Co musisz wiedzieć:

• Mikrotubule to ważne struktury w komórkach nerwowych, które według części naukowców mogą odgrywać rolę w powstawaniu świadomości, choć nie ma na to jednoznacznych dowodów.
• Teoria kwantowej świadomości (Orch-OR) zakłada, że w mózgu zachodzą procesy kwantowe, ale wielu badaczy uważa ją za mało prawdopodobną ze względu na warunki panujące w organizmie.
• Najnowsze badania dostarczają zarówno argumentów „za”, jak i „przeciw” tej hipotezie, dlatego kwestia związku mikrotubul i świadomości pozostaje otwarta i budzi duże kontrowersje w nauce.

Czy mózg może działać jak maszyna kwantowa?

Mózg maszyną kwantową generującą świadomość? Niemożliwe – powiada większość uczonych, którzy twierdzą, że organizm ludzki jest miejscem stanowczo zbyt ciepłym, wilgotnymi i chaotycznym na fizykę kwantową. Jednak pewien noblista w dziedzinie fizyki i jego kolega anestezjolog uważają, że świadomość wyrasta z efektów kwantowych, zachodzących w komórkowych mikrotubulach.

Mikrotubule (Mikrotubule to sztywne, puste w środku rurkowate struktury białkowe (o średnicy ok. 25 nm), stanowiące kluczowy element cytoszkieletu komórek - przyp. red. - patrz FAQ) to włókniste struktury o średnicy 20-27 nanometra, powstające w wyniku polimeryzacji białka tubuliny, pełniące funkcję cytoszkieletu (Cytoszkielet to dynamiczna, przestrzenna sieć włókien białkowych w cytoplazmie komórek, działająca jak rusztowanie. Odpowiada za kształt komórki, jej ruch, transport wewnątrzkomórkowy oraz podział. - przyp. red.) nadającego kształt komórce a nawet przyczyniają się do zmiany tego kształtu. Biorą też udział w transporcie wewnątrzkomórkowym jako szlak, po którym przemieszczają się białka motoryczne. Uczestniczą w procesach podziału komórki. Mikrotubule mogą również tworzyć stałe struktury, takie jak rzęski lub wici, umożliwiające żywym komórkom poruszanie się.

Jak narodził się pomysł połączenia żywych komórek z kwantami?

W latach 90-tych XX wieku mikrotubulami zainteresowali się dwaj uczeni fizyk, laureat Nagrody Nobla w dziedzinie fizyki, Roger Penrose i jego kolega anestezjolog Stuart Hameroff. Zaczęli głosić, że mózg jest sceną zjawisk kwantowych, czterowymiarową czasoprzestrzenią, która ma swoją wewnętrzną strukturę o skali rzędu 10-35 m (długość Plancka - najmniejsza fizycznie sensowna jednostka długości w skali wszechświata - przyp. red.). Najpierw Hameroff, uznał, że mikrotubule wchodzą w „superpozycje” w rozumieniu mechaniki kwantowej, co pozwala im mieć dwa różne kształty jednocześnie. Każdy z owych kształtów wiąże się z określoną ilością informacji.

Według tego poglądu są kubitami (najmniejszymi, niepodzielnymi kwantowymi bitami informacji - przyp. red.), przechowującymi dwukrotnie więcej danych niż wynikałoby to z klasycznego rozumienia układu. Jeśli dodamy do tego zjawisko splątania kubitów (splątanie kwantowe to zjawisko fizyczne, w którym dwie lub więcej cząstek staje się ze sobą tak ściśle powiązanych, że stan jednej z nich natychmiast wpływa na stan drugiej, niezależnie od odległości między nimi, barierą dla splątania nie jest np. prędkość światła - przyp. red.), czyli oddziaływania cząstek niebędących w bezpośrednim sąsiedztwie, to rysuje się model funkcjonowania mózgu jako kwantowego komputera. Hameroff nawiązał współpracę z Penrose’em, gdy okazało się, że maja podobne spojrzenie na mózg jako rodzaj maszyny kwantowej a ich teoria znana jest m. in. pod nazwą „zorkiestrowanej obiektywnej redukcji” świadomości (w skrócie Orch-OR).

