Zanimljivosti iz biologije

Vrste poput antilopa i konja pokušavaju pobeći grabljivcima upuštajući se u dug, iscrpljujući trk. U tu svrhu su im se razvile dugačke tetive, a njima se služe kao elastičnim vučnim konopcima. U određenom delu kretanja, dok se pri izvođenju koraka rastežu,tetive se ponašaju poput gumenih kanapa.

Veoma promišljeno deluje konstrukcija tetiva u valabija, kada skoči njihovi mišići moraju obaviti samo malo mehaničkog rada - tetive uštede mišiću pri svakom skoku između 60 i 96 % uloženog rada.

Skaču i majmuni, zečevi, žabe i skakavci: da bi savladali prepreke pred sobom, ulovili plen ili što brže se sklonili na sigurno. Zanimljivi su, međutim, rezultati koje ostvaruju buve. Te životinje iako velike samo 1,5 mm u stanju su skočiti sto puta više u vazduh. Kada bi prosečno visok čovek hteo postići srazmerno isti rezultat, morao bi se vinuti 180 m u vis.


Kako je za takav rezultat neophodno veliko ubrzanje, jasno je da ga sami mišići ne mogu proizvesti. Buve, međutim, raspolažu još jednim značajnim pomoćnim sredstvom: u njihovim zadnjim nogama nalazi se neka vrsta katapulta napravljena od vrlo elastičnih belančevinastih vlakana koja se mogu oblikovati poput gume. Srazmerno polagano pokretanje mišića može ih skupiti te tako stvarati energiju. Čim se buva pripremi za skok,vlakna se opuste i u trenu je izbace u vis.

POJEDINI ORGANIZMI su pre nekih 150 miliona godina uspeli "uskočiti" i u treći medijum: vazduh. Leteće životinje mogu prevaliti velike udaljenosti, savladati prepreke kao što su pustinje ili okeani i tako dospeti do izvora hrane nedostupna kopnenim putevima.

Da bi se neko relativno gusto telo vinulo u mnogo ređi vazduh, mora biti aerodinamički građeno, ali pre svega, kao što je to slučaj i u aviona, mora imati konstantan pogon. Opna krila slepog miša građena je od dvostrukog sloja kože i razapeta između produženih prstiju prednjih udova, trupa i zadnjih udova. Mišići koji su smešteni u koži pomažu tom letaču pri sklapanju krila ili pri određivanju krilnog luka za vreme leta.


Vrlo pokretljive ramene kosti čine slepe miševe veoma kretnima: brzo postižu velika ubrzanja i prema potrebi naglo usporavaju, u stanju su gotovo pravougaono poleteti, lepršati u mestu i juriti vazduhom brzinom većom od 90 km/h.

Dok je površina krila slepih miševa građena od živog tkiva, ptičija krila se velikim delom sastoje od perja - vrlo laganih tvorevina građenih od neživih ćelija koja daju oblik krilu i upravljaju letenjem. Način delovanja krila u nekih ptičijih vrsta budi interesovanje vazduhoplovnih inženjera.Tako uprkos oluji i snažnim turbulencijama mnogi galebovi bez problema lete i sigurno sleću. Njihova krila nisu kruta kao kod putničkih aviona nego se prilagođavaju promenama vetra. Kad pogon oslabi ili sasvim izostane pokrovno perje se uspravi na površinu krila i onda složenim načinom izravnava let.

Druga značajna karakteristika ptičijeg krila već je primenjena u izradi aviona: raširena krila jastrebova i orlova slabe velike turbulencije koje nastaju na krajevima krila razbijajući ih u nekoliko manjih vrtložnih strujanja. To je inspirisalo inženjere pa su krajeve avionskog krila ukosili prema gore, čime su otpor vazdušnog strujanja znatno smanjili.


Specifična građa kostiju ptica je još jedna prilagođenost životu u vazduhu. Težina kostiju znatno je smanjena zbog posedovanja šupljina ispunjenih vazduhom. Kostur goluba ima masu tek 4,4 % ukupne mase njegovog tela, a kod čoveka ona iznosi oko 15 %. Uprkos dvometarskom rasponu krila, kostur burnice težak je tek nešto više od 100 grama i time lakši od njenog pernatog pokrivača.

Ali zato su letni mišići u mnogih ptica srazmerno teški. Šumska sova (Strix aluco) s prosečnih 540 g težine ima mišiće teške 300 g, a perje i kostur zajedno su teški možda 100g. Razmena materija u organizmu ptica savršeno je prilagođena letenju: biolozi su izračunali da bi golubu teškom 400 g bilo dovoljno samo 37 g masti u telu koje bi iskoristio kao gorivo za sedmosatni let tokom kojeg bi prevalio čitavih 400 kilometara.

