Een overzicht gebaseerd op de eerste zeven hoofdstukken uit het boek ‘Physics in Mind; a quantum view of the brain’ (2013) van Werner R. Loewenstein
De vector van leven, zoals deze door Loewenstein genoemd wordt, is gebaseerd op het licht dat ons bereikt vanaf de zon. We weten al langer dat het zonlicht fotosynthese mogelijk maakt en dat dit de basis voor het leven vormt op Aarde. Maar de beschrijving van de mechanismen die daar aan ten grondslag liggen, uitgespeld tot op het kwantum, is een geheel nieuwe benadering van dit fenomeen.
Figuur 1: Een artistieke weergave van het Light-harvesting complex van de purple bacteria
In de ontvangers van het licht, chlorofyl en β-caroteen, ofwel moleculaire ‘vallen’ liggen de elektronen als het ware klaar om geëxciteerd te worden door fotonen, ofwel de lichtkwantums. Dit brengt vervolgens een cascade aan moleculaire verschuivingen voort die de excitatie van de elektronen omzet in energie die vervolgens bruikbaar is voor het in gang zetten van het metabolisme dat de groei van de fotosynthetische organismen bevordert en het leven op Aarde draaiende houdt. De informatievector vanuit de kosmos vormt, eenmaal gearriveerd op Aarde, een circulaire vector zodra de informatie deel gaat uitmaken van het leven. Deze informatiecirkels liggen ingebed in het macromoleculaire domein. Er zijn mooie voorbeelden van macromoleculen die verantwoordelijk zijn voor de circulaire informatiestroom.
Deze macromoleculen worden door Loewenstein ‘demons’ genoemd naar de bekende Maxwell’s demons. Het vergt teveel ruimte om de Maxwell demon hier te beschrijven, maar een kort schema van een dergelijke demon is het volgende. Het gaat om een eiwit en een substraat die als een handschoen om een hand past en wel met zo’n hoge specificiteit (hij selecteert het substraat uit een myriade aan andere moleculen) waardoor men kan spreken van ‘cognitie’, dat wil zeggen een selectie uit verschillende keuzes en een winst aan informatie, een netto voordeel. Zoals te zien is in figuur 2 verandert de demon van gestalt als gevolg van de interactie met het substraat dat daardoor weer loslaat. Om opnieuw terug naar af te gaan en gestalt 1 te hervinden wordt een ATP geconsumeerd. Dit adenosine trifosfaat is het universele biologische betaalmiddel dat via fotosynthese gegenereerd wordt door de zon. Kortom de informatie van de zon wordt via ATP overgedragen aan de demon, reden waarom het een cognitieve entiteit genoemd kan worden.
Figuur 2: De cognitieve cirkel van een eiwitdemon. De demon (D) en zijn moleculaire gezel (M) gaan door een cirkel (a>b>c>d>a) waarin elektromagentische interactie met de gezel een switch veroozaakt van gestalt 1 naar gestalt 2; informatie onttrokken aan het organisch fosfaat (Ip) laat de terugkeer naar de oorspronkelijke gestalt 1 toe.
Hier ziet Loewenstein de evolutionaire continuïteit tussen het kosmische en het biologische. Het is moeilijk aan te wijzen waar het een eindigt en het ander begint, maar Loewenstein stelt voor de biologische start te leggen bij de driedimensionale macromoleculaire demons (RNA; ribozymen?). Deze levensvector zal doorgaan totdat de zon over vier miljard jaar opgebrand is.
