NeoFronteras

Fotosíntesis y computación cuántica

Área: Física — martes, 17 de abril de 2007

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Al parecer en la fotosíntesis realizada por las plantas se emplea un sistema de computación cuántica para mejorar la eficacia en la captura de la energía que proviene del sol.
Toda la energía que consumimos es nuclear. El mayor reactor nuclear que conocemos en nuestro mundo es el Sol. Su luz porta la energía que mueve los vientos y el agua en la atmósfera terrestre. Parte de esa luz es absorbida por las plantas que la transforman en carbohidratos a través de la fotosíntesis, carbohidratos que posteriormente alimentarán a animales y humanos. Incluso una fracción de esos carbohidratos fueron trasformados en carbón y petróleo en el pasado y ahora los quemamos en motores y centrales.
Es importante saber cómo funciona la fotosíntesis, un sistema que es fundamental para vida sobre la Tierra. Hemos empezado a obtener energía del sol directamente usando células solares, quizás podamos aprender algo de los seres que llevan haciendo lo mismo desde hace mucho tiempo.
En el proceso de la fotosíntesis las plantas, gracias a la clorofila, convierten la luz del sol, el dióxido de carbono y el agua en azúcares. Pero el primer paso esencial consiste en la captación de la energía que portan los fotones de luz por la clorofila y moléculas análogas.
Los complejos moleculares de la fotosíntesis están dispuestos de tal modo que las moléculas vecinas tienen diferentes niveles de energía. Cuando la luz incide sobre estas moléculas un electrón es momentáneamente excitado antes de pasar su energía a la molécula de al lado con un nivel energía ligeramente inferior. De este modo la energía puede fluir “cuesta abajo” de un nivel de energía a otro hasta que alcanza el centro de reacción donde la fotosíntesis ocurre.
Se creía que la energía “moviéndose” de ese modo lo hacía sobre un camino aleatorio que sería, en esencia, una superposición incoherente de distintos niveles de energía.
Las plantas transforman una buena parte de la luz que consiguen absorber en energía útil. Si el método empleado de transferencia es en parte aleatorio es difícil explicar la eficacia tan alta* que tiene la fotosíntesis.
Ahora físicos de la Universidad de Berkeley han podido desvelar que para poder hacer esto, las plantas usan principios básicos de la computación cuántica: la exploración de una multiplicidad de posibles respuestas a un mismo tiempo.
La fotosíntesis transforma la energía de los fotones de luz en energía útil en una fracción de segundo pequeñísima para así impedir que la energía se disipe en forma de calor. La disipación en forma de calor es una pérdida de energía. Pero explicar cómo la fotosíntesis realiza este truco casi instantáneo es muy difícil, sobre todo si consideramos que la energía sigue un camino aleatorio.
Gregory Engel y sus colaboradores enfriaron una bacteria fotosintética arcaica (Chlorobium tepidum), que porta una variedad de clorofila, hasta los 77 grados kelvin (casi a doscientos grados centígrados bajo cero) y la bombardearon con pulsos láser ultracortos. Mediante la manipulación de estos pulsos los investigadores pudieron seguir el flujo de energía a través del sistema fotosintético de la bacteria.
El equipo de investigadores empleó espectroscopía para determinar los niveles de energía de los electrones de la variedad de clorofila empleada. Descubrieron variaciones regulares de la señal de cientos de femtosegundos que los científicos interpretaron como un “ritmo cuántico” que coherentemente enlaza juntos los diversos niveles de energía. Según ellos esto significa que la excitación puede encontrar la ruta óptima hacía el centro de la reacción sin desperdiciar energía a través de una camino aleatorio.
En esencia la excitación energética puede “sentir” todos estos estados a la vez sin necesidad de visitarlos individualmente y elige el camino más corto.
Los electrones involucrados en la fotosíntesis muestrean diferentes rutas de niveles de energía de la misma manera en la que los algoritmos cuánticos pueden rápidamente buscar en una base de datos desordenada. En 1997 Lov Grover encontró un método teórico, denominado ahora algoritmo de Grover, que se ha demostrado (teóricamente) como el método más rápido de búsqueda en una base de datos desordenada de un hipotético computador cuántico.
En la fotosíntesis, por tanto y según los autores, la energía busca el camino más corto que le lleva allí donde es útil.
Los investigadores, que extrapolan este resultado a los demás seres fotosintéticos, afirman que las plantas, al emplear este sistema consiguen una eficacia muy alta.
Los críticos discuten que como las medidas se tomaron a tan baja temperatura (a una que por cierto el organismo está totalmente y absolutamente congelado) no está claro que el mismo proceso se dé a una temperatura ambiente.
Sin embargo, los autores del trabajo afirman que probablemente el proceso se dé a temperatura normal y que ello explique por qué la fotosíntesis es tan efectiva. Pero no saben cómo se produce este efecto cuántico en detalle y especulan que, de algún modo, las estructuras proteínicas están “sintonizada” para poder transferir la energía de esa manera y que como resultado no se convierta en calor por el camino.
Como hay científicos tratando de obtener más energía de las células solares o experimentando con la fotosíntesis artificial se podrían usar los resultados de este estudio para mejorar dichos sistemas, aunque de momento no se sepa muy bien cómo implementarlos.
Quizás podamos aprender de un sistema que lleva evolucionando sobre la Tierra durante miles de millones de años.
Dentro de cada hoja hay un sistema capaz de realizar una rápida y eficiente computación cuántica y que es a la vez la llave de la energía de la vida sobre este planeta, quizás también de la nuestra.

(*) Aunque hablamos de un eficacia muy alta, nos referimos sólo al primer paso de captación de la energía de los fotones absorbidos que puede llegar muy cerca del 100%, pero sin embargo al final del proceso la energía que podemos obtener de una planta está entre un 1% y un 2% de la energía total que ha recibido durante su vida.

Referencias:
Lawrence Berkeley National Laboratory .
Resumen del artículo en Nature.

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

  1. Francisco Hdez:

    Me gustaría saber si es viable plantar para aprovechar la energía del sol de forma más eficiente que los paneles, pero para ello necesito saber la eficiencia de las plantas cam con respecto a la energía que recibe.
    Se habla de que su eficiencia es muy alta, pero no encuentro ningún dato sobre este nivel de eficiencia que me de la razón sobre el aprovechamiento del suelo de forma racional.

  2. NeoFronteras:

    Las plantas tienen un rendimiento muy bajo que compensan con un “coste de instalación” casi nulo. Los paneles solares tienen un rendimiento muy alto pero un coste de instalación muy elevado.

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