¿Qué son los efectos biológicos cuánticos?
La fotosíntesis requiere mecánica cuántica. A primera vista, los efectos cuánticos parecen ser irrelevantes para los organismos vivos. El primero generalmente solo se observa a nivel nanométrico, y ocurre en altos vacíos (refiriéndose a vacíos con presiones en el rango de 1×10-3 a 1×10-6 mmHg), temperaturas ultrabajas y laboratorios estrictamente controlados. Este último, en cambio, vive tranquilamente en un mundo macroscópico cálido, caótico y descontrolado. Un fenómeno cuántico como la "coherencia" (en el que el patrón de onda de cada parte de un sistema sigue siendo el mismo) permanece en el ruido y la agitación de la célula durante no más de 1 microsegundo.
Todos lo pensaban. Sin embargo, los descubrimientos científicos de los últimos años han demostrado que la naturaleza tiene algunos trucos que ni siquiera los físicos conocen. La coherencia cuántica puede ser omnipresente en la naturaleza. Los ejemplos que conocemos o sospechamos de los científicos incluyen aves que pueden utilizar el campo magnético de la Tierra para navegar hacia el interior. Mecanismos de la fotosíntesis y más.
El físico Seth Lloyd, del Instituto Tecnológico de Massachusetts en Estados Unidos, dijo que muchos organismos utilizan sus propios trucos para explotar el proceso de coherencia cuántica, lo que es un poco como jugar a la "conspiración cuántica". Empezamos a hablar de una disciplina emergente: la biología cuántica. Creen que los efectos cuánticos son uno de los modos de acción más importantes de la naturaleza. Los físicos experimentales también prestan más atención a este ámbito. "Esperamos aprender algo de los trucos cuánticos en los sistemas biológicos", dijo Lloyd. "Una mejor comprensión de cómo se mantienen los efectos cuánticos en los organismos vivos puede ayudar a los científicos a lograr con éxito el difícil objetivo de la computación cuántica; tal vez también podamos construir mejor energía". dispositivos de almacenamiento y células solares orgánicas sobre esta base”.
La coherencia cuántica ayuda a la fotosíntesis
La fotosíntesis es el uso de clorofila y ciertas sustancias por parte de plantas y algas. Algunas bacterias usan sus propias células para. convierte el dióxido de carbono y el agua (las bacterias son sulfuro de hidrógeno y agua) en materia orgánica y libera oxígeno (las bacterias liberan hidrógeno) bajo la irradiación de luz visible. Este proceso es crucial e indispensable para casi todos los organismos del mundo biológico. Por lo tanto, la fotosíntesis siempre ha sido el foco de atención de los científicos.
Los investigadores sospechan desde hace tiempo que algo extraordinario está sucediendo dentro de la fotosíntesis. Desde los años 30, los científicos han reconocido que este proceso debe describirse mediante la mecánica cuántica. La mecánica cuántica sostiene que las partículas como los electrones a menudo se comportan como ondas. Un fotón que golpea una molécula de antena provoca ondas de partículas energéticas llamadas excitones, del mismo modo que una piedra arrojada a un estanque provoca ondas. Estos excitones luego "viajan" de molécula en molécula hasta llegar al centro de reacción, pero ¿sus rutas de "viaje" consisten en saltos aleatorios y no guiados o sus acciones están más organizadas? Muchos científicos modernos han señalado que estos excitones pueden ser coherentes y sus ondas se extienden a través de múltiples moléculas, pero al mismo tiempo permanecen sincronizados y se refuerzan entre sí.
Por lo tanto, los científicos han llegado a una conclusión muy simple: las ondas cuánticas coherentes pueden existir en dos o más estados al mismo tiempo. Por lo tanto, los excitones coherentes pueden existir en dos o más estados al mismo tiempo. a través de un "bosque" de moléculas antena. De hecho, pueden detectar múltiples opciones posibles simultáneamente y elegir automáticamente la forma más eficiente de llegar al centro de reacción.
Hace cuatro años, dos equipos de investigación científica, liderados por Graham Fleming, químico de la Universidad de California, Berkeley, intentaron obtener evidencia experimental que respaldara esta hipótesis. Un equipo utilizó una serie de pulsos láser extremadamente cortos para sondear los órganos fotosintéticos de las bacterias verdes del azufre. Aunque los científicos tuvieron que utilizar nitrógeno sólido para enfriar la muestra a 77 K (-196 grados Celsius), los datos detectados por el láser mostraron evidencia clara de la presencia de estados de tensión coherentes. Un segundo equipo realizó el mismo experimento utilizando bacterias de color púrpura y encontró la misma coherencia cuántica cuando operaba a 180 K (-93 grados Celsius).
En 2010, el primer equipo de científicos publicó evidencia de coherencia cuántica en bacterias a temperatura ambiente, sugiriendo que la coherencia no es solo un producto de entornos experimentales de baja temperatura, sino que puede ser importante para la fotosíntesis en el mundo real. .
