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)

Fysica en biologie in de kwantumwereld

Na het laatste boek The Demon in the Machine van Paul Davies gelezen te hebben¹, is mijn interesse opnieuw uitgegaan naar hoe ver het nu is met de kwantumbiologie. Eerder op dit blog, meer dan 7 jaar geleden, wijdde ik vier berichten aan het prachtige boek van Werner R. Loewenstein Physics in Mind². Na de blogberichten ^{3, 4, 5, 6}, opnieuw doorgelezen te hebben, zijn mij meer dingen duidelijk geworden, ook dankzij de commentaren waaronder die van Gert Korthof, Harry Pinxteren en Kees Jaspers. 

Het boek van Paul Davies The Demon in the Machine wordt vooral interessant vanaf hoofdstuk 5 (p.144). Daar beginnen we te zien hoe de deeltjesfysica verbonden is met biologie, levende organismen, cellen en moleculen via de kwantumwereld. 

Zoals Davies duidelijk uitlegt is er in de kwantumwereld van alles mogelijk, zoals kwantums die plotseling, zonder aanwijsbare reden, van richting veranderen of terugkaatsen, of aan de andere kant van een ‘muur’ belanden. Allemaal fenomenen waar we raar van zouden opkijken als ze in onze dagelijkse macro-wereld zouden plaatsvinden, maar die zich voortdurend afspelen op subatomair en moleculair niveau. Andere kwantum effecten waar geen equivalent voor bestaat in onze macro-wereld zijn bijvoorbeeld elektronen die op twee plaatsen tegelijk lijken te zijn. Het elektron deelt zich echter niet op en elk experiment dat het elektron probeert te lokaliseren zal het altijd op de ene of op de andere plaats terugvinden. Maar zolang deze lokalisatie niet plaatsvindt zijn er natuurkundige effecten die volgen uit deze onbepaalde positie. Er zijn paren fotonen die op meters afstand spontaan hun activiteit coordineren en moleculen die tegelijkertijd zowel met als tegen de klok indraaien. 

Het hart van de kwantummechanica is de dualiteit van golf en deeltje. Beide aspecten kunnen aangetoond worden, maar nooit tegelijk. Worden er door twee deeltjes golven veroorzaakt die elkaar versterken, dan spreekt men van coherentie. Bestaat er daarentegen een wirwar aan golven die elkaar niet kunnen versterken dan gaat het om decoherentie. Veel van de bovengenoemde vreemde kwantumeffecten komen voort uit coherentie van golven. Worden de golven verstoord dan verdwijnt de coherentie. Onder condities zoals die in biologische systemen doet zich snel decoherentie voor door het onophoudelijke thermisch bombardement van watermoleculen. Toch schijnen er situaties voor te komen waarbij er abnormaal langzame decoherentie bestaat onder speciale omstandigheden.

Zoals je zou kunnen verwachten heeft evolutie ook van dit fenomeen gebruik gemaakt om processen als overdracht van informatie te verbeteren en te versnellen. Loewenstein beschreef al in zijn boek uit 2013, dat de rodopsinen in ons oog gebruik maken van coherentie waarbij kwantummechanica het toelaat parallelle computing te bewerkstelligen en daarbij binnen 200 femtoseconden gelijktijdig enorme pakketten informatie over te dragen van de retina naar de achterliggende hersenkwabben. In het zenuwstelsel is  reeds sprake van een uiterst snelle overdracht van signalen op macroniveau (macromoleculair niveau), door neurotransmitters en voltage-dependent kanalen. Daar zou de transmissie van informatie via kwantummechanica nog eens bijkomen die enorme hoeveelheden zintuiglijke prikkels in parallel, dus in één keer, kan doorgeven aan het centrale zenuwstelsel. Dit laatste is vooralsnog een hypothese en is nog niet definitief aangetoond vanwege de overmaat aan thermische ‘ruis’ die decoherentie veroorzaakt.