Dlaczego niektórzy naukowcy odrzucają tę hipotezę?

Wielu naukowców obawia się jednak, że teorie na temat kwantowej natury umysłu i pamięci należą do dziedziny pozanaukowej. Sceptycy od dawna argumentowali, że mózg jest zbyt ciepłym, wilgotnym i nieuporządkowanym środowiskiem, aby mogło tam zachodzić i mieć trwalszy charakter zjawisko splątania. Podkreślają ponadto, że wykrycie tego zjawiska w mózgu byłoby niezwykle trudnym zadaniem.

Głównym argumentem teoretycznym przeciwko hipotezie kwantowej świadomości jest opinia, że stany kwantowe w mózgu straciłyby spójność, zanim osiągnęłyby skalę, w której mogłyby być przydatne do przetwarzania neuronowego. Obliczenia znanego fizyka, Maxa Tegmarka, wskazują, że układy kwantowe w mózgu ulegają dekoherencji (rozpadowi) w czasie liczonym poniżej pikosekund (bilionowych części sekundy). Tymczasem mózg reaguje w skalach milisekund (tysięcznych części sekundy). To zupełnie inne tempo, inny świat. Niektórzy naukowcy postanowili sprawdzić eksperymentalnie pomysły Hameroffa i Penrose’a. Ostatnie badania nad dynamiką mikrotubuli wykazały, że struktury te nie posiadają właściwości wymaganych do utrzymania propozycji Orch-OR.

Jednak w kwietniu 2022 roku na konferencji „The Science of Consciousness” ogłoszono wyniki eksperymentów przeprowadzonych na kanadyjski Uniwersytet Alberty i amerykański w Princeton, które dostarczyły dowodów wspierających zachodzenie procesów kwantowych w obrębie mikrotubuli. W artykule opisującym badania z udziałem m. in. samego Hameroffa, Jack Tuszyński z Alberty wykazywał, że środki znieczulające przyspieszają czas trwania procesu zwanego opóźnioną luminescencją, w którym mikrotubule i tubuliny ponownie emitują uwięzione światło. W innym eksperymencie Gregory D. Scholes i Aarat Kalra z Princeton użyli laserów do wzbudzenia molekuł wewnątrz białek tubulinowych, co dało wyniki sugerujące efekty kwantowe, ale dające się również interpretować w inny sposób.

Nowe badania: czy mikrotubule faktycznie wykazują efekty kwantowe?

Z drugiej strony, w tym samym 2022 roku grupa uczonych z Europy, przeprowadziła badania, których wyniki podważają pokrewną wobec Orch-OR hipotezę autorstwa fizyka Lajosa Diósi. Z tych prac wynika jednocześnie, że teoria Penrose'a i Hameroffa jest „wysoce niewiarygodna”, gdyż opiera się na najprostszym typie załamania funkcji falowej związanym z grawitacją. Wykluczono w nich, że skala superpozycji jest porównywalna z rozmiarem samych jąder, bowiem przy takiej skali efekt zapadania się poszczególnych jąder węgla w białkach tubulinowych jest znikomy i dlatego wymaga ogromnej liczby takich jąder, aby działać zgodnie z przewidywaniami. Naukowcy ustalili, że w mózgu jest po prostu za mało tych struktur, by pojawiły się efekty oczekiwane przez Orch-OR. Z obliczeń wynikało, że mózg musiałby mieć masę sięgającą kilkunastu kilogramów, by spełnione zostały warunki spójności kwantowej.

Badacze uważają, że choć teoria Orch OR jest trudna do przyjęcia, jeśli opiera się na najprostszym modelu załamania funkcji falowej (stanu kwantowego cząstek układu), to mogłaby stać się dopuszczalna, jeśli uda się opracować bardziej wyrafinowany model, taki, który na przykład zachowuje energię systemu.

Co wynika z nowszych badań nad kwantową naturą mózgu?