Stalno prilagođavanje na život u vazduhu omogućile su jednoj ptičijoj vrsti razvoj neverovatnih sposobnosti: čiopa (Apus apus) provede gotovo čitav život u vazduhu. Ta ptica veličine laste može leteti brzinom od 180 km/h. Računa se da svake godine prevali 190 000 km. Za to vreme se hrani, spava i pari u vazduhu te mesecima uopšte ne sleće.

Sleteće na zemlju jedino zbog jaja koja mora sneti.Takva izrazita specijalizacija na život u vazduhu pokazuje svoje nedostatke: dvonožni hod predstavlja joj ozbiljnu teškoću. Ima se utisak da sićuša, žuljevita stopala može doložiti poput premalih cipela. Biolozi su je nazvali Apus apus, što u prevodu znači beznoga.

JEDNA OD RETKIH ŽIVOTINJA koje se u sva tri medijuma (voda, vazduh, tlo) osećaju kao kod kuće je leteća žaba (Rhacophorus pardalis). Taj vodozemc živi u prašumama Bornea, a zna se penjati, skakati i plivati. Tokom evolucije ugurao se čak i među letače.


Veliku plivaću kožicu u slučaju potrebe može rasprostreti kao padobran i zajedriti s drveta prema tlu u 50-metarsku dubinu. Pritom je u stanju usmeravati let slično kao pilot padobranske jedrilice te mekano sleteti na tlo.

Ali kad stigne jednom na zemlju, leteća žaba ne može više poleteti u visinu nego hodajući savladava naporan uspon u potrazi za zaklonom među granjem prašumskog drveća.



biologija

Prvi ženski predsednik Mauricijusa ujedno i biolog
Ameenah Gurib-Fakim za sebe kaže da je hemičar i baštovan, ali zapravo je među vodećim naučnicima koji proučavaju floru u jednom od najvećih biodiverzitetskih hotspotova na svetu – ostrvu Mauricijusu. Od 5. juna 2015. godine postala je i prvi ženski predsednik Republike Mauricijus.

Crveni panda

Crveni ili mali panda (Ailurus fulgens) je sisar koji živi na drveću i poreklom je iz jugozapadne Kine i istočnih Himalaja.

Kako životinje zvuče na drugim jezicima?
Dva brata iz Norveške iz benda Ylvis, pokazali su nam šta sve može lisica da kaže u pesmi “What does the fox say”. Međutim, student fizike Džejms Čepman kroz zanimljive stripove pokazao nam je kako sve životinje mogu da zvuče na raznim jezicima širom sveta.

Sve o jednom komarcu
Familija komaraca Culicidae pripada redu dvokrilaca (Diptera), u koji se ubrajaju još i muve (fam. Muscidae), obadi (fam. Tabanidae), muve ce-ce (fam. Glossinidae), nekrofagna vrsta muva koje se hrane mrtvim tkivom tzv. mesaruše (Sarcophagidae) itd. Dvokrilci su karakteristični po tome što su to jedini insekti koji imaju samo jedan par krila.

Mozak, kvantni računar ?
Način na koji mozak funkcioniše još je nerešena misterija. Tokom istorije on je upoređivann sa satom, mehaničkom, hidrauličkom ili mašinom za pletenje, fonografom, telegrafom, telefonom ili eletričnim kolom. Poslednjih pola veka popularno je poređenje, pa čak i izjednačavanje mozga za računarom, a od nedavno se javljaju i teorije o mozgu kao socijaloj mreži.

Najrazličitije metafore do sada su se svodile uglavnom na dve: kibernetsku – ljudi su biološki roboti, i evolucionu – ljudi su životinje. Procesi u mozgu posmatraju se, uglavnom, kao deterministički, dakle uzročno-posledični, ponekad vođeni slučajnim i statističkim procesima.

Početkom dvadesetog veka pojavljuje se teorija koja iz korena menja pogled na svet. Nova teorija, kvantna mehanika, na iznenađujući način objašnjava fundamentalne zakone materije i energije. Nova znanja donose i veliki tehnološki napredak. U decenijama koje slede, tehnologije kao što su elektronika i laseri dovode do pojave računara, interneta i mobilne telefonije vodeći nas pravo u informatičku civilizaciju.

Ipak, kvantno mehanički procesi, matematički besprekorno opisani, u suštini ostaju neshvaćeni. Nobelovac fizičar Ričard Fajnman kaže: „Mislim da mirno mogu da kažem da niko ne razume kvantnu fiziku”. Većina jednostavno prihavata savet fizičara Dejvida Mermina: „Ćuti i računaj”. Problem nije samo u fizici. Eksperimenti kvantne mehanike otvaraju i pitanje da li je ljudska svest na neki tajanstveni način povezana s najdubljim zakonima prirode. Pionir kvantne mehanike, nobelovac Eugen Vigner trvdi: „Nije bilo moguće formulisati zakone kvantne mehanike na dosledan način bez pozivanja na svest”.

