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.

 

Diepzeefossielen in de Alpen

Er worden voortdurend nieuwe ontdekkingen gedaan op allerlei niveau van leven. Zo wordt onderzocht hoe ons genoom in elkaar steekt, wat nu precies genen zijn en hebben we nog slechts een vaag idee hoeveel leven er in de oceanen zit. Op allerlei gebied zien we het topje van een ijsberg die doet vermoeden dat er heel veel te ontdekken en te bestuderen is.

In dat opzicht staat de biologie nog steeds in haar kinderschoenen. Gek genoeg zijn er wetenschappers die denken dat er in hun vakgebied niet veel nieuws meer te ontdekken valt. Er stond een interview aan George Ellis, een beroemd fysicus, in een blog van de Scientific American, waarin hij stelt dat men op het gebied van de kosmologie eigenlijk alles nu wel gemeten en gezien heeft. Alleen de gaten zouden opgevuld kunnen worden. Hij zegt dan betreffende de aarde en de oceanen als analogie het volgende:

“…exploring the Earth: once upon a time we had only fragmentary knowledge of what is there. Then we obtained a global picture of the Earth’s surface, including detailed satellite images of the entire land mass. Once you have seen it all, you have seen it all; apart from finer and finer details, there is nothing more to find. You might respond, but we can’t see to the bottom of the oceans. However, we do indeed now have quite good maps of the ocean floor too, through various sounding techniques.”

Dit is waarschijnlijk als analogie bedoeld voor hoe het gesteld is met de astrofysica en de kosmologie. Het is zeer spijtig te horen dat men er daar al ongeveer helemaal uit is en heb ook moeite dit te geloven. Dat je een plaatje hebt van hoe de wereld, het heelal, er in grote lijnen uitziet, wil nog niet zeggen dat je ‘alles al gezien hebt’. Het is nog lang niet duidelijk hoe de levensprocessen precies werken en het is dan ook vreemd om te stellen dat zodra je het ‘gezien’ hebt je er alles al van weet.

diepzeefossiel

In de biologie is dat heel anders gesteld. Het citaat van Ellis laat ook zien dat je met een visie als die van een fysicus niet ver komt als je zo oppervlakkig kijkt. Het kan zijn dat hij tevreden is met wat hij weet na een leven lang onderzoek, maar veel onderzoekers beginnen nog maar net en stellen zich heel andere en diepere vragen.

Een mooi voorbeeld van hoe weinig we nog weten komt juist van de oceaanbodem. Daar bevindt zich een totaal onbekend ecosysteem, dat in het verleden een grote variëteit aan diersoorten heeft voortgebracht. Tot nu toe dacht men dat veel diepzeedieren zich ontwikkelden vanuit ondiepe kustwateren en vervolgens naar de diepzeebodem migreerden. Het tegendeel lijkt waar te zijn. Men vond in de Alpen zo’n 2.500 soorten fossiele diepzeedieren die duidelijk niet afhankelijk waren van licht en daar zich naar alle waarschijnlijkheid uit diepzeevoorouders ontwikkelden. Dit laat zien dat de diepzee een enorme biodiversiteit herbergt waar we slechts een idee van beginnen te krijgen. Zo blijkt maar dat de oceaanbodem ‘zien’ met satellieten niet betekent dat je er ook alles over weet. Integendeel, het onderzoek begint pas.

 

Uit:

Physicist George Ellis Knocks Physicists for Knocking Philosophy, Falsification, Free Will in Scientific American

Fossil discovery in Alps challenges theory that all deep sea animals evolved from shallow water ancestors in Physorg