NeoFronteras

La Mecánica Cuántica de la fotosíntesis

Área: Física — lunes, 15 de febrero de 2010

Descubren unos mecanismos mecánico cuánticos sorprendentes y fascinantes que se dan durante parte de la fotosíntesis. Parece que un alga inventó la computación cuántica 2000 millones de años antes que los humanos.

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Alga Chroomonas. Fuente: NOAA.

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, ¿cómo 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 el 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 como 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 bajo la perspectiva clásica de una manera contraintuitiva y atravesar 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 el 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.

Salvo que se exprese lo contrario esta obra está bajo una licencia Creative Commons.
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17 Comentarios

  1. Atanasio:

    Coherencia y computación cuánticas a escala nanométrica, en las células… ¿es acaso un paso hacia la confirmación de la conocida hipótesis de Penrose? ¿Qué más se ha sabido de eso en años recientes? Saludos.

  2. Atanasio:

    Oh, perdón: a escala micrométrica…

  3. Manuel Baselga:

    Una idea muy sugestiva, Atanasio. Es muy pronto todavía para pensar que esto pueda confirmar la hipótesis de Penrose, pero al menos sugiere que no es del todo descabellada.

    Un interesante enlace sobre la teoría de la mente de Penrose:

    http://webspace.webring.com/people/pu/um_1104/mente.html

  4. lluís:

    Exactamente lo mismo que los comentarios que me preceden es lo que iba a decir.Al leer este interesantísimo artículo, lo primero que me vino a la mente fue la sugerencia de Penrose sobre la actividad cuántica en las neuronas humanas,actividad que nos dotaría de conciencia.

  5. NeoFronteras:

    Pues como ya se ha dicho por aquí, efectivamente, se parece a lo que decía Penrose. Aunque queda un largo trecho para demostrar esto mismo para las neuronas.
    En el caso de la fotosíntesis es relativamente fácil hacer experimentos con luz. Con neuronas no sé qué es lo que podría ser equivalente.

  6. NeoFronteras:

    Nota: una de las frases del comienzo ha sido reescrita para que así no se confundan el logro de Einstein con la fotosíntesis.

  7. fernando mansur:

    Por fin comenzamos a avanzar en biología.

  8. tomás:

    El artículo es extraordinariamente sugestivo, sobre todo porque, al menos a mí, me enfrenta con mis inseguridades o, quizá mejor dicho, con la debilidad de mis seguridades. Y no en sí mismo, sino por las consecuencias que de él se derivan y que se manifiestan el los comentarios anteriores.
    Recordar a Penrouse me hace preguntarme sobre la unicidad de la realidad. ¿Es una o esta percepción es sólo una especie de fe, tan impropia en mí? Lo resuelvo definiéndola paralelamente a como defino el Universo. Si este es el conjunto de todo lo que existe,conózcalo o no, realidad es el conjunto de lo que es, sumido en su constante variación, independientemente de que lo perciba o no.
    ¿Es posible separar la mente del cerebro? Pienso que sí: en todos los casos el cerebro es una complejidad fisiológica y la mente, un proceso que sucede en esa complejidad. Por tanto es precisa la actividad fisiológica para que se dé el proceso: muerto el perro, se acabó la rabia.
    Pero me pregunto: ¿Qué consecuencia fundamental puede extraerse de que la acción de los anestésicos sea tan eficaz para anular la conciencia -es decir, un cierto aspecto del proceso mental- como la actividad unicelular? Eso también lo consigue un buen martillazo. Y un psicotrópico ¿es capaz de activar tanto uno como otro? Imagino que sí, pero ¿qué demuestra eso?
    Me resulta dudoso que las experiencias de Hameroff confirmen las hipótesis de Penrouse. Debo quedarme en la escéptica y a la vez ilusionada espera, no en la aséptica espera. Es como yo entiendo el clásico “epojé”, apartándome de lo ortodoxo.
    ¡Cuanto aprecio los comentarios documentados en estos casos tan duros para mí, menos acostumbrado a lidiar con estos temas!
    Estoy pidiendo ayuda a los que me precedéis en los comentarios de este artículo.
    En cualquier caso, gracias por despertar mi intelecto, mis dudas, la posibilidad de descubrir mis contradicciones.

  9. Joabbl:

    Quizá algún día descubramos que la mecánica cuántica juega un papel fundamental en muchos otros procesos biológicos. ¿Por qué no en la replicación del ADN y sus mutaciones, por ejemplo?

    Saludos

  10. NeoFronteras:

    Estimado Joabbl:
    En cualquier proceso a escala molecular necesariamente estará implicada la MC. Otra cosa es qué aspectos de la misma se den.

  11. tomás:

    Gracias Neo: Es una de las cosas que quería certificar. Además parece evidente.

  12. Gerardo:

    Yo soy firmemente evolucionista, pero esta clase de noticias maravillan tanto que a veces uno se pone a pensar…… si despues de todo no hay alguien diseñando por ahi.

    solo es un comentario inspirado, no me ataquen por eso ;-)

  13. tomás:

    Gerardo, yo no te ataco, pero “el libro” no dice nada de la MC, y al Unicornio Rosa no puedo verlo.
    Cuando no comprendemos algo, no es lícito ni razonable buscar un “comprendedor universal” que nos saque la patata caliente de la fogata: hay que quemarse, o coger unas tenazas pero, en todo caso, hacerlo nosotros.