Z teorii o kwantowej naturze zjawisk mózgowych wynika jako pochodna hipoteza kwantowej natury świadomości i budzi ogromne kontrowersje, choć od czasu do czasu pojawiają się wyniki badań, takie jak te z sierpnia 2024 r., które dostarczyły kolejnych poszlak na to, że świadomość może mieć takie podłoże. Badania wykazały, że leki wpływające na mikrotubule w neuronach opóźniają moment utraty przytomności spowodowanej gazami znieczulającymi u szczurów. Wpływ leku wiążącego się z mikrotubulami na efekty znieczulenia sugerowałby, że mikrotubule odgrywają kluczową rolę w powstawaniu świadomości. To pod warunkiem jednak, że przytomność ma związek ze świadomością a to wcale nie takie pewne.

- „Jeśli świadomość zostanie ostatecznie zaakceptowana jako zjawisko kwantowe, to byłaby rewolucja w naszym pojmowaniu tych zjawisk”

- oceniał w publikacji w periodyku „eNeuro” Mike Wiest z Wellesley College, gdzie przeprowadzono opisane wyżej badania.

Z kolei wyniki badań grupy kierowanej przez Philipa Kuriana z Laboratorium Biologii Kwantowej Uniwersytetu Howarda, opublikowane w „Science Advances”, wskazują, że niektóre białka bogate w aminokwas o nazwie tryptofan, zwłaszcza te znajdujące się w komórkach mózgowych i tworzące gęste sieci cząsteczek tryptofanu, upakowane m. in. w struktury mikrotubuli, zbudowane z nich organelle zwanych centriolami i wiązki neuronów, mogą działać jak kwantowe urządzenia optyczne.

Eksperyment w "wodą mózgową"

Kwantowe zjawiska w mózgu wyłaniają się też z innych nowszych badań, np. przeprowadzonych na Trinity College w Dublinie (Irlandia). By badać głębię grawitacji kwantowej, naukowcy z tej uczelni opracowali pomysłową technikę. Wykorzystując moc wysokoenergetycznych zderzeń cząstek i zaawansowany sprzęt pomiarowy, starali się wykryć potencjalne kwantowe efekty grawitacyjne.

- „Wykorzystaliśmy pomysł, opracowany na potrzeby eksperymentów dowodzących istnienia grawitacji kwantowej. Polega to na wykorzystaniu znanych układów kwantowych, które oddziałują z innym, nieznanym układem. Jeśli znane i nieznane układy splatają się, to nieznany również musi być układem kwantowym”

- wyjaśniał Christian Kerskens, współautor badania w komunikacie opublikowanym po badaniach. On i jego koledzy wykorzystali tzw. „wodę mózgową”, która gromadzi się naturalnie jako płyn w naszych mózgach. Za pomocą rezonansu magnetycznego (MRI) mierzono w niej spiny protonów i wykrywano ich splątanie kwantowe. Badacze twierdzą, że znaleźli sygnały MRI (fale radiowe emitowane przez atomy wodoru w ciele pacjenta pod wpływem silnego pola magnetycznego, które są rejestrowane przez aparat i przekształcane w precyzyjne obrazy narządów - przyp. red.), które przypominają sygnały EEG (zapis naturalnej aktywności elektrycznej mózgu, mierzonej za pomocą elektrod umieszczonych na powierzchni skóry głowy - przyp. red.), mierzące elektryczne prądy mózgowe”. Naukowcy z Trinity College uważają, że określone procesy neuronowe generują wysoce splątane stany w naszym mózgu, torując drogę do doświadczenia świadomości.

Kubity w jądrach i biofotony

Badane są też inne podejścia do „kwantowego mózgu”, np. teoretyczne „nośniki” kubitów w biologicznych strukturach. Specjaliści z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Santa Barbara próbują np. sprawdzić, czy kubity mogą być przechowywane w jądrach atomowych. Zainteresowanie fizyków budzą w szczególności atomy fosforu, którego w ludzkich organizmach nie brakuje. Jego jądra mogłyby odgrywać rolę kubitów biochemicznych. Kolejny eksperyment ma na celu zbadanie mitochondriów (mikroskopijne organelle komórkowe, nazywane „elektrowniami komórkowymi” - przyp. red.), podjednostek komórek odpowiedzialnych za metabolizm i przekaz informacji w organizmie – czy nie odgrywają też roli w splątaniu i generowaniu kubitów informacji.

