que se dan durante parte de la fotosíntesis. Parece que un alga inventó la
computación cuántica 2000 millones de años antes que los humanos.*
Si alguien nos dice que durante la fotosíntesis se utiliza la Mecánica
Cuántica no nos debería extrañar lo más mínimo. Al fin y al cabo la célula
fotoeléctrica del ascensor o las placas solares del tejado (si es que se
tienen) funcionan bajo los mismos principios. La explicación al efecto
fotoeléctrico tiene ya 105 años, fue dada por Albert Einstein y por ello
recibió el Nóbel de Física. Todo el mundo sabe, por tanto, que la Mecánica
Cuántica debe jugar un papel esencial en la fotosíntesis, pero los detalles
del proceso se desconocían.
Cuando uno estudia Mecánica Cuántica (MC) por primera vez se decepciona un
poco, pues su introducción suele ser fenomenológica. Uno espera ver gatos de
Schrödinger y en su lugar ve, como máximo, cuantos de energía y niveles en
el átomo de hidrógeno o en el pozo cuadrado. Es decir, a lo más que se suele
llegar es a la ecuación de Schrödinger.
Lo más fantástico y sorprendente viene normalmente después, y para ello se
necesita un buen andamiaje matemático basado en los espacios de Hilbert. Es
entonces cuando se ven las bases de la MC, sus postulados, la preparación de
estados, la superposición de los mismos, el colapso de la función de ondas,
la paradoja EPR y, como no, el gato de Schrödinger.
Hacer experimentos para estudiar estos detalles de la MC es muy difícil,
normalmente todo se va al traste con la menor perturbación, por eso a veces
hay que enfriar el sistema a estudiar hasta temperaturas cercanas al cero
absoluto, momento en que cesa toda vibración. De ahí que sea tan difícil
conseguir un famoso computador cuántico. Tener una partícula en una
superposición de un par de estados es todo un logro. Pues bien, al parecer
las plantas llevan haciendo esto mismo desde hace miles de millones de años.
Un equipo de la Universidad de Toronto ha hecho una gran contribución al
campo de la Biología Cuántica al observar estados cuánticos muy especiales
durante la fotosíntesis de algas marinas. Otro equipo australiano ha llegado
a resultados similares.
Según Greg Scholes, líder del proyecto canadiense, sus experimentos muestran
que los sistemas biológicos tienen la capacidad de usar la MC para así
optimizar procesos esenciales como el de la fotosíntesis.
La fotosíntesis usa diferentes sistemas bioquímicos. En un primer paso están
las “antenas” o los complejos que captan la luz y la llevan a los centros de
reacción en donde se suceden otros procesos que finalmente dan lugar a
energía química utilizable por la planta. Cuando un fotón alcanzan una de
estas antenas transfieren su energía a los electrones de la misma, pero esta
energía se puede perder si no es transferida rápidamente a otra molécula.
En el alga Chroomonas CCMP270, por ejemplo, estas antenas tienen 8 moléculas
de pigmentos tejidas en una estructura proteica más grande, y cada pigmento
absorbe luz de una diferente gama de frecuencias (color) del espectro
electromagnético. La ruta a lo largo de estas moléculas es importante porque
cuanto más largo sea el viaje más pérdidas de energía se pueden producir.
Desde un punto de vista clásico la energía debería viajar por un camino
aleatorio por ellas. Por tanto, los investigadores esperaban que la energía
de un pulso láser no se transfiriera desde la antena a los centros de
reacción de manera eficiente y parte se perdiera.
Este equipo de investigadores aisló estas antenas o complejos de captación
de luz de dos especies distintas de alga marina y estudió su funcionamiento
a temperatura ambiente (a 21 grados centígrados) gracias a la espectroscopía
electrónica bidimensional. Para ello se valieron de un láser de femtosegundo
con el que iluminaron esos complejos y así remedar el proceso natural de
absorción de luz.
El pulso de este tipo de láser es tan corto que se pueden vigilar más
fácilmente los procesos que se suceden después de la iluminación sin la
interferencia del haz que iluminó, aunque esos procesos sean muy rápidos.
Entre los fenómenos que se pueden observar está el movimiento de la energía
por las moléculas especiales que están unidas a una proteína.
Al excitar con el pulso láser se consigue que los electrones de las
moléculas de pigmentos salten a un estado excitado. Al volver a sus estados
fundamentales se emiten fotones con longitudes de onda ligeramente
diferentes que se combinan para formar un patrón de interferencia
determinado. Estudiando este patrón los científicos pudieron estudiar el
estado de superposición que se creaba.
Los investigadores se vieron sorprendidos al observar claramente la
supervivencia a largo plazo (cuatro veces más prolongados de lo esperado) de
estados mecanico-cuánticos relacionados con ese movimiento de energía. Este
tiempo (400 femtosegundos o 4 × 10-13 s) es lo suficientemente largo para
que la energía del fotón absorbida ensaye todos los posibles caminos
(¿recuerda esto a la integral de caminos de Feyman?) a lo largo de la
antena, permitiendo que viaje sin pérdidas. Durante un tiempo la energía de
la luz absorbida reside en varios lugares a la vez. Es decir que hay una
superposición coherente de estados cuánticos. En esencia la antena realiza
una computación cuántica para determinar la mejor manera de transferir la
energía.
El descubrimiento va en contra de la idea supuesta que sostiene que la
coherencia cuántica sólo puede ocurrir a temperaturas muy bajas cerca del
cero absoluto, porque le calor ambiental la puede destruir. Se desconoce
cómo se las arregla este sistema fotosintético para realizar esta proeza,
pero se especula que quizás se deba a la propia estructura de la proteína.
Según Scholes, este resultado podría significar que las leyes de
probabilidad mecánico-cuánticas prevalecen sobre las leyes clásicas en los
sistemas biológicos complejos, incluso a temperatura normal. La energía
puede entonces fluir eficientemente de una manera contraintuitiva (bajo la
perspectiva clásica) atravesando de manera simultánea varios caminos
alternativos a través de las proteínas. En otras palabras, los complejos de
captación convierten la luz en una onda que viaja desde la antena a los
centros de reacción sin pérdida de energía.
Scholes se plantea si los organismos desarrollaron esta estrategia
mecánico-cuántica de captación de energía solar como una ventaja adaptativa.
Según él es como si al alga “conociera” la Mecánica Cuántica 2000 millones
de años antes que los humanos. La pregunta que queda por resolver es obvia:
¿se dan este tipo de fenómenos mecánico-cuánticos en otros procesos
biológicos?
Paul Davies, director del BEYOND Center for Fundamental Concepts in Science
con sede en Arizona, cree que la Naturaleza ha tenido miles de millones de
años para evolucionar aprovechándose de las ventajas cuánticas, y que
probablemente las explota de manera eficiente cuando puede. Sospecha que el
funcionamiento de muchas estructuras biológicas nanométricas sólo se podrán
entender completamente con referencias a la coherencia, efecto túnel,
entrelazamiento y otros procesos cuánticos no triviales. El desafío será
identificar dichos procesos en el ambiente ruidoso de la célula.
Copyleft: atribuir con enlace a http://neofronteras.com/?p=3012
Fuentes y referencias:
Nota de prensa de la Universidad de
Toronto.
Artículo en Nature.
Artículo en Nature
(resumen).
Artículo en ArXiv.
Noticia en Science.
Noticia en Physicsworld.
FUENTE
http://neofronteras.com/?p=3012
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