Tot zover de proteindemon in het algemeen. Van deze demons bestaan veel soorten. Zo zijn er sensory demons die van belang zijn voor het zicht, de reuk, het gehoor enz., of kanaaldemons zoals de ionenkanalen. De eerste halen informatie op uit de omgeving, daarbij worden boodschapper moleculen gestuurd naar de tweede die deze informatie digitaliseren om hem door te geven aan het brein. Het mooiste voorbeeld is het oog. Het kan daarbij gaan om een klein aantal lichtgevoelige cellen in een schelpdier, maar we kunnen net zo goed uitgaan van het menselijk oog. De kwantums die door het oog opgevangen worden zijn fotonen. Fotonen kunnen al naar gelang hun golflengte lopen van de extreem korte γ-stralen (0.01 nanometer) tot de kilometers lange radiogolven. Maar onze ogen zijn ‘natuurlijk’ uitsluitend gevoelig voor het zichtbare deel dat loopt van 400 nanometer in het paars via alle tussenkleuren als geel en oranje rond de 600 nm tot 720 in het paars-rood. Onze ogen zijn gebouwd voor de waarneming, niet zozeer van het zonnelicht zelf, als van het licht dat weerkaatst uit onze omgeving. Een foton dat van de zon richting Aarde komt, wordt door een atoom geabsorbeerd zodra een elektron met een overeenkomende hoeveelheid energie naar een hoger orbitaal verhuist. Het foton verdwijnt daarmee, wordt virtueel en verschijnt weer zodra het elektron terugvalt naar het lagere orbitaal. Nu zijn ogen heuse kwantumsensoren. Wij ‘zien’ uitsluitend die fotonen die niet geabsorbeerd worden, dus gras absorbeert rood licht en wij zien het resterende groen.
Hoe onttrekken de demons van het zicht informatie uit de kwantumwereld en hoe maken ze elektriciteit van fotonen. Het werkt in elk geval niet zoals een fotocel die elektrisch stroom levert zodra er licht op valt. Daar vindt namelijk eenvoudige transductie plaats: één foton valt op de cesium plaat en een elektron komt eruit. Dit heeft weinig met cognitie te maken. Ieder foton is daarvoor geschikt. Een zichtdemon kiest zijn foton al naar gelang de golflengte, een blauwe of juist een rode. De demon maakt daarvoor gebruik van het pigment retinal, met alternerende dubbele en enkele verbindingen. Dit lijkt erg op caroteen, het primordiale fotopigment. Inderdaad, ons lichaam maakt retinaal aan van een caroteen, vitamine A. En net als in de antieke foton-‘vallen’, chlorofyl en β-caroteen, bezit het retinal elektronen die kritiek geplaatst zijn zodat ze fotonen kunnen vangen van een bepaalde golflengte. Het eiwit van de demon waarin het retinal gecentreerd ligt is rodopsine, dat afgesteld is op zichtbare golflengten. Het retinal ligt gedraaid rond een van haar dubbele bindingen en zodra het een foton vangt gaat deze draaiing eruit. Dit is een foto-mechanische transductie; het foton zorgt ervoor dat het retinal beweegt. Omdat het retinal ingebed ligt in het rodopsine en er aan gelinkt is wordt deze beweging doorgegeven aan deze demon. Deze stuurt daarop de messengers die op hun beurt andere demons activeren; het signaal wordt geamplificeerd. Dit hele proces van activatie van retinal tot die van rodopsine is uiterst efficiënt en duurt 200 femtoseconden met een efficiëntie van 0.7. Deze waarden zijn ongehoord in de gewone chemische reacties en behoren daarmee exclusief tot het kwantumrijk.
Verandering van conformatie van retinal onder invloed van licht. “RetinalCisandTrans” by RicHard-59 – Own work. Licensed under Creative Commons Attribution-Share Alike 3.0 via Wikimedia Commons –
Het is voor de evolutie van ons oog en dan in het bijzonder van rodopsine interessant te onderstrepen dat de gevoeligheid voor de golflengtes precies daar ligt waar de zonnestralen het meest van leveren, namelijk het zichtbare deel tussen de 720 en 400 nm. De hoogste sensibiliteit van retinal ligt rond geel ofwel 590 nm, daar ligt ook de sterkste zonnestraling. Wij zien dan ook geen fac-simile van de werkelijke wereld maar een discriminerend plaatje dat ons helpt in ‘the struggle for life’. De overeemkomst in quanta van het elektromagnetische veld (de fotonen van de zon) en de quanta van de atomen (de elektronen orbitalen) geeft gratis informatie over de omgeving, die wij daardoor kunnen zien.