Według innych naukowców, być może właściwym tropem są tzw. biofotony. Na Uniwersytecie w Calgary odkryto, że neurony w mózgach ssaków są zdolne do produkcji fotonów światła. Ożywiło to spekulacje, czy w naszym mózgu oprócz znanych od dawna sygnałów w sieni neuronowej funkcjonują także optyczne kanały komunikacji. Biofotony produkowane przez mózg mogą być splątane kwantowo. Biorąc pod uwagę liczbę neuronów w ludzkim mózgu, w ciągu jednej sekundy mógłby w nim być emitowany nawet miliard biofotonów. Przy uwzględnieniu efektów splątania daje to gigantyczne ilości informacji przetwarzanej w hipotetycznym fotonowym biokomputerze mózgowym.

Co to oznacza dla nauki i AI

Z teorii na temat kwantowego podłoża świadomości wynikają interesujące konsekwencje dla perspektyw rozwoju sztucznej inteligencji. Gdyby bowiem przyjąć kwantowe podłoże świadomości, to prawdziwie świadomej (jak człowiek) AI nie mamy szans zbudować na bazie klasycznych technik przetwarzania komputerowego, opartych na krzemie i tranzystorach. Dopiero komputery kwantowe, i to nie te obecnej, ani nawet kolejnej generacji, mogłyby otworzyć drogę do „prawdziwego", czyli świadomego, sztucznego mózgu.

Kwantowe ujęcie mózgu i świadomości ma też inne konsekwencje, dotyczące spraw nawet bardziej delikatnych niż „AI jak człowiek”. Co do istnienia nieśmiertelnej duszy wątpliwości nie ma profesor Stuart Hameroff. W 2012 r. ogłosił, że znalazł naukowy dowód na to, że ludzka świadomość nie znika po śmierci. Według niego, ludzki mózg jest idealnym komputerem kwantowym, zaś dusza lub świadomość to informacje zgromadzone na poziomie także, ma się rozumieć, kwantowym. Ta „kwantowa dusza”, spekuluje dalej uczony, może być przeniesiona po śmierci z ciała.,, i tu warto byłoby się zatrzymać, bo świat nauki wydaje się w tym miejscu kończyć a zaczyna się królestwo wiary i przekonań religijnych.

Źródła: 

https://arxiv.org/abs/quant-ph/9907009 https://consciousness.arizona.edu/sites/consciousness.arizona.edu/files/FINAL%20TSC2022_BOOK_V8.pdf https://repository.wellesley.edu/_flysystem/fedora/2025-06/WCFS_2024_WiestMichaelC_MicrotubuleStabilizer.pdf https://www.science.org/doi/full/10.1126/sciadv.adt4623https://www.tcd.ie/news_events/articles/our-brains-use-quantum-computation/

Najczęściej zadawane pytania (FAQ)