Bilo je samo pitanje vremena kada će nove terorije o funkcionisanju mozga i svesti početi da uključuju i kvantnu mehaniku. Konačno, od devedesetih počinju da se pojavljuju teorije koje se i formalno oslanjaju na ovu nauku. Jedna od najuspešnijih je teorija pod nazivom „orkestrirana objektivna redukcija”.

Materijalni mozak

Anatomija ljudskog mozga je, uglavnom, poznata. Mozak sadrži dve vrste ćelija: nervne ćelije ili neurone i prateće ćelije nervnog tkiva. Neuron se u kratkim crtama može opisati kao ćelija koja se sastoji od tela, kraćih i dužih nastavaka: dendrita i aksona prikaznih na slici 1. Neuroni komuniciraju među sobom, a i sa drugim ćelijama, razmenom elektrohemijsih signala svim svojim delovima, odnosno telom, dendritima i aksonom. Najvažnija veza za prenos nervnih impulsa je, ipak, između aksona jednog i dendrita drugog neurona, takozvanih sinapsi kako prikazuje slika 1.

Neuroni, kojih u mozgu ima oko 100 milijardi (jedinica sa jedanaest nula ili 1011), čine složenu mrežu u kojoj svaki može biti povezan sa do 10.000 drugih neurona. Unutar neurona nalaze se i male cilindrične strukture zvane mikrotubule. Nose ime po proteinu tubulinu, biomolekulu oblika zrna pasulja, od koga su sagrađene. Do nedavno se smatralo da mikrotubule služe samo kao deo skeletona ćelije, ali sve više i više činjenica ukazuje da upravo ovi mali cilindri igraju ključnu ulogu u načinu na koji mozak proizvodi svest.

Savremene teorije u najrazličitijim varijantama smatraju da ljudska svest i ljudski um nastaju kao posledice aktivnosti mreže neurona u mozgu, često izjednačavajući stanja svesti sa stanjima ove mreže. Pri tome, različita stanja mreže mogu proizvesti isto stanje svesti, isti zadatak mogu obavljati različiti regioni mozga, postoji sinhronizacija među delovima mreže itd. Ovaj model svesrdno prihvataju zagovornici jake veštačke intelignecije kojima je cilj razvijanje računarskih programa koji će kompjuterima omogućiti inteligentno ponašanje.

Smatra se da su procesi u mozgu algoritamske, odnosno proceduralne prirode koji se mogu opisati nizom tačno definisanih koraka kao kuvarski recepti, na primer. Mašinsko učenje koje omogućava računaru da uči iz poznatih podataka i tako rešave slične probleme, već daje izvanredne rezultate. Primeri su automatska klasifikacija elektronske pošte, prepoznavanje lica, detekcija sumnjivih finansijskih transaksija, pa i predlozi za prijatelje na socijalnim mrežama.

Kao posledica ovog shvatanja ogroman napor i novac ulažu se u mapiranje mozga i projekte kao što su evropski Human Brain, američki BRAIN ili kineski China Brain. Nedavni eksperimenti u Japanu pokazali su da je za simulaciju jedne sekunde aktivnosti 1% mozga bilo potrebno 40 minuta. Superkompjuter Fujitsu-K sa 82.000 procesora simulirao je mrežu od 1,7 milijardi nervnih ćelija povezanih preko 10,4 biliona sinapsi. Naučnici se nadaju da će jednom kompletirana mapa, oživljena računarskom simulacijom proizvesti svest sličnu ljudskoj. Biće to trenutak kada će pametne mašine preuzeti tehnološki razvoj stavivši ga van domašaja ljudi da ga prate ili kontrolišu. Početak tehnološke singularnosti.

Kineska soba

Modeli tipa mozak-računar imaju i većih problema od još nesavršene tehnologije. Britanski matematičar Alan Tjuring je 1950. godine predložio jednostavan test u kome čovek istovremeno tekstualno komunicira a drugim ljudskim bićem i računarom ne znajući ko je ko. Ako čovek nije u stanju da napravi razliku među sagovornicima, mašina je demonstrirala inteligenciju smatra Tjuring.

Trideset godina kasnije, 1980, američki filozof Džon Serl se nizom argumenata suprotstavlja Tjuringovom kriterijumu. U misaonom eksperimentu Serl se zatvara u sobu koju naziva „kineska soba”. Jedina veza sa svetom mu je preko dva otvora: jedan za prijem i drugi za slanje poruka kao ba slici 2. Kinez koji se nalazi izvan sobe, ne znajući ko je unutra, ubacuje poruku napisanu na kineskom i očekuje odgovor.

