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Área: Biología,Física — lunes, 28 de enero de 2013

Averiguan cómo se logra mantener la coherencia cuántica en el sistema fotosintético.

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En el pasado ya vimos en NeoFronteras que los raros fenómenos asociados a la Mecánica Cuántica (MC) se dan también en la fotosíntesis. Como ya sabemos, no se puede concebir la realidad sin la MC. Sin ella la puerta de los ascensores nos golpearía y los dispositivos electrónicos en general no funcionarían. De hecho, los átomos serían inestables y no habría química alguna, así que no habría bioquímica ni, por lo tanto, vida.
Pero, además, la MC presenta fenómenos raros que se dan a nivel teórico para los cuales siempre ha sido complicado dar una interpretación que sea aceptada por todos los físicos. Encima son muy difíciles (pero no imposible) de mostrar en el laboratorio.
El problema es que 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. Mantener la coherencia cuántica de tal modo que se tenga una partícula en una superposición de un par de estados durante un corto periodo de tiempo es todo un logro.
Hasta hace poco se creía que los seres vivos estaban demasiado calientes y húmedos como para soportar este tipo de fenómenos, pero la investigación en el tema de la fotosíntesis reveló que no es así y que la evolución ha conseguido mantener la coherencia cuántica de excitones en la fotosíntesis para así elevar el rendimiento de la misma.
El rendimiento total final de la fotosíntesis es muy bajo, pues sólo un 1% o un 2% de la energía solar es fijada en los azúcares que la planta crea. Argumento éste usado por algunos para rechazar el uso de superficie para el cultivo de biocombustibles en lugar de para colocar paneles solares.
Sin embargo, el rendimiento de la fotosíntesis no es el mismo en todos los organismos ni en todos los pasos de la misma.
Hay algas fotosintéticas del azufre que viven a 2000m bajo el nivel del mar. A esa profundidad la cantidad de luz solar que llega es mínima, así que este microorganismo no tiene más remedio que aprovechar cada fotón que le puede llegar si quiere sobrevivir. De hecho, parece que absorbe cerca del 100 de esos fotones.
Científicos alemanes y españoles (Universidad de Cambridge, Instituto de Física de Ulm y la Universidad de Cartagena) han estudiado este organismo para así desentrañar los mecanismos cuánticos implicados.
En la fotosíntesis la energía de los fotones incidentes es transferida a través de una cadena de pigmentos a un centro de reacción en donde es convertida en energía química. Esos pigmentos se mantienen en su lugar gracias a unas proteínas, conjunto que crea un complejo pigmento-proteína. Estos complejos forman un corredor para la energía que viaja por ellos en forma de excitones que saltan de una molécula a la siguiente.
En 2007 ya se demostró que estos excitones exhiben coherencia cuántica, lo que permite que los excitones existan en una superposición de varios estados. Además, esta superposición permite al excitón explorar las múltiples trayectorias posibles y elegir la más rápida y eficiente. Como ya se ha demostrado en las células fotovoltaicas, cuando mayor es el camino que recorre un excitón más probable que su energía se disipe y no llegue a la meta.
Se ha podido comprobar que los excitones de la fotosíntesis existen por un tiempo 100 veces superior al tiempo de coherencia de los estados de energía de un excitón. Esto permite que el 100% de la energía del fotón absorbido llegue, como excitón, al centro de reacción.
En este nuevo trabajo se sugiere que lo que permite este efecto descansa en las proteínas de los complejos que dan soporte estructural a los pigmentos. Según sus cálculos estas proteínas son unos participantes activos en el proceso de transporte. Las frecuencias naturales de vibración de estas proteínas entran en resonancia con las ondas del excitón y las “empujan” de tal modo que no se produce amortiguamiento. De hecho, el excitón podrían pasar su vibración a la estructura de la proteína y ésta la pasaría al excitón para así restaurar su coherencia.
El resultado es teórico, así que se necesitará demostrar con experimentos esta propuesta, algo que no parece muy complicado de hacer. Con una hipótesis es más fácil diseñar un experimento que sin ella.
La comprensión de la estructura de esta proteína podría ayudar a construir estructuras similares en dispositivos cuánticos, por ejemplo en sistemas para convertir luz solar en energía química, o en células solares. También podría servir para mejorar la coherencia de los prototipos de computadores cuánticos que hasta ahora sólo pueden funcionar por un breve periodo de tiempo.