1. Czym są mikrotubule i jaką rolę pełnią w komórkach? Mikrotubule to włókniste struktury o średnicy 20–27 nanometrów, powstające w wyniku polimeryzacji białka tubuliny. Pełnią funkcję cytoszkieletu – nadają komórce kształt i umożliwiają jego zmianę. Uczestniczą w transporcie wewnątrzkomórkowym, w procesach podziału komórki, a także tworzą stałe struktury, takie jak rzęski i wici, umożliwiające ruch komórek.
2. Kto i kiedy zaproponował kwantową teorię świadomości opartą na mikrotubulach? W latach 90. XX wieku fizykiem Roger Penrose – laureat Nagrody Nobla – wraz z anestezjologiem Stuartem Hameroffem sformułowali teorię zwaną "zorkiestrowaną obiektywną redukcją" (Orch-OR). Zakłada ona, że mikrotubule w neuronach wchodzą w stany superpozycji kwantowej, działając jak kubity (kwantowe bity informacji), co czyniłoby mózg rodzajem kwantowego komputera.
3. Na czym polega teoria Orch-OR? Teoria Orch-OR (Orchestrated Objective Reduction) głosi, że mikrotubule w neuronach mogą jednocześnie przyjmować dwa różne kształty (superpozycja kwantowa), co pozwala im przechowywać dwa razy więcej informacji niż w klasycznym układzie. Zjawisko splątania kwantowego między mikrotubulami miałoby tworzyć model mózgu jako kwantowego komputera generującego świadomość.
4. Jakie są główne zarzuty naukowców sceptycznych wobec kwantowej teorii świadomości? Sceptycy wskazują, że mózg jest środowiskiem zbyt ciepłym, wilgotnym i nieuporządkowanym, by mogły w nim zachodzić trwałe zjawiska kwantowe. Obliczenia fizyka Maxa Tegmarka sugerują, że stany kwantowe w mózgu ulegają dekoherencji w czasie poniżej pikosekund – milion razy szybciej niż wynoszące milisekundy reakcje neuronowe. Ponadto badania dynamiki mikrotubuli nie potwierdziły właściwości wymaganych przez teorię Orch-OR.
5. Jakie dowody empiryczne przemawiają na korzyść kwantowej roli mikrotubuli? W ostatnich latach badacze z uniwersytetów Alberty i Princeton ogłosili wyniki sugerujące procesy kwantowe w mikrotubulach: środki znieczulające przyspieszały opóźnioną luminescencję mikrotubuli (re-emisję światła), a wzbudzenie laserowe cząsteczek wewnątrz białek tubulinowych dało wyniki zgodne z efektami kwantowymi. Z kolei badania z 2024 roku wykazały, że leki stabilizujące mikrotubule opóźniały utratę przytomności u szczurów narażonych na gaz znieczulający.
6. Jakie są wyniki badań podważające teorię Orch-OR? Europejska grupa badaczy (2022) wykluczyła, że skala superpozycji kwantowej jest porównywalna z rozmiarami jąder atomowych białek tubulinowych. Okazało się, że w ludzkim mózgu jest zbyt mało tych struktur, by wygenerowały oczekiwane efekty kwantowe – według obliczeń mózg musiałby ważyć kilkanaście kilogramów, żeby spełnić warunki spójności kwantowej wymagane przez Orch-OR.
7. Jakie inne biologiczne struktury bada się w kontekście kwantowej świadomości? Badacze rozważają kilka alternatywnych „nośników" kubitów: jądra atomowe fosforu (obfitego w ludzkim organizmie), mitochondria odpowiedzialne za metabolizm i przekaz informacji, a także biofotony – fotony emitowane przez neurony ssaków. Szacuje się, że w ciągu sekundy mózg może emitować nawet miliard biofotonów, co przy efektach splątania kwantowego dawałoby gigantyczne możliwości przetwarzania informacji.
8. Co to jest kubit? Kubit (ang. qubit od quantum bit, bit kwantowy) to najmniejsza i niepodzielna jednostka informacji kwantowej. Jako model fizyczny kubitu najczęściej podaje się przykład cząstki o spinie ½, np. elektronu, lub polaryzację pojedynczego fotonu. Kubitem może też być kropka kwantowa, a dokładnie – jej ładunek. Angielskie słowo „qubit” po raz pierwszy pojawiło się w 1995 roku w pracy „Quantum coding” amerykańskiego fizyka Benjamina Schumachera.
9. Jakie konsekwencje dla sztucznej inteligencji miałoby potwierdzenie kwantowej świadomości? Gdyby świadomość była zjawiskiem kwantowym, budowa prawdziwie świadomej AI na klasycznych układach krzemowych byłaby niemożliwa. Dopiero komputery kwantowe – i to znacznie bardziej zaawansowane niż obecne – mogłyby otworzyć drogę do stworzenia „świadomego" syntetycznego mózgu.
10. Czy teoria Orch-OR ma jakieś implikacje filozoficzne lub religijne? Stuart Hameroff ogłosił w 2012 roku, że kwantowa natura świadomości stanowi naukowy argument za nieśmiertelnością duszy. Jeśli świadomość to informacja przechowywana na poziomie kwantowym, to po śmierci ciała mogłaby być ona "przeniesiona" poza organizm.