Međutim, Serl niti zna kineski, niti razume kinesko pismo, ali ima knjigu u kojoj može da pronađe ulazne simbole i da prema opisanim pravilima odgovori drugim simbolima. Ako se Serl tačno pridržava pravila iz knjige u konstrukciji odgovora, Kinez izvan sobe će imati utisak da vodi dijalog sa svojim sunarodnikom. U ovom primeru Serl uzima ulogu računara, a knjiga pravila ulogu računarskog programa. Diskutujući eksperiment u članku pod naslovom „Da li je um računarski program”; Džon Serl već u podnaslovu daje kategorički odgovor: „Ne. Program samo manipuliše simbolima, a mozak im daje značenje”.

Danas imamo „kinesku sobu” na mobilnim telefonima u vidu aplikacija kao što su Google translate, koja omogućuje, čak, glasovnu komunikaciju ne samo na kineskom nego desetinama drugih jezika. Međutim Serlov argument i dalje stoji. Program prevodi između dva jezika konsultujući ugrađena pravila, ali ne razume ni jedan, ni drugi. Računari u osnovi manipulišu samo s dva simbola: 0 i 1 prepoznajući razliku među njima, ali i ne i njihovo značenje.

Od klasične indijske do savremene logike može se naći mnoštvo primera pred kojima su računari nemoćni. Alan Tjuring je, takođe, formalno pokazao da postoje problemi koje klasični računari jednostavno ne mogu da reše bez obzira na brzinu, pa čak i neograničeno vreme koje bi imali na raspolaganju.

Naš se mozak suočava sa sličnim problemima gotovo svakodnevno. U privatnom životu, pravu i novinarstvu, a posebno u politici, često se srećemo sa poluistinama koje mogu sadržati niz nijansi istine i neistine, čak biti istinite i neistinite u isto vreme. Jedan od najvećih matematičara svih vremena, Kurt Gedel, kaže: „Ili je matematika prevelika za ljudski um ili je ljudski um više od mašine”.

Tajanstveni paramecijum

Neki teoretičari vide mozak kao složenu mrežu neurona, poredeći je sa socijalnim mrežama sličnim onima na internetu. Neuroni kojih ima na stotine vrsta, međusobno se povezuju stvarajući mreže sa više veza među sličnim, a manje među različitim neuronima. Jače veze doprinose specijalizaciji za neku funkciju mozga, dok slabije veze imaju ulogu u procesu učenja.

Međutim, jednostavan srednjoškolski eksperiment pokazuje da organizam koji ne samo da nema nijedan jedini neuron nego se sastoji od samo jedne ćelije, može da rezonuje, da uči i pamti. Slika 4 prikazuje takav eksperiment sa paramecijumom. Paramecijum je jednoćelijski organizam koji živi u toplim, stajaćim vodama. Poseduje osnovnu fotosenzitivnost i čula za mehaničke i hemijske nadražaje.

U eksperimentu ilustrovanom na slici 4 paramecijum je ubačen u uzanu staklenu cev zatvorenu na jednom kraju u kojoj može da pliva samo napred ili nazad. Instiktivno, paramecijum pliva napred, ali ubrzo nailazi na zatvoren kraj cevi. U sledećem pokušaju pliva unazad, ali sledećeg trenutka opet instiktivno kreće unapred i opet nailazi na zid cevi.

Posle nekoliko napred-nazad pokušaja paramecijum odustaje od plivanja napred i počinje da pliva unazad konačno nalazeći izlaz. Pri ponovljenim eksperimentima paramecijum uspeva da izađe iz cevi za sve kraće vreme, zadržavajući memoriju o naučenom triku i do 24 sata.

Rezultat eksperimenta je iznenađujući s obzirom da je paramecijum nema nervni system i kao takav ne bi trebalo da poseduje ni sposobnost učenja, ni memoriju. Ne može se oteti zaključku da se process obrade informacija odvija na nekom dubljem nivou od neuronskih mreža, pa i samog neurona.

Kvantni um Rodžera Penrouza

Rodžer Penrouz, na slici levo, matematički fizičar i profesor Univerziteta Oksford, 1989. godine u knjizi „Carev novi um” iznosi – za tadašnje vreme neverovatnu ideju – da svest nije algoritamske prirode i da mozak funkcioniše po principima koji su izvan zakona poznate fizike. U svom argumentu on polazi od kvantne mehanike i Ajnštajnove teorije relativnosti.U svetu koji nas okružuje, svetu koji se ponaša po zakonima klasične mehanike, objekti imaju tačno određenu poziciju u vremenu i prostoru. Na primer, loptica koja se kotrlja po travi kao na slici 6 gore, ima tačno definisan položaj u prostoru i vremenu. U mikroskopskom svetu, svetu atoma, objekti se ponašaju po drugačijim zakonima – zakonima kvantne mehanike.

Ako bismo lopticu sveli na veličinu subatomske čestice, doveli na temperaturu blisku apsolutnoj nuli (-273° S) i izolovali od uticaja okoline, odnosno doveli u takozvano kvantno stanje, njen položaj više ne bi bio jasno definisan. Umanjena loptica, sada kao mikroskopski objekat bi se, kako prikazuje slika 6 u sredini, teorijski nalazila ne samo na jednom nego na više mesta u isto vreme – u stanju koje se naziva kvantna superpozicija.

