de "modo coletivo", emitindo luz ao mesmo tempo - especificamente, a equipe documentou a ocorrência da superradiância de fóton único em ambiente biológico em equilíbrio termal.

Agora, baseando-se naquela descoberta seminal, Kurian foi além, e demonstrou que a capacidade computacional da vida é muito maior do que qualquer estimativa anterior.

A ecocomputação promete IA feita por sistemas naturais.
[Imagem: KyotoU/Jake Tobiyama]

Além dos neurônios

Grandes redes de triptofano se formam em microtúbulos, fibrilas amiloides, receptores transmembrana, capsídeos virais, cílios, centríolos, neurônios e outros complexos celulares.

A confirmação da superradiância quântica nos filamentos do esqueleto celular (citoesqueleto) tem a consequência profunda de que todos os organismos eucarióticos podem usar esses sinais quânticos para processar informações. Todos os sistemas físicos processam informações, incluindo o Universo e todos os organismos nele contidos, e agora temos a confirmação de que os sistemas biológicos também fazem isso, ou seja, eles podem ser considerados como realizando cálculos - ou fazendo computações, como queira.

Até agora, o elemento considerado fundamental para o processamento de informações biológicas era o neurônio. Contudo, isso ignora o fato de que organismos aneurais - incluindo bactérias, fungos e plantas, que formam a maior parte da biomassa da Terra - realizam computações sofisticadas, sem terem neurônios. E, como esses organismos estão em nosso planeta há muito mais tempo do que os animais, eles constituem a vasta maioria da computação baseada em carbono da Terra.

Capacidade computacional da vida

Kurian agora usou a possibilidade concreta de uma troca de informações por meios quânticos nos seres vivos para recalcular a capacidade total dessa comunicação. Para o pesquisador, como os polímeros contêm emissores quânticos, eles devem ser tratados como processadores quânticos, e esses emissores são encontrados em toda a vida eucariótica e algumas espécies bacterianas.

O resultado final é em um aumento por um fator de 10²⁰ na capacidade computacional da vida. Com isto, o número de operações lógicas elementares que podem ter sido realizadas pelo Universo é "aproximadamente o quadrado do número de operações que podem ter sido realizadas por todos os reinos da vida na Terra em toda a existência do nosso planeta," disse Kurian.

Isto cria um novo patamar para a ciência da computação, incluindo a ciência da computação quântica, além de também poder ajudar a avaliar o desempenho futuro da computação quântica. Mas Kurian entusiasma-se ainda mais, e afirma que seus cálculos também levantam a questão: "Se a vida e o Universo estão realizando computações sofisticadas, quais são exatamente as funções e os propósitos da sua computação?"

"Este trabalho conecta os pontos entre os grandes pilares da física do século XX - termodinâmica, relatividade e mecânica quântica - para uma grande mudança de paradigma nas ciências biológicas, investigando a viabilidade e as implicações do processamento de informações quânticas em ambientes úmidos em temperatura ambiente," disse Kurian. "Físicos e cosmólogos devem mergulhar nessas descobertas, especialmente quando consideram as origens da vida na Terra e em outros lugares do Universo habitável, evoluindo em conjunto com o campo eletromagnético."

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