Omdat dit boek boordevol informatie staat tot dusver een samenvatting van de eerste zeven hoofdstukken van ‘Physics in Mind’. Wordt vervolgd.
h/t to Gert Korthof die onder mijn voorgaande blog over Kwantumbiologie wees op dit boek.
Vind ik leuk:
Vind-ik-leuk Laden...
Gerelateerd
Op zoek naar de klepel 
Marleen, jij bent een ontzettend harde werker! zo snel had ik het niet verwacht!
de overeenkomst tussen zien en fotosynthese is dus fotonen? dus quantum fyscia? alleen wat andere pigmenten worden gebruikt? dat is het?
Fotosynthese en zien nemen beiden selectief licht van bepaalde golflengte op in tegenstelling tot zonnecellen, panelen? is dat wat hij zegt?
Groene bladeren, rode bladeren:
Als je nu de pigmentsystemen van rode en groene bladeren combineert door genetic engineering in een nieuwe plant, dan heb je een plant die veel efficienter zonlicht kan omzetten in organische stoffen, en die dus zwarte bladeren zou moeten hebben. Efficienter omdat het groen licht ook benut wordt.
Gratis tip: het wereldvoedselprobleem op lossen met een tarwe met zwarete bladeren. Wat denk je daarvan? Crowd-funding beginnen? Kun jij samen met de auteur van het boek een haalbaarheidsstudie studie doen?
Over efficientie gesproken: heeft een vleermuis net zo gevoelige ogen als een uil? (zie uitzending David Attenburough). Een vleermuis gebruikt echo-locatie en een uil zeer efficiente lichtgevoelige pigmenten. Gratis tip: combineer de lichtgevoeligheid van een uil met de echo-locatie van een vleermuis: en je hebt een onverslaanbare survival hit!
Dit zijn allemaal (niet-)retorische vragen waarop ik echt het antwoord niet weet! Eerlijk waar!
Marleen hard gewerkt!
Ben nog niet zo ver en ik denk dat ik toch beter eerst het hele boek kan lezen, want, inderdaad het is even wennen: It may seem odds to hear the word cognition in a molecular context.
‘cognition entails an information gain, a net profit’ – dat lijkt mij ook, maar hoe verbind je dat met moleculen? Als het lukt, verdient Loewenstein een prijs.
-and our protein demon reaps it through a skillfull thermodynamic transaction. Hoe skilfull is inderdaad lastig te begrijpen, en dat kan goed kloppen, we zijn gewaarschuwd: much of that transaction is hidden to our eyes, and it takes the information lens to spot it. Zover ik weet, kan informatie behoorlijk troebel zijn…!
En het begint al meteen met ‘our sun, … a huge extrinsic information reservoir’. Is dat meer dan een metafoor? Ben benieuwd.
Een beschrijving van het boek:
In Physics in Mind, eminent biophysicist Werner R. Loewenstein argues that to answer these questions, we must first understand the physical mechanisms that underlie the workings of the mind. And so begins an exhilarating journey along the sensory data stream of the brain, which shows how our most complex organ processes the vast amounts of information coming in through our senses to create a coherent, meaningful picture of the world. Bringing information theory to bear on recent advances in the neurosciences, Loewenstein reveals a web of immense computational power inside the brain. He introduces the revolutionary idea that quantum mechanics could be fundamental to how our minds almost instantaneously deal with staggering amounts of information, as in the case of the information streaming through our eyes.
