Magnetoceptie met kwantum entanglement

Er zijn twee soorten magnetoceptie bij vogels. Beide maken de migratie van vogels mogelijk, waarbij ze zich oriënteren op het Aardmagnetisch veld. De eerste, die door velen als de belangrijkste, de meest voorkomende of meest gebruikte vorm wordt gezien is afhankelijk van magnetite dat zich bij vogels in de nervus trigeminus in de kop bevindt. Omdat de andere vorm van magnetoceptie die gebruik maakt van kwantum entanglement enige vragen opriep in voorgaand blog¹, is het zeker interessant deze laatste vorm van magnetoceptie beter te belichten.

Figuur De jaarlijkse cyclus van de trekvogel (in de figuur links die van de witkeelgors, Zonotrichia albicollis) omvat twee migratieperiodes, onderbroken door voortplanting en overwintering. Na de voortplanting vervangen de vogels hun veren en vullen ze hun dieet met vetmestend voedsel aan om hun vlucht naar warmere oorden van brandstof te voorzien. In het voorjaar, als de dagen langer worden, gaan de vogels opnieuw in de rui, om terug te keren naar hun broedplaatsen in de zomer, waar ze paren en hun jongen grootbrengen.
Illustratie door Barbara Aulicino. Figuur overgenomen uit Avian Migration: The Ultimate Red-Eye Flight

Magnetoceptie met kwantum entanglement is gebaseerd op het radicale paar mechanisme (Radical Pair Mechanism) dat kan worden beschreven in de volgende simpele schets van de drie belangrijkste stappen waaruit het mechanisme bestaat. In de eerste stap valt een foton op het donormolecuul van het paar, waardoor een elektron van het paar wordt aangeslagen en aan het acceptormolecuul wordt gedoneerd. Dit resulteert in een door door spin gecorreleerd maar ruimtelijk gescheiden elektronenpaar waarvan men gewoonlijk denkt dat het zich in een singletstaat bevindt. Tijdens de tweede stap oscilleert het radicaalpaar tussen singlet- en triplettoestand. De derde stap is dan recombinatie van het paar om een soort chemisch product of signaal te vormen. Het chemische product dat in deze laatste stap wordt gevormd is afhankelijk van het feit of het paar zich in een singlet- of triplet-toestand bevindt en dat is weer afhankelijk van het magnetische veld. Hierdoor kan het radicaalpaar als kompas fungeren.²

Zo is het hypothetisch mogelijk dat het chemisch product dat in de laatste stap gevormd wordt bijvoorbeeld een bepaalde neurotransmitter is waardoor het netvlies aan de hersenen doorgeeft onder welke hoek de vogel vliegt ten opzichte van het Aardmagnetisch veld. Dit zou kunnen betekenen dat vogels het Aardmagnetisch veld zien (Fig.1). Deze figuur is een complete panoramafoto van Frankfurt am Main waarin het Aardmagnetisch veld geprojecteerd is waardoor wij een indruk kunnen krijgen van wat de vogel ziet.

Fig. 1. Panoramisch uitzicht in Frankfurt am Main, Duitsland. De afbeelding toont het landschapsperspectief dat is vastgelegd vanaf een vlieghoogte van een vogel van 200 m boven de grond met de windrichtingen aangegeven. Het gezichtsveld van een vogel wordt gewijzigd door de magnetische filterfunctie. Ter illustratie tonen we het magnetische veld-gemedieerde patroon in grijstinten alleen (dat het waargenomen patroon zou weerspiegelen als het magnetische visuele pad volledig gescheiden is van het normale visuele pad) en toegevoegd aan het normale visuele beeld dat de vogel zou zien, als magnetische en normale visie dezelfde neuronale route zouden gebruiken in het netvlies. De patronen worden getoond voor een vogel die naar acht windrichtingen kijkt (N, NE, E, SE, S, SW, W en NW). De hellingshoek van het aardmagnetisch veld is 66°, een karakteristieke waarde voor de regio. Figuur overgenomen uit Cryptochrome and Magnetic Sensing

De vraag was in voorgaand blog of vogels die ‘s nachts migreren ook gebruik kunnen maken van deze magnetoceptie. Zij vangen hooguit fotonen van sterren. Is het echter bewolkt dan vallen er zeker geen fotonen op het netvlies van de vogels. Toch heeft men vastgesteld dat bijvoorbeeld roodborstjes ‘s nachts migreren.