Ponašanje koje je nezamislivo i strano našem svakodnevnom iskustvu, ali je matematički precizno opisano takozvanom talasnom funkcijom. Slika dole u sredini prikazuje ovu funkciju koja ima oblik talasa (zelena kriva), pa otuda i ime. U primeru na slici talasna funkcija prikazuje verovatnoću nalaženja loptice na određenom mestu u određenom trenutku. Kako se nalazi u superpoziciji, loptica je „razmazana” po svim mogućim položajima. Na slici su položaji koji odgovaraju većoj verovatnoći talasne funckije označeni tamnije crvenom bojom, a manje verovatni svetlije crvenom bojom.

Posmatranje kvantnog sistema nekim mernim instrumentom dovodi do njegovog kolapsa i sistem prelazi iz kvantog u klasično stanje, odnosno počinje da se ponaša po principima klasične fizike. Loptica koja je pre trenutka posmatranja bila u superpoziciji položaja sada „kolabira” u jedan jedini sa verovatnoćom koja odgovara vrednosti talasne funkcije u tom momentu.

Trenutak, razlog, pa i samo postojanje „kolapsa” kvantnog sistema predmet je debate fizičara i filozofa skoro ceo vek. Uglavnom je prihvaćeno takozvano kopenhagenško tumačenje koje kaže da je kvantni sistem po svojoj prirodi neodređen i da kvantna mehanika može samo da predvidi verovatnoće a kojima će izvesna fizička vrednost sistema biti izmerena. Na primer, našu lopticu ćemo najverovantije naći u položaju koji odgovara najvišoj tački talasne funckije.

Iako talasna funkcija opisuje objekat koji izgleda kao da je u superpoziciji različitih stanja, ovo nije i fizička relnost. Talasnu funkciju treba posmatrati samo kao matematičku konstrukciju. Merenje ima ključnu ulogu jer trenutak merenja dovodi do „kolapsa talasne funkcije” i u tom trenutku verovatno u kvantnom svetu postaje izvesno u klasičnom.

Verner Hajzenberg, jedan od osnivača kvantne mehanike objašnjava: „Atomi ili elementarne čestice nisu stvarni; oni čine svet potencijala ili mogućnosti a ne svet stvari ili činjenica”. Albert Ajnštajn koji je uvek bio kritičan prema kvantnoj mehanici u šali kaže: „Želeo bih da verujem da je mesec tamo gore čak i kada ne gledam u njega”.

Takođe nezadovoljan objašnjenjem kopenhagenške, pa i nekih drugih interpretacija koje se u međuvremenu pojavljuju, Rodžer Penrouz iznosi ideju da talasna funkcija nije samo matematička formula nego da zaista opisuje realnost. On polazi od modela preuzetog iz teorije relativnosti koja tretira prostor i vreme kao jedinstveni matematički objekat sa četiri dimenzije. Prema teoriji relativnosti prostor-vreme se zakrivljuje pod uticajem velikih masa tipa zvezda ili planeta (slika a).

Penrouz smatra da se ista teorija može primeniti i na mikroskopski svet u kome subatomske čestice prave mehuriće u četvorodimenzionalnom prostor-vremenu kao na slici b gore. Objekat u kvantnoj superpoziciji zaista se nalazi na dva mesta istovremeno, zakrivljujući prostor-vreme oko sebe u oba položaja (slika b sredina).

U trenutku kada sistem nema više energije da održi superpoziciju spontano nastupa redukcija na samo jedno stanje (slika b dole). Penrouz ovaj proces naziva „objektivna redukcija” ili skraćenicom OR. Proces superpozicija i redukcija prožima svet koji nas okružuje, ali ga ne primećujemo jer se događa jako brzo. Na primer, za objekat mase od 1 kg prag redukcije je oko 10-37 sekundi.

Rizikujući reputaciju jednog od vodećih fizičara današnjice, Rodžer Penrouz iznosi hipotezu da se svest može opisati nizom redukcija kvantnih stanja koja se odvijaju u mozgu. Procesom objektivne redukcije mozak prima informacije kôdirane u prostor-vremenskom kontinuumu. Te informacije, ili proto-svest, on poredi sa metafizičkim modelom grčkog filozofa Platona.

Platonove „forme” predstavljaju matematičke istine, estetske, pa i etičke vrednosti. Um, dakle, nije posledica samo klasične aktivnosti neurona, već mozak prima, obrađuje, kombinuje i sinhronizuje informacije iz dva sveta: sveta formi i fizičkog sveta koji nas okružuje. Kako je svet formi nedostupan klasičnim računarima, Rodžer Penrouz, kao i Džon Serl, smatra da „prava” veštačka inteligencija nije moguća. Međutim, 1989. On još nema objašnjenja na koji se to način, i gde se u mozgu ovaj process odvija.