Dus dat fotoisomerisatie alleen quantum mechanisch – if at all – beschreven zou kunnen worden is een revolutionair idee. Lijkt mij niet want dat weet iedereen. De conformatie van retinal en de photoisomerisatie van cis naar trans quantum mechanisch _uitrekenen_, dat zou wat zijn, maar ik vermoed dat ook Loewenstein dat niet kan. Biologen moeten niet meteen onder de indruk zijn als iemand “quantum” zegt. Fotoisomerisatie in termen van informatie beschrijven lijkt mij niet behulpzaam. En selectieve optische absorptie heb je altijd bij gebonden elektronen. Conformational change heb je overigens altijd bij moleculen waarvan verschillende configuraties qua totale energie dicht bij elkaar liggen. Dat impliceert meteen dat zo’n conformational change golflengte specifiek is: de foton energie moet overeenkomen met de energie die nodig is om de conformational change te maken – voorzover er geen energetische hobbel tussen de twee conformaties zit. Zie b.v. http://en.wikipedia.org/wiki/Azobenzene : flipt tussen conformations bij specifieke golflengtes. Aan het plaatje in deze blog is te zien dat de cis-trans overgang van retinal een rotatie om een enkele chemische binding is, dat is de simpelste cis-trans overgang die mogelijk is. Dat neemt niet weg dat visual phototransduction een fascinerend proces is. Wie wel eens quantummechanica van veel deeltjes systemen (b.v. in solid state physics) heeft gezien en ook wat van quantum chemie (van b.v. kleine organische moleculen) ziet meteen dat de fotoisomerisatie van retinal qua uitrekenen geen kinderspel is. In plaats van meteen bio quantum mechanica te willen (dat is een wel hele grote stap) zouden biologen misschien eerst eens naar (an)organische chemie van simpelere moleculen kunnen kijken; zie b.v. Azobenzene.
Gert,
Dank voor je complimenten, maar dit blogbericht betreft slechts een derde van het boek. Er moet nog veel aangekaart worden over wat voor mogelijke rol weggelegd zou kunnen zijn voor de kwantummechanica op niveau van het brein zelf.
Het spijt me dat ik nu pas kan reageren maar ik had het vandaag nogal druk met andere dingen. Ik wil ook niet op de latere conclusies in het boek vooruitlopen dus kan je niet overal op antwoorden, want misschien wordt daar nog over gesproken in de laatste 12 (!) hoofdstukken.
Het verschil tussen fotosynthese en het zicht is waarschijnlijk ietsje anders. Ik heb zelf nogal moeite met het begrip informatie. Bekijk je beide processen vanuit de optiek van informatieoverdracht en het opslaan van informatie, dan kun je stellen dat ze gelijk zijn. Maar van fotosynthese weten we dat het het metabolisme van fotosynthetische organismen aandrijft en daarmee de organismen doet groeien waardoor de biomassa toeneemt. In het geval van het zicht is er geen toename van biomassa, dus wat hier toeneemt is iets anders, een (tijdelijk) mentaal plaatje van de omgeving is iets zeer etherisch of vaags en heeft geen massa dacht ik, dus in die zin is het zicht iets heel anders. Maar dat beide te maken hebben met de kwantummechanica lijkt me wel duidelijk.
Het idee van zwarte gewassen is aardig, maar het zou om heel veel redenen wel eens niet kunnen werken. De groene plant raakt niet snel oververhit en heeft een gematigde hoeveelheid water nodig. Een zwarte plant zou veel te veel licht absorberen en wel eens kunnen verbranden en/of heel veel water nodig hebben.
Ook de combinatie uil en vleermuis vormen een mooi idee. Maar met zijn goede zicht is echolocatie bij de uil gewoon overbodig en andersom.
Het lijkt me een mal idee om de boel te gaan engineeren. Ik ben er van overtuigd dat alle trade-offs in de natuur er niet voor niets zijn, daar kunnen wij weinig aan verbeteren.
Harry,
Ik moest ook erg wennen vooral in de eerste hoofdstukken. Het verhaal van informatie heb ik al moeite mee, maar vernam uit betrouwbare bronnen dat dat op zich wel klopt. De vector van het leven, energie, het doet allemaal erg zweverig aan. Maar wanneer je daarna alle vertrouwde moleculen tegenkomt, zoals de verschillende demons (al is die naam daarvoor nieuw voor mij), dan wordt je gerust gesteld en doe je die extra moeite om het goed te begrijpen.