Fig. 1 Kwantumtunneling

Paul Davies’ boek is uit 2019 en beschrijft dit soort kwantum fenomenen in fotosynthese, het reukorgaan en de ‘cryptochromen’ van het netvlies van migrerende vogels. 

In fotosynthese (bij groene zwavelbacteriën) wordt er als gevolg van het vangen van een foton met de juiste golflengte een ‘exciton’ gecreëerd. Dit geëxciteerde electron maakt gebruik van de mogelijkheid van quantumdeeltjes om op meer dan twee plaatsen tegelijk te zijn. Het neemt daarbij allerlei denkbare routes naar het reactiecentrum, iets dat mogelijk is omdat het zich ook als golf voortbeweegt. Dit gebeurt gedurende een interval waarin er coherentie heerst. Het gemeten interval is 200 femtoseconden. Gek genoeg geven recente studies aan dat een lichte thermische ‘ruis’ bevorderlijk kan zijn voor de efficiëntie van transmissie van energie. 

Bij de migratie van vogels is het de ‘intrinsieke spin’ van de elektronen die ervoor zorgt dat elk elektron een klein kompas is dat het aardse magnetische veld ‘voelt’. Dit kan gebeuren wanneer een atoom een foton absorbeert en daarmee een elektron van zijn orbit verplaatst wordt. Dat elektron wordt dan gevoeliger voor het aardse magnetische veld. Het oog van vogels wordt voortdurend door fotonen geraakt, dat is nu eenmaal hoe ogen werken (fotonen van de juiste golflengte laten ons kleuren zien). Maar hoe ‘voelt’ de vogel waar het magnetisch veld is? Dit wordt mogelijk gemaakt door ‘cryptochromen’. In deze proteïnen van het netvlies wordt een elektron verplaatst door een invallend foton, maar ten opzichte van een tweede elektron, dat in het cryptochrome achterblijft en waarmee het eerste entangled is, wordt het ‘losse’ elektron door het aardse magnetische veld scheefgetrokken ten opzichte van het achterblijvende entangled elektron. De vrije positieve radicalen die zo gecreëerd worden reageren met elkaar of vormen neurotransmitters die een signaal vormen naar de hersenen van de vogel.  

Fig. 2 Quantum birds: Shedding light on the mechanism of magnetic sensing in birds

In het geval van het reukorgaan, is er sprake van kwantumtunneling waarbij vibratie een energie kwantum produceert, een phonon – een kwantum van geluid – dat extra dimensies verleent aan het simpele model van docking van geurmoleculen op geurreceptoren. Daarmee is het mogelijk het enorme scala aan geuren, maar ook de gelijkenis van verschillende geuren te verklaren.

Kwantum mechanica heeft alles te maken met coherentie die verstoord wordt door de thermische ‘ruis’. Maar de chaos en de ruis worden ook door het leven uitgebuit met biologische demons. Niet alle ruis is hetzelfde; er bestaat ook ruis die kwantumprocessen juist stimuleert.

Werner Loewenstein denkt dat er veel biologische systemen zijn die gebaseerd zijn op kwantummechanica. Hij eindigt ermee dat we met onze digitale wereld verkeerdom bezig zijn. Kwantumcomputing is zoveel zuiniger en efficiënter vergeleken met digitale computing, dat hij er van overtuigd is dat de evolutie van leven er ruim gebruik van heeft gemaakt. Precies omdat ‘Lady Evolution’ altijd de zuinigste, meeste economische, weg kiest.

1. Paul Davies – The Demon in the Machine – How hidden webs of information are solving the mystery of life – ALAN LANE Penguin Random House UK – 2019
2. Werner R. Loewenstein – Physics in Mind – A Quantum View of the Brain – Basic Books, Perseus Books Group, New York – 2013

Vier oudere berichten op dit blog die het boek van Loewenstein bespreken

3. Een voorzichtig begin in Biofysica
4. Deel twee van een verkenning van de Biofysica
5. Derde en laatste deel van een verkenning van de Biofysica
6. Moleculaire demonen, de cognitive eiwitten

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.