¿Qué son los efectos biológicos cuánticos?

Todo el mundo lo ha pensado. Sin embargo, los descubrimientos científicos de los últimos años han demostrado que la naturaleza tiene algunas habilidades que los físicos desconocían y que la coherencia cuántica puede ser omnipresente en la naturaleza. Los ejemplos que conocemos, o que los científicos sospechan, van desde la capacidad de las aves para navegar utilizando el campo magnético de la Tierra hasta el funcionamiento interno de la fotosíntesis.

Seth Lloyd, físico del Instituto Tecnológico de Massachusetts en Estados Unidos, dijo que muchos organismos utilizan el proceso de coherencia cuántica a su manera, lo que es un poco como jugar a la "conspiración cuántica". Algunos investigadores incluso están empezando a hablar de una disciplina emergente llamada 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 obtener algo de las habilidades cuánticas de 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 el difícil objetivo de la computación cuántica; tal vez también podamos aprovecharla". esto para crear mejores dispositivos de almacenamiento de energía y células solares orgánicas."

La coherencia cuántica ayuda a la fotosíntesis.

La fotosíntesis se produce cuando las plantas y las algas utilizan clorofila, y algunas bacterias utilizan sus propias células para convertir el dióxido de carbono y el agua (el sulfuro de hidrógeno y el agua son bacterias) en materia orgánica bajo irradiación con luz visible, y liberan oxígeno (hidrógeno). son bacterias) ) procesos bioquímicos. Este proceso es esencial para casi todos los organismos del mundo biológico, por lo que la fotosíntesis siempre ha sido el foco de atención de los científicos.

Los investigadores sospechan desde hace tiempo que algo inusual está sucediendo durante la fotosíntesis. Desde los años 30, los científicos se dieron cuenta de que este proceso debía describirse mediante la mecánica cuántica. La mecánica cuántica sostiene que las partículas como los electrones generalmente se comportan como ondas. Los fotones que golpean una molécula de antena provocan ondas de partículas de alta energía (factores estresantes), de manera muy similar a como una piedra arrojada a un estanque crea ondas. Estos factores estresantes "viajarán" 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 señalan que estos factores estresantes pueden estar relacionados y que sus ondas se extienden a través de múltiples moléculas. Sin embargo, al mismo tiempo, permanecerán sincronizados y se reforzarán mutuamente.

Por lo tanto, los científicos llegaron a una conclusión muy simple: las ondas cuánticas coherentes pueden existir en dos o más estados al mismo tiempo y, por lo tanto, los estresores coherentes pueden existir en dos o más estados a la vez. 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 liderados por el químico Graham Fleming 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 examinar el aparato fotosintético 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 existencia de un estado de estrés coherente. Un segundo equipo realizó el mismo experimento con bacterias de color púrpura y encontró la misma coherencia cuántica cuando se ejecutó a 180 K (-93 grados Celsius).

En 2010, el primer equipo de científicos publicó evidencia de coherencia cuántica en bacterias a temperatura ambiente, demostrando que la coherencia no es sólo producto de entornos experimentales de baja temperatura sino que también es importante para la fotosíntesis en el mundo real. . Al mismo tiempo, un equipo de investigación dirigido por el químico Gregory Scholes de la Universidad de Toronto en Canadá también informó en la revista Nature sobre un efecto de coherencia a temperatura ambiente, que esta vez no se encuentra en bacterias, sino en algas fotosintéticas comunes.

En este artículo, los investigadores confirmaron la teoría de que los efectos cuánticos pueden desempeñar un papel al mostrar directamente la coherencia cuántica compartida de las excitaciones electrónicas en una proteína fotosintética de algas de 5 nanómetros de ancho. Las observaciones muestran que las unidades de larga distancia en estas proteínas están conectadas mediante coherencia cuántica para aumentar la eficiencia de recolección de luz.

Scholes llevó a los investigadores a estudiar el mecanismo de absorción de luz de dos especies diferentes de algas a temperatura ambiente mediante espectroscopia electrónica bidimensional: esta proteína especial, llamada complejo de recolección de luz, captura la luz solar y la convierte en energía. inyectado 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, lo que es un estado de superposición cuántica. Esto demuestra que en los sistemas biológicos examinados las leyes estocásticas de la mecánica cuántica son superiores a las leyes de la dinámica clásica, incluso a temperatura ambiente.