Al mismo tiempo, un equipo de investigación científica dirigido por el químico Gregory Scholes de la Universidad de Toronto en Canadá también informó en la revista Nature sobre el efecto de coherencia a temperatura ambiente; esta vez no apareció en bacterias, sino que se encontró en común. algas marinas que realizan la fotosíntesis.
En este artículo, los investigadores confirmaron un efecto cuántico propuesto anteriormente al mostrar directamente la coherencia cuántica de las excitaciones electrónicas en una proteína fotosintética de 5 nm de ancho procedente de algas marinas a temperatura ambiente, teorías que pueden desempeñar un papel en esto. . Las observaciones muestran que unidades distantes dentro de estas proteínas están unidas entre sí mediante coherencia cuántica para mejorar la eficiencia de recolección de luz.
Scholes llevó a los investigadores a utilizar espectroscopía electrónica bidimensional para estudiar el mecanismo de absorción de luz de dos algas diferentes a temperatura ambiente: esta proteína especial llamada complejo de recolección de luz captura la luz solar e inyecta energía en el centro de fotorreacción. Scholes utilizó pulsos de láser de femtosegundos para simular el comportamiento de las proteínas que absorben la luz solar y descubrió que la energía luminosa absorbida aparecía en dos lugares al mismo tiempo, mostrando un estado de superposición cuántica. Esto demuestra que en los sistemas biológicos examinados las leyes estocásticas de la mecánica cuántica prevalecen sobre las leyes de la dinámica clásica, incluso a temperatura ambiente.
Scholes utilizó una analogía para explicar esta investigación: si tienes tres rutas alternativas para conducir a casa durante las horas pico, solo necesitas que una de ellas sea tu camino a casa en cualquier momento. No sabes si otros caminos serían más rápidos o más lentos en este momento. Sin embargo, con la mecánica cuántica, puedes recorrer las tres rutas simultáneamente para encontrar el camino más corto. No es necesario especificar dónde se encuentra antes de llegar a su destino, por lo que siempre tomará el camino más corto.
La fotosíntesis no es el único ejemplo de efectos cuánticos en la naturaleza. De hecho, los científicos saben desde hace varios años que en muchas reacciones catalizadas por enzimas, los fotones se mueven de una molécula a otra a través de túneles mecánicos cuánticos. En la mecánica clásica, el movimiento molecular puede entenderse como partículas que deambulan sobre una superficie de energía potencial, y las barreras de energía se consideran "pasos" sobre la superficie de energía potencial, que aíslan los compuestos. Según la mecánica clásica, cuando la energía cinética es menor que la altura de la barrera, es imposible que las partículas atraviesen la barrera. Pero en la mecánica cuántica, las partículas microscópicas todavía tienen una cierta probabilidad de atravesar la barrera de potencial a una determinada velocidad. Este fenómeno se denomina efecto túnel de la mecánica cuántica.
Otra teoría controvertida del olfato afirma que los olores surgen de la inducción bioquímica de vibraciones moleculares, un proceso que implica la creación de túneles de electrones entre las moléculas responsables del olor y los receptores de la nariz.
Sin embargo, ¿son estos ejemplos lo suficientemente comunes como para validar un principio completamente nuevo? Robert Lankenship, bioquímico de la Universidad de Washington en St. Louis que trabajó con Fleming en los experimentos con la bacteria verde del azufre, admite que es un poco escéptico. Dijo: "Creo que puede haber varias situaciones en las que los efectos cuánticos son realmente muy importantes, pero muchos, si no la mayoría, de los sistemas biológicos no aprovechan tales efectos cuánticos. Sin embargo, Scholes cree que si los efectos cuánticos son más biológicos". definido de manera amplia, y hay otra evidencia optimista. Dijo: "Creo que hay muchos otros ejemplos de efectos cuánticos en biología, y comprender la mecánica cuántica involucrada en estos ejemplos nos ayudará a obtener una comprensión más profunda de cómo funciona la mecánica cuántica".
Cuántica La inducción magnética asistida permite a las aves determinar la dirección.
Otro misterio biológico de larga data que puede explicarse mediante efectos cuánticos es cómo algunas aves detectan el campo magnético de la Tierra para determinar la dirección.
Los científicos han confirmado experimentalmente que el sensor de campo magnético del ave se activa cuando la luz incide en la retina del ave. Actualmente, la mejor suposición de los investigadores sobre el mecanismo es que la energía depositada por cada fotón incidente crea un par de radicales libres (moléculas altamente reactivas, cada una con un electrón desapareado y cada electrón desapareado posee un momento angular intrínseco (espín) y la dirección de este giro puede reorientarse mediante campos magnéticos. A medida que los radicales se separan, los electrones desapareados de un radical se ven afectados principalmente por el campo magnético cerca del núcleo. Sin embargo, el electrón desapareado del otro radical se aleja del núcleo y solo experimenta la diferencia en los campos magnéticos. Cambia los dos pares de radicales libres entre estados cuánticos con diferentes capacidades de reactividad química.
Simon Benjamin, físico de la Universidad de Cambridge, dijo: "Una idea es que cierta sustancia química se activa en las células de la retina de las aves cuando el sistema está en un estado en lugar de otro. Sintéticamente, su La concentración refleja la dirección del campo magnético de la Tierra.