Het feit dat deze demons ‘cognitie’ wordt toegekend is niet zo vreemd. Op welk niveau begint het ‘leren’. Dat is wellicht een nieuwe vraag (van filosofische aard ook 😉 )
Ik ben benieuwd in hoeverre hij een en ander doorvoert tot op de processen in het brein. Het is wat mij betreft wel een heel verfrissende kijk op onderwerpen die ik reeds bestudeerde (rodopsine, G-protein), maar waarvan ik ze nooit zo van ‘buitenaf’ beschouwde zoals hier, (als doorgeefluiken van informatie).
Het deel over de reukzin heb ik weggelaten, want, hoewel dat zeer interessant was, leek daar niet echt kwantummechanica aan te pas te komen.
Martin,
Het is wellicht aan te vechten dat de kwantum mechanistische oorzaak van fotoisomeratie revolutionair zou zijn. Dat kan inderdaad heel goed niet revolutionair zijn. Voor mijzelf is het wel belangrijk en nieuw wanneer er duidelijke gesteld wordt dat dit mechanisme van zo’n extreem korte duur is (200 femtoseconden) dat het niet als chemisch beschouwd kan worden. Het is dan mogelijk er het ‘kwantum’-etiketje op te plakken. Mijn interesse gaat uit naar in hoeverre de biologie samenhangt met de kwantummechanica en dat ben ik aan de hand van dit boek aan het bekijken. Tot zover is in het blogbericht (ongeveer want samengevat) weergegeven wat Loewenstein daar over denkt en niet zozeer wat ik er van denk.
De fotoisomeratie van azobenzene is zeer interessant en zou net zou goed als een kwantummechanisch proces bestempeld kunnen worden. Het lijkt me verder niet dat het enig belang heeft voor de ‘vector van leven’ waarop Loewenstein en de biologie zich concentreren. Azobenzene ligt niet ingebed in een ‘demon’ en zal dus zijn conformationele verandering niet kunnen overbrengen aan een sensory system. Ik lees dat dit molecuul veranderingen kan aanbrengen in kristallen, maar zie vooralsnog niet wat dit met leven te maken zou kunnen hebben.
Het is wellicht belangrijk te signaleren dat de ‘gevoeligheid’ van de elektronenwolk die in retinal het kwantum ontvangt afhankelijk is van de omliggende aminozuren residuen van het rodopsine. Dit is een factor die bij azobenzene geen enkele rol speelt. Ik lees dat het molecuul deel uit kan maken van eiwitten die via ingebed en / of gekoppeld azobenzene door licht geactiveerd kunnen worden (ionchanneling en cell-signaling), maar zijn deze geengineerde lichtgevoelige moleculen wel zo fijntjes afgestemd als de kegeltjes van het oog bijvoorbeeld?
Het lijkt er ook op dat Loewenstein de continuïteit tussen fysische en biologische fenomenen wil benadrukken. Het zonlicht, of andere omgevingsfactoren die indirecte gevolgen zijn van de activiteit van de zon, bepalen via de informatiestroom ofwel de kwantummechanica de biologische wereld die deze informatie tot zich neemt en er iets ‘mee doet’: een metabolisme aanstuurt, groeit, en uiteindelijk ‘leert’ op de omgeving te reageren. In dit opzicht is azobenzene eigenlijk niet zo van belang; het maakt van nature geen deel uit van het leven.
Marleen, de fotoisomerisatie van azobenzeen is ook zeer snel: picoseconde schaal. Ik zie dus niet waarom de fotoisomerisatie van retinal niet chemisch zou zijn. Femtoschaal reacties zijn niets nieuws in de quantum optica. Overigens kan een gewone chemische binding niet klassiek berekend worden dus is de hele chemie kwantum mechanisch. Wat mij opviel is dat fotoisomerisatie en een daardoor veroorzaakte reactie in de omgeving van het flippende molecuul ook in niet levende context bekend is, dus is er inderdaad nogal een continuïteit tussen fysische en biologische fenomenen. Het gebruik van termen als demon en informatie verheldert niets. De zon is gewoon een ster en golflengte specifieke optische absorptie is niet tot biologische systemen beperkt.