Nu heeft een groep onderzoekers³ aangetoond dat de flavoproteine, bestaand uit het cryptochroom met daarop de chromofoor FAD (Flavine Adenine Dinucleotide), ook in het donker vrije radicalen met entangled elektronen kan voortbrengen. (Fig. 2)

Fig. 2. Een keten van drie tryptofaanresiduen, Trp400, Trp377 en Trp324 zijn betrokken bij de fotoreductie van de FAD-cofactor. Tijdens het elektronenoverdrachtproces worden radicaalparen gevormd tussen FADH en elk van de tryptofanen. De vorming van deze radicaalparen maakt een magnetisch veldeffect in cryptochroom mogelijk. Figuur overgenomen uit Cryptochrome and Magnetic Sensing

Het proces verloopt als volgt: gedurende de dag, onder invloed van blauw en UV-licht, wordt vanaf het compleet geoxideerde FAD half gereduceerd FADH en Trp (Tryptofaan) beiden met elk een vrij radicaal gevormd, een radicaalpaar dus. Onder invloed van groen licht wordt dit radicaalpaar (van het Radical Pair Model of Radical Pair Mechanism²) verder gereduceerd tot FADH^ー. Dit molecuul kan daarop weer terugvallen tot het geoxideerde FAD via het gedeeltelijk geoxideerde FADH dat samen met een ander onbekend molecuul (Z; waarschijnlijk O2 met radicaal), opnieuw een vrije radicalenpaar produceert en dat gebeurt in het donker. (Fig. 3).

Fig.3 Redoxcyclus van FAD, de chromofoor van cryptochroom. De radicale paren staan tussen haakjes; gekleurde pijlen, fotoreductie door de respectieve golflengten; zwarte pijlen, lichtonafhankelijke reacties van re-oxidatie. ‘Z’ in het radicaalpaar gegenereerd tijdens re-oxidatie staat voor een radicaal waarvan de aard nog niet duidelijk is. Figuur overgenomen uit Light-dependent magnetoreception in birds: the crucial step occurs in the dark (The Royal Society 2016)

1. Fysica en biologie in de kwantumwereld (voorgaand eigen blogbericht) 
2. An open quantum system approach to the radical pair mechanism (Nature 2018)
3. Light-dependent magnetoreception in birds: the crucial step occurs in the dark (The Royal Society 2016)

Derde en laatste deel van een verkenning van Biofysica

Een overzicht van de laatste groep van zes hoofdstukken uit het boek ‘Physics in Mind; a quantum view of the brain’ van Werner R. Loewenstein (2013)

Werner R. Loewenstein

Het kan al meteen verklapt worden: behalve in de zintuigen als visie is er in het brein zelf geen direct bewijs van kwantummechanica aangetroffen. Loewenstein licht dit uiteraard uitgebreid toe en laat zien hoe het brein wel gebruikt maakt van parallelle computatie. Dit zou een indirecte bewijs zijn van kwantum computing en betekent volgens hem dat het brein er dus wel gebruik van maakt. Het probleem lijkt te zijn dat de metingen door ruis overstemd worden.

Hij schildert in dit deel van het boek de anatomie van het brein af. Daarbij geeft hij veel belang aan de weergave van de ons omringende werkelijkheid. Hij benadrukt nog eens dat wat ons brein uit de ons omringende wereld haalt wellicht niet een totaal en compleet beeld is van de werkelijkheid, maar dat dit beeld er op gericht is en optimaal is om ons te doen overleven in ‘the struggle for life’.

Hij behandelt nog eens het zicht en hoe zich daarin stereovisie ontwikkelde. In het algemeen geldt voor de zintuigen dat wat rechts waargenomen of gevoeld wordt verwerkt wordt in de linkerhelft van ons brein. Dit is bekend, maar minder bekend is dat het een evolutionair overblijfsel is van de tijd waarin de zintuigen slechts dienden om obstakels te vermijden en te ontwijken, die werden aangestuurd door spieren in de tegenoverliggende lichaamshelft. (Wellicht zoiets als roeien met de rechter peddels wanneer je naar links wilt varen). Vervolgens wordt aangekaart hoe als gevolg van een veelzijdige en overvloedige input, de informatie in parallel verwerkt wordt. Zo worden er veel computaties tegelijk uitgevoerd, een totaal andere wijze dan die waarmee onze computers werken, waarin informatie in sequentie verwerkt wordt. Parallelle computatie is snel en is voordelig voor wat betreft de kosten aan informatie. Het is waarschijnlijk dat evolutie hiervoor koos precies vanwege de snelheid en zuinigheid en het is daarom te verwachten dat het al vroeg zijn intrede deed zoals bij wormen die slechts zo’n honderd neuronen bezitten. Sequentiële computatie zou veel te langzaam zijn en zou een wereld van luiaards opleveren. De snelheid is bijzonder hoog in het zintuig zicht en kan zeker niet van sequentiële computatie afhangen.