Zagonetka mikrotubula

S druge strane Atlantika, jedan drugi naučnik, Stjuart Hamerof, takođe istražuje poreklo svesti. Kao profesor anesteziologije na Univerzitetu Arizona, on primećuje da gasovi koji se primenjuju u anesteziji isključuju svest pacijenata bez značajnijeg uticaja na funkcionisanje neurona. Anesteziološki gasovi preko mikroskopskih, kvantnih interkacija deluju na mikrotubule, što upućuje na činjenicu da su ove na neki način povezane sa svešću.

Ako bi se objasnio mehanizam po kome se ovaj process odvija, našao bi se odgovor na pitanje kako mozak proizvodi svest. Stjuart Hamerof godinama proučava najrazličitije terorije, ali ne uspeva da nađe zadovoljavajuće objašnjenje.

Početkom 1992. u ruke mu dolazi Penrouzova knjiga „Carev novi um” i Hamerof shvata da je najzad našao odgovor koji je toliko dugo tražio. Svaki od dvojice naučnika je imao samo polovinu teorije koju je na neki način trebalo ujediniti. Hamerof stupa u kontakt sa Penrouzom, i ubrzo zatim, jednog vlažnog jesenjeg dana 1992. godine, Penrouz sačekuje Hamerofa na železničkoj stanici u Oksfordu.

U naredne tri godine dvojica naučnika formulišu i 1995. godine objavljuju zajedničku teoriju pod imenom „orkestrirana objektivna redukcija” ili skraćeno, Orch-OR. Iz opreznosti i u očekivanju otpora naučnog establišmenta naslov prvog rada završavaju znakom pitanja: „Orkestrirana redukcija kvantne koherencije u mikrotubulama mozga: model svesti?”

Orkestrirana objektivna redukcija

Orch-OR teorija se razlikuje od svih dosadašnjih u dve osnovne ideje. Prva je da u kvantnu mehaniku uvodi pojam objektivne redukcije i druga da poreklo svesti vidi u kvantnim procesima unutar mikrotubula. Praktično, mozak je biološki kvantni računar povezan sa samom strukturom univerzuma.

Princip rada kvantnog računara najlakše je opisati poredeći ga sa klasičnim računarom kao na slici 8. Osnovna jedinica informacije u klasičnom računaru naziva se bit i ima vrednost 0 ili 1. Bilo koja vrsta informacije, od teksta, slike, zvuka do videa, može se jednostavno predstaviti nizom bitova, tako da u osnovi računar uvek operiše samo sa nulom i jedinicom. Fizički, ili kako se to svetu računara naziva – hardverski, računar ne prepoznaje nule i jedinice nego samo otvorene ili zatvorene prekidače, kako to prikazuje slika 2 levo. U mikroprocesorima koji čine srce računara ovi se prekidači prave u obliku minijaturnih tranzistora, elektronskih komponenti veličine, zavisno od tehnologije, između 7 i 45 nanometara.

Slično klasičnim računarima, osnovna jedinica informacije u kvantnim računarima naziva se kvantni bit ili kubit. Kubit se za razliku od običnog bita piše kao｜0i čita kao ket nula, odnosno｜1〉što se čita kao ket jedan. Princip rada ovog računara prikazuje slika 8 desno na kojoj je kubit predstavljen atomom vodonika u takozvanom planetarnom modelu.

Atom vodonika čine elementarna čestica proton oko koga kruži manji elektron. Atom u kome se elektron nalazi na nižoj orbiti predstavlja kubit｜0〉. Atom u kome se elektron nalazi na višoj orbiti predstavlja kubit｜1〉. Elektron se, takođe, može naći u sperpoziciji, odnosno na nižoj i na višoj orbiti u isto vreme. Kubit je tada i｜0〉i ｜1〉istovremeno. Upravo u ovoj superpoziciji leži snaga kvantnih računara. Tako na primer, računar sa dva kubita može u isto vreme da manipuliše informacijom od 4 klasična bita, jer se nalazi u svim mogućim kombinacijama: 00, 01, 10 i 11 istovremeno.

Računar sa tri kubita informacijom od 8 bita, … dok računar sa 300 kubita može da manipuliše sa većim brojem bitova nego što je to broj atoma u svemiru. Slično ranije opisanom primeru kvantne loptice, u trenutku merenja, ili po Rodžeru Penrouzu, u trenutku redukcije, kubit se redukuje samo na jednu vrednost: 0 ili 1, kako to prikazuje slika 8 dole desno.