  14. Alejandro Álvarez:

    Muy buen artículo y muy bien descrito. Saludos:
    Alejandro Álvarez

  15. tomás:

    Estimados Atanasio, Manuel, lluís, Neo, etc.: Creo ya imaginais que no domino el tema de Penrouse aunque alguna noticia tengo de él. Pero se me ocurre alguna contradicción. Ese proceso cuántico es universal; no se limita ni siquiera a los vertebrados pues existen infinidad de invertebrados con ganglios cerebrales y unicelulares con microtúbulos.
    ¿Debemos suponer en ellos conciencia, o conceptuar de otra manera este fenómeno, o sospechar otro un poco paralelo? ¿Implicaría esto, de algún modo, introducir el azar en el comportamiento e incluso en la faceta de pensamiento?
    Este es uno de esos artículos que, con sus comentarios, uno desearía no caducase nunca. ¿No habría manera de hacer alguna excepción cuando, por ejemplo, se superase un determinado número de comentarios?

  16. NeoFronteras:

    Estimado Tomás:
    Lo que no está tan claro es que los animales, sobre todo algunos, tengan un cerebro tan distinto del nuestro y, por ende, sentimientos y autoconsciencia. Probablemente, aunque aún no lo conozcamos, muy pocos genes nos hacen mucho más inteligentes y con capacidad de abstracción.
    Si algún día hallamos esos genes y creamos una vaca transgénica inteligente, ¿nos la podremos comer?
    En cuanto a la idea de Penrose, es evidentemente especulativa y no está claro que pudiera explicarlo todo. O, peor aún, que explicara cosas que no queremos sean explicadas. Si se demostrara que nuestros cerebros, aunque cuánticos, son máquinas deterministas seguro que no nos gustaría.

    Sobre el cierre de comentarios fue de las mejores ideas implementadas en esta web. Es una manera de limitar las malas acciones de spammers, hackers, hoygans y demás fauna destructiva. Esta web ha llegado de estar a punto de desaparecer por culpa de esa gente. Imagínese un día a partir del cual no hay más NeoFronteras.
    El cierre es manual para poder realizar alguna excepción, pero no merece la pena hacerlo y quizás merezca la pena automatizarlo. Además los mismos temas salen una y otra vez y pueden ser vueltos a revisar, discutir, etc.

  17. tomás:

    Estimado Neo: Yo no podría comer esa vaca en condiciones normales, pero ¿recuerdas el caso del equipo que sobrevivió en Los Andes? Bueno, este tema tiene una importancia menor.
    Respecto a que nuestro cerebro sea una máquina determinista, aunque pueda no gustar, para mí lo es, y sé que eso te repele. Pero tengo una explicación de su realidad. Primero porque no es posible que sea de otra manera y segundo porque hay un modo de que sea tal como creo.
    No es posible que sea de otra manera porque las ocurrencias llegan sin ser llamadas. Yo no puedo querer pensar en tal cosa. Sencillamente pienso directamente en ella, sin haberlo querido. Es decir, ese pensamiento llega a mi mente sin ser llamado. Si para pensar en algo, antes hubiera de proponérmelo, ese propósito, o también ha llegado por sí mismo o ha de ser llamado por mi voluntad, y así sucesivamente hasta el primer potencial de acción de mi primera neurona que, evidentemente, no pudo ser voluntario y, por tanto, tampoco todos los que le han seguido.
    Suelo investigar mi pensamiento. A veces me propongo pensar en tal tema y no dejarlo. Al rato me sorprendo al darme cuenta de que estoy pensando en otra cosa. Muchas veces intento recordar un nombre y no lo consigo. Si de mi voluntad dependiese, no existirían estos problemas. Decir “es mala memoria” sería una certificación de que no depende de mi voluntad, sino de la fisiología de mi cerebro.
    En cuanto a cómo podemos tener la sensación de que poseemos voluntad que nos permite elegir, la respuesta está en que, en cada instante, millones o billones de combinaciones acuden inconscientemente y solo una emerge, elegida por el ambiente externo e interno a nosotros, pero no por nuestra voluntad, descartada por el anterior razonamiento.
    El que tras seccionar el cuerpo calloso sucedan en “nuestros cerebros” cosas tan asombrosas que estoy seguro conoces, apoya de algún modo mi teoría. También el que tras algún accidente cambien tan radicalmente algunas personalidades. Y no menos el que las modernas técnicas permitan conocer con antelación una respuesta ante un estímulo; varias noticias se han ocupado de ello aquí. Que un ciego vea una cruz si se excitan las zonas del córtex apropiadas, también: las verá, quiera o no, siendo ciego.
    En cuanto a las razones que me das para cerrar las noticias, incluso automáticamente y que, de todas formas, se puede proseguir en otras similares, me has convencido totalmente.
    Un cordial saludo y el deseo de que nunca se cierre esta ventana a la extensión del conocimiento.

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