Scholes utilizó una analogía para explicar el estudio: si tuvieras tres rutas alternativas para conducir a casa durante las horas pico, solo necesitarías una de ellas como ruta a casa en cualquier momento. No sabes si otros caminos serán más rápidos o más lentos en este momento.

Pero, 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 se elige el camino más corto.

La fotosíntesis no es el único ejemplo de efectos cuánticos en la naturaleza. De hecho, los científicos saben desde hace años que en muchas reacciones catalizadas por enzimas, los fotones se mueven de una molécula a otra mediante 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 los "pasos" que aíslan los compuestos en esta superficie de energía potencial. Según la mecánica clásica, cuando la energía cinética es menor que la altura de la barrera, es imposible que las partículas crucen la barrera. Pero en la mecánica cuántica las partículas microscópicas todavía tienen una cierta probabilidad de cruzar la barrera de potencial a una determinada velocidad. Se trata del llamado efecto túnel de la mecánica cuántica.

También existe una controvertida teoría del olfato que sugiere que los olores surgen de la inducción bioquímica de vibraciones moleculares, que implica la creación de túneles de electrones entre las moléculas responsables del olfato y los receptores de la nariz.

Pero, ¿son estos ejemplos lo suficientemente universales como para demostrar la exactitud de un principio completamente nuevo? Robert B. Rankenship, bioquímico de la Universidad de Washington en St. Louis que trabajó con Fleming en los experimentos con la bacteria verde del azufre, admite que era un poco escéptico. "Creo que probablemente hay algunos casos en los que los efectos cuánticos son realmente importantes, pero hay muchos, si no la mayoría, de los sistemas biológicos que no utilizan efectos cuánticos como este", dijo. Sin embargo, Scholes cree que la biología cuántica sí lo es. Definido de manera más amplia, hay otras evidencias de optimismo. "Realmente creo que hay muchos otros ejemplos en biología de la explotación de los efectos cuánticos", dijo. "Comprender la mecánica cuántica involucrada en estos ejemplos nos ayudará a obtener una comprensión más profunda de cómo funciona la mecánica cuántica".

La detección magnética asistida por cuánticos permite a las aves orientarse.

Otro enigma biológico de larga data que podría explicarse mediante efectos cuánticos es cómo algunas aves se orientan al sentir el campo magnético de la Tierra.

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 radical libre tiene un electrón desapareado, y cada electrón desapareado tiene un momento angular interno (espín) y la dirección de este espín puede reorientarse mediante un campo magnético. A medida que los radicales se separan, los electrones desapareados de un radical se ven afectados principalmente por el campo magnético cerca del núcleo, mientras que los electrones desapareados del otro radical se alejan del núcleo y solo sienten el campo magnético de la Tierra. La diferencia de campos magnéticos cambia los pares de radicales entre dos estados cuánticos con diferentes capacidades de reactividad química.

Simon Benjamin, físico de la Universidad de Cambridge, dijo: "Una idea es que cuando el sistema está en un estado en lugar de otro, se sintetiza una sustancia en las células de la retina de las aves. Una sustancia química cuyo La concentración refleja la dirección del campo magnético de la Tierra, esta idea quedó demostrada en 2008 cuando los científicos realizaron una reacción fotoquímica artificial en la que el campo magnético afectó la vida útil de los radicales libres”

Benjamin y sus colegas creen que la concentración. Dos electrones desapareados producidos por la absorción de un solo fotón existen en un estado de entrelazamiento cuántico, una forma de coherencia cuántica. En un estado entrelazado cuántico, una dirección de giro está estrechamente relacionada con la otra, sin importar qué tan lejos se mueva el radical. El entrelazamiento cuántico suele ser muy frágil a temperatura ambiente, pero los científicos especulan que puede durar al menos decenas de microsegundos en la brújula de un pájaro, que es más largo que cualquier sistema molecular creado por el hombre.