U Orch-OR modelu biološkog kvantnog računara, predstvaljenog na slici 3, mikrotubule sadrže kubite u vidu elektrona smeštenih u malom, zaštićenom džepu unutar tubulina. Elektroni unutar ovog džepa (predstavljeni crvenom bojom na slici 9a) na malim razdaljinama počinju da se međusobno odbijaju što dovodi do kvantnih oscilacija, a ove do superpozicije. Na slici su ova stanja obeležena kao kubiti｜0〉,｜1〉i｜0〉+｜1〉. „Tubulinski računar”, naravno, kao i svaki računar, ne zna za cifre – prepoznaje samo različita stanja.

Kvantne oscilacije se šire po mikrotubuli, slika 3 b), a preko veza sa drugim mikrotubulama i po neuronu, slika 3 c). Takozvani tunelski efekt omogućava elektronima da savladaju male procepe među nervnim ćelijama i tako prošire kvantno stanje na ostale neurone, pa i čitave delove mozga. U trenutku kada superpozicija postane nestabilna, otprilike svakih 25 milisekundi, dolazi do redukcije kojom mozak prima informaciju kodiranu u geometriji prostor-vremena (slika 3b).

Kao objektivizovana Platonska forma, posle trenutka redukcije primljena informacija se odslikava na geometriju mikrotubule. Na slici 3b desno, ovo je ilustrovano kao šara na mikrotubuli gde različite boje odgovaraju različitim stanjima tubulina posle redukcije. U trenutku redukcije svaki tubulin dobija samo osnovni deo – bit informacije. Tek kombinovane proto-informacije dovode do smislenih „aha” momenata. Stjuart Hamerof ovaj process poredi sa orkestrom u kome se muzičari svirajući svako za seb stvaraju kakofoniju zvukova.

Dolaskom dirigenta ovi se tonovi orkestriraju i pretvaraju u simfoniju. Otuda i prvi deo imena teorije: Orch od engleske reči orchestrated. Kaskade Orch-OR, iako diskretnih po prirodi, proizvode konstantan tok svesti. Kvantni i klasični režim rada mikrotubula se neprestano smenjuju (slika 3b) omogućavajući interakciju kvantnih informacija sa klasičnim, odnosno informacijama koje preko čula stižu iz sveta oko nas.

Učestanost redukcija poklapa sa rezultatima merenja dobijenim standardnom elektroencefalografijom (EEG). Na primer, prosečno vreme objektivne redukcije za jedan neuron je 25 milisekundi, odnosno 40 puta u sekundi (40 Hz) što odgovara gama talasima budnog stanja na EEG-a.

Hamerof, takođe, izračunava da prema klasičnoj, neuronskoj teoriji, imajući u vidu broj od 1011 neurona, svaki sa 103 sinapsi koje izvršavaju oko 100 operacija u sekundi, kapacitet mozga iznosi 1016 operacija u sekundi. U slučaju da se procesiranje informacija vrši u mikrotubulama svakog od 1011 neurona, i da svaki neuron sadrži 109 tubulina koji izvode 107 operacija u sekundi, kapacitet mozga bi iznosio 1027 operacija u sekundi.

Prema ovom rezultatu, kapacitet samo jednog neurona prema Orch-OR modelu odgovara kapacitetu celog mozga u klasičnom modelu. Ovakva računica nije dobra vest za one koji očekuju veštačku inteligenicju do 2020. godine, jer kompleksnost mozga daleko nadmašuje čak i najoptimističkija predviđanja u razvoju superkompjutera. Što se kvantnih računara tiče, IBM najavljuje računar sa 16 kubita do kraja 2017. godine. Poređenja radi, za simulaciju samo jednog neurona u realnom vremenu potrebno je milijardu kubita.

Kritike i nova istraživanja
Mada su Rodžer Penrouz i Stjuart Hamerof bili spremni na kritike, broj kao i žestina napada ih je iznenadila. Zamerke stižu sa svih strana. Od matematičara, informatičara, fizičara, biologa, pa sve do psihologa, filozofa i novinara.

Matematičari kritikuju matematiku kao neformalnu, informatičari ne odustaju od algoritamskih i modela zasnovanih na mašinskom učenju, fizičari i biolozi tvrde da kvantni efekti nisu mogući u mozgu koje je je suviše vruć, vlažan i bučan, a filozofi seciraju logičke argumente teorije.

Hamerof, ipak, optimistički izjavljuje da je bolje biti kritikovan nego ignorisan i dvojica naučnika tokom godina koje slede strpljivo odgovaraju na kritike i usavršavaju svoju teroriju. Vreme im ide u prilog. Dvadesetak godina kasnije fizika potvrđuje realnost postojanja kvantnih procesa na sobnim temperaturama. Holandski fizičar Erik Verlinde 2016. godine nalazi i vezu između kvantne gravitacije i informacija kôdiranih u strukturi prostor-vremena, što za sada niti potvrđuje niti negira Penrouzovu ideju o objektovnoj redukciji, ali potvrđuje ideju o vezi informacije i gravitacije.

