NeoFronteras

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

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.

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