Este tipo de inducción magnética asistida cuántica podría estar muy extendida. No sólo las aves, sino también algunos insectos e incluso plantas muestran respuestas fisiológicas a los campos magnéticos. Por ejemplo, los campos magnéticos que se producen de la misma manera que los mecanismos de los radicales libres también pueden usarse para mitigar los efectos inhibidores de la luz azul sobre el crecimiento de la planta con flores Arabidopsis thaliana. Benjamin dijo que los experimentos lo han confirmado: "Necesitamos comprender qué moléculas básicas están involucradas en este proceso y luego estudiarlas en el laboratorio".

La mecánica cuántica se usa ampliamente en biología.

La coherencia cuántica en la fotosíntesis parece beneficiar enormemente a los organismos que la utilizan, pero ¿podría evolucionar su capacidad para utilizar efectos cuánticos a través de la selección natural? ¿O es la coherencia cuántica simplemente un efecto secundario accidental de ciertas moléculas configuradas de cierta manera? "Hay mucha confusión y malentendidos sobre la evolución", afirma Scholes. Las respuestas no son fiables: "No podemos decir si este efecto en la fotosíntesis es el resultado de la selección. No podemos decir si existe un proceso que lo haga". "No utiliza la coherencia". La selección para mover la energía de los electrones. Los datos existentes no pueden resolver este problema." Señaló que la selección natural apoya la coherencia. "Casi todos los organismos fotosintéticos pasan la mayor parte del día capturando luz y rara vez limitándola. Entonces, ¿por qué habría presión evolutiva para disminuir la eficiencia de la recolección de luz?", está de acuerdo Fleming. Sospecha que la coherencia cuántica no es adaptativa sino un subproducto de densos paquetes portadores que optimizan la energía solar absorbida. Scholes espera aclarar esta cuestión comparando proteínas antenales aisladas de algas que evolucionaron en diferentes momentos.

Si bien la coherencia cuántica en los sistemas biológicos también es un efecto del azar, su impacto es enorme, lo que hace que el sistema sea menos sensible a los desequilibrios en la distribución de energía, afirmó Fleming.

Dijo: "Más importante aún, la coherencia cuántica hace posible transferir energía en una dirección como un rectificador, lo que da como resultado la tasa de transferencia de energía más rápida y es menos sensible a la temperatura".

Estos efectos demuestran que tiene un uso práctico. Quizás lo más obvio, dijo Scholes, es que una mejor comprensión de cómo los sistemas biológicos adquieren coherencia cuántica en su entorno cambiará la forma en que diseñamos estructuras de captación de luz; también será posible que los científicos desarrollen sistemas de conversión de energía más eficientes. Seth Lloyd cree que esta expectativa es muy razonable; además, el descubrimiento de su efecto positivo sobre el ruido ambiental servirá para construir un sistema fotónico utilizando puntos cuánticos (cristales de escala nanométrica) o con muchos compuestos absorbentes de luz. utilizados como conjuntos de antenas artificiales.

Otra posible área de aplicación es la computación cuántica, donde el objetivo de los físicos e ingenieros que trabajan en computación cuántica ha sido manipular la información codificada en qubits. Los qubits pueden existir en dos estados al mismo tiempo, por lo que todas las posibilidades se pueden calcular simultáneamente. En principio, esto permitiría a las computadoras cuánticas encontrar soluciones óptimas más rápido que las computadoras existentes. Todo lo que se requiere es que los qubits mantengan la coherencia, sin que ningún ruido ambiental interrumpa la sincronía de la onda.

En cualquier caso, sin embargo, la biología ha resuelto este desafío: de hecho, la coherencia cuántica permite a los sistemas ópticos realizar cálculos cuánticos en el "camino más eficiente". El principal interés de Benjamin es el diseño de sistemas de materiales para la computación cuántica y la tecnología de la información. Considera que la brújula para pájaros, que funciona a temperatura ambiente, es un posible sistema de navegación. Dijo: "Descubrir cómo la brújula del pájaro se protege de las interferencias nos proporcionará algunas pistas relevantes para la construcción de computadoras cuánticas". Tomar a la naturaleza como nuestra maestra es una excelente y antigua tradición de la humanidad, pero nadie ha pensado seriamente en ello. Hasta ahora, la naturaleza también tiene mucho que enseñarnos sobre las cosas cuánticas.