En 2008, los científicos demostraron la verosimilitud de esta idea realizando una reacción fotoquímica artificial en la que un campo magnético afectaba la vida de los radicales libres. ”
Benjamin y sus colegas pensaban anteriormente que los dos electrones desapareados creados al absorber un solo fotón existen en un estado de entrelazamiento cuántico, una forma de coherencia cuántica, sin importar cuán lejos. Mientras los radicales libres se mueven, una dirección de giro está estrechamente relacionada con la otra. El estado de entrelazamiento cuántico suele ser muy frágil a temperatura ambiente, pero los científicos especulan que puede persistir durante al menos decenas de micrones en la brújula de un pájaro, más que en segundos. cualquier sistema molecular artificial
Esta inducción magnética asistida por cuánticos puede estar muy extendida no solo en las aves, sino también en algunos insectos e incluso en las plantas. Reacciones, como los campos magnéticos, que se producen de la misma manera que los mecanismos de los radicales libres. , también se puede utilizar para moderar los efectos inhibidores de la luz azul sobre el crecimiento de la planta con flores Arabidopsis. Esto también se confirma experimentalmente, afirma Benjamin: "Necesitamos comprender los procesos involucrados y qué moléculas básicas se estudian luego en el laboratorio. ”
La mecánica cuántica se utiliza ampliamente en el mundo biológico
La coherencia cuántica dentro de la fotosíntesis parece beneficiar enormemente a los organismos que la utilizan, pero su capacidad para explotar los efectos cuánticos puede estar limitada por factores naturales. selección. ¿Y la evolución? ¿O es la coherencia cuántica simplemente un efecto secundario accidental de ciertas moléculas que se construyen de cierta manera? "Hay mucho escepticismo y malentendidos sobre la evolución", dijo Scholes. Consideró que estas respuestas no eran fiables: "No podemos decir si este efecto en la fotosíntesis es el resultado de la selección". Tampoco podemos decir si existe una opción para mover la energía del electrón sin utilizar la coherencia. Los datos existentes no pueden resolver este problema.
No es natural que la selección natural favorezca la coherencia, señala: "Casi todos los organismos que realizan la fotosíntesis pasan la mayor parte del día recolectando luz y rara vez la limitan, entonces, ¿por qué habría algo así? ¿Presión evolutiva para reducir la eficiencia de recolección de luz? Fleming está de acuerdo y sospecha que la coherencia cuántica no es adaptativa, sino un subproducto del denso empaquetado de cromóforos que optimizan la absorción de la energía solar. Scholes espera comparar las proteínas de antena aisladas de algas para aclarar esta cuestión.
Fleming dijo que aunque la coherencia cuántica en los sistemas biológicos también es un efecto aleatorio, su impacto es muy grande, lo que hace que el sistema desequilibre la distribución de energía. "Es más, la coherencia cuántica permite una transferencia de energía unidireccional similar a un rectificador, lo que produce resultados. "Tiene las tasas de transferencia de energía más rápidas", afirmó. "Lo más importante es que también es menos sensible a la temperatura".
Estos efectos sugieren que tiene usos prácticos. Quizás lo más obvio es que una mejor comprensión de cómo los sistemas biológicos adquieren coherencia cuántica en su entorno cambiará la forma en que diseñamos la captura de luz, dijo Scholes. también permitirá a los científicos desarrollar células solares con mayor eficiencia de conversión de energía. Seth Lloyd cree que esta expectativa es muy razonable y su descubrimiento del efecto positivo sobre el ruido ambiental se utilizará para construir células solares que utilicen energía fotónica. cristales a nivel nanométrico) o polímeros dispersos con muchos compuestos absorbentes de luz se pueden utilizar como conjuntos de antenas artificiales.
Otro campo de aplicación potencial es la computación cuántica, objetivo de los físicos e ingenieros que trabajan en este campo. Se trata de manipular la información codificada en qubits que pueden existir en dos estados al mismo tiempo, lo que permitirá, en principio, realizar todos los cálculos posibles simultáneamente. Las computadoras cuánticas podrán encontrar las mejores soluciones más rápido que las computadoras existentes. El único requisito es que los qubits puedan mantener la coherencia y no tengan ruido ambiental que destruya la sincronización de las ondas.
Pero pase lo que pase, la biología resuelve este desafío: de hecho, la coherencia cuántica permite que los sistemas de luz funcionen ". El principal interés de Benjamin es el diseño de sistemas materiales para la computación cuántica y la tecnología de la información, que él describe como que funcionan a temperatura ambiente. La brújula del pájaro se considera un potencial sistema de navegación. Dijo: "Desentrañar cómo funciona el La brújula se protege de la coherencia nos dará algunas pistas sobre la construcción de ordenadores cuánticos. "Tomar la naturaleza como nuestra maestra es una excelente y antigua tradición de la humanidad, pero hasta ahora nadie ha pensado seriamente en ello. La naturaleza también puede enseñarnos muchos conocimientos relacionados con lo cuántico.