Što se biologije tiče, ideja da su kvantni efekti mogući u živim organizmima dočekana je svojevremno sa podsmehom, dok je ozbiljniji kritičari nazivaju jeretičkom. Ipak, 2014. godine naučnici eksperimentalno dokazuju ne samo da su kvantni efekti mogući nego da u biljkama postoji i vrsta biološkog kvantnog računara. U procesu fotosinteze biljke „izračunavaju” najoptimalniji prenos energije koristeći princip superpozicije.

Stjuart Hamerof se u svojim prezentacijama često u šali nada da ako šargarepa ima ugrađen kvantni računar valjda ima i ljudski mozak. Iste godine potvrđuje se i hipoteza o kvantnim vibracijama u mikrotubulama. Sredinom 2016. čak i Bi-Bi-Si objavljuje reportažu pod naslovom „Da li su živi organizmi kvantne mašine”, a 2017. i članak „Neobične veze između ljudskog uma i kvantne fizike”.

Mada imaju najkompletniju teoriju, Rodžer Penrouz i Stjuart Hamerof nisu jedini koji vide mozak kao „kvantnu mašinu”. Metju Fišer sa Kalifornijskog univerziteta u Santa Barbari iznoseći svoju teoriju na jednom seminaru početkom 2017. postavlja pitanje: „Da li smo mi kvantni računari ili samo pametni roboti”. On je, naravno, uveren da mozak funkcioniše po principu kvantnih računara i misli da ulogu kubita imaju atomi fosfora. Ipak, još nije u stanju da preciznije formuliše mehanizam po kome se to događa.

Rodžer Penrouz i Stjuart Hamerof su nedavno, opet, pomerili granice svoje teorije uvodeći ideju o topološkom kvantnom računaru kao mogućem načinu na koji mikrotubule obrađuju informacije. Topološki kvantni računar predstavlja samo teorijski koncept. Zasnovan je na egzotičnoj ideji o postojanju kvazičestica koje bi se kao konac provlačile i pravile petlje u trodimenzionalnom prostor-vremenu, odnosno u dve dimenzije prostora i jednoj dimenziji vremena, kako to prikazuje slika 4. Zaista, posmatrajući mikrotubule sa slike 3, ne može se oteti utisku da izgledaju kao šare na džemperu. Analizom ovakvih struktura bavila bi se matematička teorija čvorova.

Mnoge teorije koje smo do nedavno smatrali neprikosnovenim istinama pokazuju se nekompletne ili padaju u zaborav. Bez obzira da li će vreme potvrditi ili odbaciti Orch-OR teoriju, njen značaj u smislu nove i hrabre hipoteze je nesumnjiv. Najvažnije je da će nauka nastaviti da nas iznenađuje u potrazi za konačnim istinama.

Crveni ili mali panda (Ailurus fulgens) je sisar koji živi na drveću i poreklom je iz jugozapadne Kine i istočnih Himalaja.
Crveni panda je jedina živa vrsta roda Ailurus porodice Ailuridae iako se greškom ranije svrstavao u porodice medveda i rakuna.

Mali panda nije u bliskom srodstvu sa velikim pandom. Veliki panda je u familiji medveda, dok mali panda pripada superfamiliji Musteloidea kojoj pripadaju još lasica, vidra, kuna, jazavac, žderavac, tvor, rakun, koati, kinkajou, olingo itd.

“Prvi filozofi u Grčkoj rado se nazivaju “filozofima prirode” jer su se pre svega zanimali za prirodu i prirodne procese.

Mnogi od današnjih ljudi misli da je ono što postoji nekada nastalo ni iz čega. Ta misao nije bila podjednako raširena među Grcima. Iz nekog razloga su smatrali da to “nešto” oduvek posto
Kako je sve moglo nastati ni iz čega nije, dakle, bilo ključno pitanje. Grci su se pitali kako voda može da se pretvori u živu ribu i kako beživotna zemlja može da se pretvori u visoko drveće i jarko šarene cvetove. A da i ne govorimo o tome kako jedno malo dete može da nastane u stomaku svoje majke!

Filozofi su svojim očima videli kako se u prirodi neprestano događaju promene. Ali kako su te promene moguće? Kako nešto može da se od jedne tvari pretvori u nešto sasvim drugo – na primer život.Zajedničko svim prvim filozofima je bilo da su smatrali da mora postojati neka određena pratvar koja čini osnovu svih promena. Teško je reći kako im je to palo na pamet. Mi samo znamo da se razvila predstava o tome da postoji neka pratvar koja se na neki način skriva iza svih promena u prirodi. Po njima, moralo je postojati “nešto” iz čega sve proishodi i čemu se sve vraća.

Za nas nije najzanimljivije do kojih su odgovora stizali ti prvi filozofi. Zanimljivo je koja su pitanja postavljali i za kakvim su tipom odgovora tragali. Nas više zanima kako su razmišljali nego šta su mislili.