Wat ik op http://en.wikipedia.org/wiki/Visual_phototransduction zie is toch een fysisch proces? In plaats van filosoferen over wat al dan niet “leven” is kunnen we ook gewoon naar specifieke processen kijken en ons afvragen of er überhaupt een wezenlijk verschil is tussen biologische en fysische processen.
Je zegt b.v. “dat de ‘gevoeligheid’ van de elektronenwolk die in retinal het kwantum ontvangt afhankelijk is van de omliggende aminozuren residuen van het rodopsine.” Als het retinal molecuul het elektrische veld van de omliggende aminozuur (elektrisch geladen) residuen voelt dan heeft dat uiteraard invloed op de quantummechanische toestanden van het retinal molecuul (of eigenlijk vormen het retinal en de aminozuur residuen dan een gekoppeld systeem); dat is niet specifiek biologisch.
Martin,
Persoonlijk heb ik er niets op tegen in zowel chemische als biologische processen een fysische oorzaak te zien. Integendeel, dat is een interessant punt, zeker wanneer je je als wetenschapper geroepen zou voelen een soort van Unifying Theory op te zetten. Die roeping heb ik niet, maar verken hier voor het eerst de rol van kwantummechanica in de biologie.
Loewenstein is biofysicus en zou dus eenvoudig overal een fysische basis aan toe kunnen schrijven, maar hij blijft het onderscheid tussen biologie en fysica maken en legt de ‘start’ van de biologische evolutie bij de evolutie van driedimensionale demons zoals RNA (ribozymes) in de RNA-wereld. Dat de fysische wereld doordringt tot in de biologische is duidelijk volgens hem.
Zoals te lezen zal zijn in het volgende tweede deel van dit drieluik is mutatie voor een deel afhankelijk van kwantum generatoren van mutatie waarbij fotonen fouten induceren in de basen van het DNA. Er zijn daarnaast ook mechanismen die niets met de fysica te maken hebben zoals het ontstaan van deleties en duplicaties. Als je lang zoekt is het vast mogelijk daar ook een fysische oorzaak voor te vinden, maar het punt is dat dat niet van belang is. Het gaat er hier niet om of alles verklaarbaar is met fysische processen, maar in hoeverre er kwantum mechanica meespeelt in biologische processen.
Het gebruik van de termen informatie en demon bieden de mogelijkheid aan eiwitten een cognitie toe te kennen. Dit laat toe vervolgens bepaalde processen te vergelijken met wat computers doen. Het kan zijn dat het geleende termen zijn uit de psychologie en omdat het allerlaatste deel over de hersenen gaat bereidt hij dat wellicht voor met cognitieve proteïne modules. Ik ben het met je eens dat het niet helemaal duidelijk is wat deze termen impliceren, maar hoop daar eenmaal aan de laatste bladzijde gekomen een duidelijker idee van te hebben.
Mijn voorbeeld betreffende de omliggende aminozuren van het retinal in rodopsine was eigenlijk bedoeld om te onderstrepen dat er in biologische systemen, als gevolg van de (natuurlijke) selectiedruk, optimalisatie plaatsvindt. Daarmee wordt een maximum aan specificiteit, efficiëntie en snelheid bereikt. Dergelijke waarden zul je met zelf gefabriceerde systemen nooit kunnen evenaren en ook niet met niet-levende systemen. Deze staan immers niet aan selectie bloot.
“Het gaat er hier niet om of alles verklaarbaar is met fysische processen, maar in hoeverre er kwantum mechanica meespeelt in biologische processen.”
Ik denk dat hier spraakverwarring heerst. Je kunt over deleties en duplicaties praten zonder het over QM te hebben, dat is waar. Maar dan praat je op een macroscopisch nivo, net zoals je over een glas water kunt spreken zonder het over H2O moleculen te hebben.
Maar goed, ik laat het hierbij. Als men gaat praten over “cognitieve proteïne modules” dan haak ik af, dat vind ik obfuscatie. Ik ben het met je eens wbt de optimalisatie die door selectiedruk is verkregen, die is inderdaad indrukwekkend.
Pingback:Moleculaire demonen, de cognitieve eiwitten | Op zoek naar de klepel