Het is belangrijk te beseffen dat het brein geen ‘plaatje’ heeft van de zichtbare wereld vergelijkbaar met fotografie. Er is absoluut geen sprake van een compositie van pixels. Er worden contrasten aangescherpt, bewegingen geaccentueerd. Bovendien bestaan er cellen in de visuele cortex die bijzonder gevoelig zijn voor de oriëntatie van de dingen in de buitenwereld. Daarin wordt onderscheid gemaakt tussen wat verticaal, horizontaal en dwars geplaatst is. Ook lijkt het of er slechts één cel is (neuron) die in staat is een bepaalde ‘gestalt’ of gelaat te herkennen (zie “Grandmother Cell”). In werkelijkheid gaat het om meerdere samenwerkende cellen. Een groepje van 25 neuronen was in staat te reageren op één gezicht van de 3.000 die getoond werden. Deze codering is een gevolg van het leren herkennen van gezichten ofwel ‘imprinting’. In de stroming van informatie naar deze cellen wordt betekenisloze informatie onderweg verloren, terwijl betekenisvolle informatie wordt bewaard. Maar wat is betekenisvol of wat bedoelt men met betekenis? Betekenis wordt gegenereerd door de neuronen. Filosofen zijn eeuwenlang bezig geweest de vraag over wat ‘betekenis’ is te beantwoorden. Richard Feynman (met een knipoog naar de vraag of filosofie nuttig is) merkte op dat wetenschapsfilosofie net zo nuttig is voor wetenschappers als ornithologie voor vogels.

Over het bewustzijn weten we niets. Ook Loewenstein kan er niets over zeggen. Er bestaat niet eens een duidelijke definitie van. Het is meer een gevoel van besef van het bestaan van een wereld buiten ons en binnenin ons, een gevoel met een eindeloze hoeveelheid nuances. Het is een gevoel van herinnering aan dingen – een geliefd gezicht, de aanraking van een verdwenen hand, het geluid van een stem die er niet is. Het is een besef van de tijd die verstrijkt, van geluk en verdriet, van verwondering en verlangen – het hele ik. Het bewustzijn is het hoogtepunt van informatieverwerking en computing. Het zou niet in je opkomen een computer te vragen of hij gelukkig is of spijt heeft bijvoorbeeld. Er blijft een diep gat tussen digitale informatieverwerking en bewustzijn.

Voor wat betreft het bewustzijn en kwantuminformatie zijn er verschillende theorieën. Is de decoherentie ofwel het instorten van kwantumgolven verweven met de observatie door een bewust wezen? Of wordt decoherentie veroorzaakt door andere binnenvallende deeltjes (fotonen van de zon of afkomstig uit diepere gebieden van de ruimte, of moleculen in de lucht of in het water? Decoherentie was een belangrijk onderwerp in de filosofie en wel de kennistheorie. Loewenstein vertelt dat decoherentie spontaan plaatsvindt, er is geen menselijke waarnemer voor nodig. Decoherentie heeft dan ook niets met bewustzijn te maken. De hypothese over kwantummechanica in de microtubulen van het brein komt ook te vervallen. Deze eiwitstructuren gaan niet verder dan het membraan, er is dus geen intercellulaire continuïteit. Ook theorieën betreffende de gap-junctions zijn onhoudbaar, ze zitten vol water en ionen die direct decoherentie zouden induceren.

De conclusie is dat aangetoonde kwantummechanische fenomenen niet verder gaan dan de fotosynthese en het zintuig zicht. De keus van evolutie werd bepaald door hetgeen beschikbaar was in de Aardse ruimte. Dat waren twee energievelden – een veld van elektronkwanta en een veld van fotonkwanta – en daar waar de velden overlapten was informatie gratis beschikbaar. Evolutie kon deze aanbieding niet weerstaan. Het neuronale netwerk van ons brein kan met twee computatie manieren werken: een kwantummanier waarin kwantumgolven het substraat vormen en de macroscopische manier waarbij grote pakketten ionen het substraat vormen. De eerste manier dient voor parallelle computatie en de tweede voor de integratie van de lagere orde van polynomiale computatie. Daarbij is de kwantum manier economischer voor wat betreft de informatie en was waarschijnlijk eerder op het bioevolutionaire toneel, lang voordat de twee manieren gingen samenwerken.

Het gaat er vanaf nu dus om de kwantumgolven in de hersencentra aan te tonen en op een of andere manier het probleem van de ruis te overkomen. Er wordt momenteel veel onderzoek gedaan met moelculen die kwantumboolians kunnen genereren. Daar wordt zeker en snel vooruitgang in geboekt.

Loewenstein besluit met:

“So, all things considered, there are reasons to be optimistic, though I am reminded of what chairman Mao said in the 1960s when asked what he thought of the French Revolution: “It’s too soon to tell”.”

 

h/t to Gert Korthof die onder mijn blog over Kwantumbiologie wees op dit boek.

 

Een voorzichtig begin in biofysica

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.