Einstein vuelve a tener razón »
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.
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 tejad jado (si es que se tien ienen) en) func funcion ionan an bajo bajo los los mism mismos os prin princi cipi pios os.. La explicación al efecto fotoeléctrico tiene ya 105 años, fue dada por Albert Einstein y por ello Alga Chroomonas . Fuente: NOAA.
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 e spacios 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 estud estudiar iar hast hastaa temp tempera eratu tura rass cerc cercan anas as al cero cero abso absolu luto to,, mome moment ntoo en que que cesa cesa toda 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 las plan planta tass llev llevan an haci hacien endo do esto esto mism mismoo desd desdee hace hace mile miless de mill millon ones es de años 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 alg algas
mari marina nas. s.
Otro Otro
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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 c omplejos 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 s) -13
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 mecánicocuánticas 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 mecánicocuánticos
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 Nota
y de
prensa
de
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referencias: la
Universidad
en en en
Toronto. Nature.
Nature en
de
(resumen). ArXiv. Science.