Copyleft: atribuir con enlace a http://neofronteras.com/?p=4017

Fuentes y referencias:
Noticia en Physics World.
Artículo original.
La Mecánica Cuántica de la fotosíntesis.

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

  1. LLuís:

    Quizás no sea posible, pero, ¿ y aprovhecar el juego electrón- fotón-excitón, utilizando pigmentos proteínicos o bacterias para construir un ordenador cuántico?. Igual es una tonteria lo que acabo de decir, pero si las plantas con la fotosintesis emplean la MC y son capaces de mantener la coherencia de estados superpuestos, pues igual no es una idea tan descabellada.

  2. NeoFronteras:

    Estimado Lluís:
    ¿Y por qué no? Muchas ideas se han inspirado en el mundo natural.

  3. Max:

    Ciertamente, la complejidad de la naturaleza parece ser infinita. Pero hasta el momento el concepto mas prometedor (teóricamente) es el de la computación cuántica topológica.

    http://andres.unizar.es/~ei/2008/Contribuciones/MiguelAngelMartin-RSEF.pdf

    http://www.youtube.com/watch?v=FAiiXp9IoBk

    http://research.microsoft.com/apps/video/default.aspx?id=154238

    http://kouwenhovenlab.tudelft.nl/wp-content/uploads/2012/05/Science-2012-Mourik-1003-7.pdf

  4. Miguel Ángel:

    Amigo LLuís:

    Me suelen encantar tus comentarios, pero de un tiempo a esta parte te encuentro especialmente inspirado. Cuando tratas el tema teísta (o ateista en tu caso) logras hacerme reir con tu ironía socrática, y eso es algo que para mí no tiene precio.

    Por cierto que también he disfrutado con esa noticia anterior que ha enlazado Neo “La Mecánica Cuántica de la fotosíntesis”. Me parece muy considerable la hipótesis de tomás sobre el determinismo del cerebro.

    Abrazos.

  5. LLuís:

    Muchas gracias,Miguel Ángel. Te aseguro que me siento bien cuando alguien me dice que logro hacerle reir. La verdad es que arrancar unas sonrisas al personal no es precisamente mi especialidad.Sólo lo consigo muy de tarde en tarde y sin proponermelo.Y que conste que admiro a las personas que ,para su suerte, tienen un apreciable y sutil sentido del humor.
    Saludos cordiales, Miguel Ángel.

  6. A. Javier M. Martinez:

    Realmente prodigioso.

    Lo que estudie de mecánica cuántica y comunicaciones ópticas, me llevo al estudio de los Lassers.

    Nunca estudie en esa perspectiva los procesos biológicos.

    La longitud de coherencia, o el tiempo de coherencia, eran claves en ello.

    Que estructuras biológicas a 2.000 metros de profundidad en el mar, hayan desarrollado la capacidad de entrar en resonancia cuántica con los poquísimos fotones que les llegan, para aprovechar el 100% de su energía, alargando enormemente el tiempo de coherencia de esos fotones en esas estructuras,,,,,,,,,

    Hace apenas 3 años sonaría a ciencia ficción.

    Inevitablemente, me recuerda a todos los trabajos experimentales sobre emisión débil de fotones por el material biológico (Entre 100 y 1000 por centímetro cuadrado y segundo, en el rango ultravioleta), y la demostración experimental (En base a distribución estadística de emisión-recepción), de que se producen no por emisión térmica , sino coherente, dentro de las células biológicas.

    Se que ese campo ha sido fuertemente atacado como mala ciencia durante años,,,

    ¿Y esto?.

    Muchas gracias por el trabajo y la información.

    Impresionante la naturaleza,,,

  7. Alejandro Álvarez Silva:

    Interesante artículo que refleja el importante papel de la cuántica en el desarrollo de la vida. Felcitación para los autores. Saludos:
    Alejandro Álvarez

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