Fungování mozku: Může kvantová fyzika tvořit vědomí?

Dnes na to navážu, ale obrátím optiku. Místo abychom zkoumali, jak lidské měření ovlivňuje atomy, podívám se na to, zda atomy a kvantové jevy mohou přímo vytvářet naše vědomí. Desítky let nás učili, že lidský mozek je v podstatě jen neuvěřitelně složitý biologický počítač. Neurony fungují jako kabely – signál jimi buď projde (jednička), nebo neprojde (nula). Pokud těch jedniček a nul poskládáte dostatek, získáte myšlenku. Zní to logicky, ale má to jeden obrovský háček. Ani ty nejvýkonnější superpočítače na světě, které chrlí triliony operací za sekundu, nemají pocit „já“. Nemají intuici, nemají sny, neprožívají krásu západu slunce. Klasická mechanická kalkulačka, i když je vyrobená z masa a krve, vznik subjektivního prožívání zkrátka nevysvětluje. Kde se tedy bere ta jiskra?

S velmi odvážnou odpovědí přišli v 90. letech dva muži: britský fyzik a nositel Nobelovy ceny sir Roger Penrose a americký anesteziolog Stuart Hameroff. Tvrdí, že k pochopení vědomí nesmíme koukat jen na neurony jako celek, ale musíme jít mnohem hlouběji. Až na samotné dno buněčné biologie.

Všimli si totiž drobných struktur uvnitř neuronů, kterým se říká mikrotubuly. Dlouho se mělo za to, že je to jen pasivní lešení, které drží tvar buňky. Penrose a Hameroff v nich ale uviděli něco víc. Jejich teorie, známá pod zkratkou Orch-OR (Orchestrated Objective Reduction), tvrdí, že tyto bílkovinové trubičky jsou dokonale uspořádané k tomu, aby dokázaly uvnitř mozku udržet elektrony v kvantové superpozici. Představte si mikrotubuly jako struny v klavíru, které neustále vibrují v mnoha kvantových stavech současně a čekají, až je něco rozezní.

Tady se dostáváme k tomu, co už známe z předchozího článku. V mikrotubulech se elektrony nenachází na jednom pevném místě, ale tvoří vlnu pravděpodobnosti. Zpracovávají tak obrovské množství informací najednou, protože zkouší všechny možnosti naráz. Mozek by podle této teorie nepracoval jako stará kalkulačka, ale jako nesmírně výkonný kvantový počítač.

Když tato kvantová vlna naroste do určité fyzikální meze (dosáhne kritické hmotnosti), už se nedokáže udržet. Dojde k takzvané objektivní redukci – vlnová funkce zkolabuje. Z obrovského oceánu možností a podvědomých procesů se najednou stane jedna pevná realita. A právě tento mikroskopický kolaps, moment, kdy se pravděpodobnost promění ve fyzický fakt, je podle Hameroffa a Penrose oním zábleskem vědomí. Je to zrození konkrétní myšlenky. Váš „aha“ moment.

Mikrotubuly jsou drobná, dutá vlákna tvořená bílkovinou zvanou tubulin. Nacházejí se v téměř každé buňce lidského těla, kde fungují jako kostra udržující tvar a zároveň jako dálnice, po které se transportují živiny. V neuronech je jich ale obrovské množství a jsou uspořádány do fascinujících, geometricky přesných mřížek. Právě tato krystalická struktura je podle zastánců kvantového vědomí klíčem k tomu, aby se v nich mohly odehrávat jemné kvantové jevy.

Abychom se drželi faktů, musím říct, jak se věci mají. Většina hlavního vědeckého proudu tuto teorii dlouho tvrdě odmítala a mnozí ji odmítají dodnes. Mají k tomu totiž pádný fyzikální důvod, kterému se říká kvantová dekoherence.

Kvantové stavy jsou extrémně křehké. Aby vědci v laboratořích udrželi částice v superpozici a mohli stavět kvantové počítače, musí je izolovat od okolí a chladit na teploty blížící se absolutní nule (-273 °C). Stačí, aby do systému narazila jediná zbloudilá molekula tepla, a superpozice se okamžitě rozpadne. A lidský mozek? Ten je teplý (37 °C), mokrý a plný neustálých srážek molekul. Fyzik Max Tegmark spočítal, že v takovém prostředí by kvantový stav v mikrotubulech zkolaboval za nepatrný zlomek pikosekundy. Podle skeptiků je tedy nemožné, aby mozek kvantové jevy reálně využíval.

Jenže příroda nám v posledních letech ukazuje, že naše laboratorní limity pro ni nemusí platit. Zrodil se zcela nový vědní obor: kvantová biologie. Ukazuje se, že živé organismy si s kvantovou fyzikou v teple a vlhku tykají zcela běžně.

Když jsem psal článek o tom, proč je každé jídlo jen konzervované světlo, podívali jsme se na fotosyntézu. Dnes už víme, že rostliny při ní využívají právě kvantovou superpozici, aby foton poslaly do buněčného centra všemi možnými cestami naráz a okamžitě tak našly tu nejefektivnější trasu. A pokud si vzpomínáte na můj článek o kvantové provázanosti, kde jsem na příkladu záhady rozdělených bot vysvětloval podivné vazby napříč vesmírem, vzpomenete si na červenku obecnou. Tento pták má v oku protein kryptochrom, který mu umožňuje doslova vidět magnetické pole Země právě díky kvantovým jevům. Pokud udrží kvantové stavy list salátu a ptačí oko, je opravdu tak nepředstavitelné, že by to po milionech let evoluce nedokázal i lidský mozek?

Jeden z nejzajímavějších podnětů pro Penroseovu a Hameroffovu teorii vzešel přímo z operačních sálů. Jak vlastně funguje anestezie? Standardní medicína má její účinek popsaný velmi spolehlivě: anestetické plyny se vážou na receptory nervových buněk (například na receptory GABA) a chemicky utlumí přenos elektrických signálů mezi neurony. Mozek přitom dál bez problémů řídí základní životní funkce – dýchání, tlukot srdce i reflexy. Jen z něj zmizí vědomé prožívání.

Stuart Hameroff, sám dlouholetý anesteziolog, se však nespokojil jen s popisem na membránách neuronů a podíval se ještě hlouběji. Přišel s odvážnou hypotézou, že molekuly anestetik pronikají přímo do hydrofobních kapes uvnitř bílkoviny tubulinu v mikrotubulech. Tam podle něj tlumí jemné vysokofrekvenční vibrace. Podle Hameroffa tak anestezie nevypíná jen vnější komunikaci mezi buňkami, ale dočasně zastaví samotné vnitřní kvantové procesy. Je nutné zdůraznit, že pro tuto hypotézu zatím věda nemá přímý laboratorní důkaz a ve farmakologii jde o menšinový pohled, pro teorii Orch-OR však tvoří jeden z hlavních opěrných pilířů.

Stále nemáme v ruce definitivní důkaz, že lidský mozek funguje jako kvantový počítač. Teorie Orch-OR však nabízí fascinující pokus spojit dva zdánlivě neslučitelné světy – biologii a kvantovou mechaniku. Roger Penrose navíc v této teorii nevidí žádnou esoteriku: vědomí podle něj realitu netvoří, ani vědomě neovlivňuje kolaps vlnové funkce. Vědomé prožitky vnímá čistě jako přirozený výsledek fyzikálního procesu, který se odehrává v samých základech hmoty.

Tím se nám ale otevírá další hluboká otázka. Pokud vědomí nevzniká pouhým mechanickým přepínáním nul a jedniček, jak přesně se propojuje s fyzikální realitou kolem nás? Proč někteří z největších fyziků 20. století, jako byl Eugene Wigner nebo John von Neumann, dlouho přemýšleli nad tím, jakou roli hraje měření a kdo nebo co vlastně ukončuje kvantovou superpozici?

Právě na tento slavný „problém měření“ a na to, jak fyzika přistupuje k roli pozorovatele, se společně podíváme v navazujícím článku.