Ideas desde el lado extraño de la física podrían explicar algunos misterios de larga data de la biología.
Alguna vez se ha sentido un poco incoherente? O quizás usted ha tenido dos opiniones sobre algo, o incluso permanecido en un estado sensible. Bueno, aquí esta su excusa: tal vez eres esclavo de las extrañas reglas de la mecánica cuántica.
Tendemos a pensar que la interacción entre la física cuántica y la biología se detiene con el gato de Schrödinger. No es que Erwin Schrödinger quiso que su desafortunado felino – suspendido gracias a las reglas cuánticas en un estado simultáneo de estar a la vez vivo y muerto – fuera a ser algo más que una metáfora. De hecho, cuando escribió su libro de 1944 ¿Qué es la vida?, Especuló que los organismos vivos harían todo lo posible por bloquear la falta de claridad de la física cuántica.
Pero, ¿es ese el caso? Podrían las partículas que ocupan dos estados a la vez, las cuales interactúan aparentemente inexplicablemente sobre grandes distancias exhibir otros malos comportamientos cuánticos haciéndo que muchos procesos escenciales para la vida funcionen?.Al aceptar esta idea, dicen sus defensores, podríamos aprovecharla para mejorar el diseño de fármacos, de células solares de alta eficiencia y súper rápidos ordenadores cuánticos. Hay algo que tenemos que entender antes de hacerlo: ¿cómo lo cuántico se relaciona con la biología en el primer lugar?
Por un lado, se podría pensar,que no deberíamos estar sorprendidos de que la vida tiene un límite cuántico. Después de todo, la biología se basa en la química y la química tiene que ver con las acciones de los electrones atómicos - y los electrones son las bestias en el corazón de la mecánica cuántica. Eso es la verdad, dice Jennifer Brooks, quien investiga los efectos de la biología cuántica en la Universidad de Harvard. "Por supuesto que todo es en última instancia cuántico porque las interacciones de los electrones se cuantifican".
Por otro lado, los estados cuánticos en teoría son bestias delicadas, que fácilmente se alteran y destruyen por la interacción con su entorno. Hasta ahora, los físicos los han logrado producir y manipular sólo en entornos altamente controlados con temperaturas cercanas al cero absoluto, y sólo por fracciones de segundos. Encontrar los efectos cuánticos en el mundo grande, húmedo y caliente de la biología es como tener que tenerlos en cuenta en un gran proyecto de ingeniería, dice Brookes. "¿Qué tan útil es saber lo que los electrones están haciendo cuando usted está tratando de construir un avión?" , pregunta.
Podría ser que esta creencia popular este equivocada? Tome como ejemplo el olfato, el área de interés de Brookes. Durante décadas, la línea ha sido que el olor de una sustancia química está determinada por la forma molecular. Los receptores olfativos en la nariz son como cerraduras que se abren sólo con la clave correcta, cuando esa clave se acopla, desencadena las señales nerviosas que el cerebro interpreta como un olor particular.
¿Es eso posible? Tenemos alrededor de 400 receptores de olor de diferentes formas, pero pueden reconocer alrededor de 100.000 olores, lo que implica un ingenioso cálculo para combinar las señales de los diferentes receptores y procesarlos en distintos olores. Por otra parte, esa es sólo el tipo de cosas con las que nuestros cerebros están bien. Una crítica más contundente es que algunos productos químicos tienen olor similar, pero se ven muy diferentes, mientras que otros tienen la misma forma, pero un olor diferente. Los compuestos orgánicos vainillina y isovainillina, por ejemplo, tienen el olor diferente, pero son dos similares arreglos de la misma molécula (benzaldehído).
Existe una explicación alternativa. Hace unos 70 años, incluso antes de que el mecanismo de la cerradura y clave se sugiriera, el distinguido químico británico Malcolm Dyson sugirió que, al igual que el cerebro construye los colores de diferentes frecuencias vibratorias de la radiación de luz, el interpreta las frecuencias características en la que ciertas moléculas vibran como un catálogo de olores.
La idea languideció en la oscuridad hasta 1996, cuando Luca Turín, un biofísico entonces en el Colegio Universitario de Londres, propuso un mecanismo que podría hacer el trabajo de detección de vibración:el túnel del electrón. Este fenómeno resulta de la básica falta de claridad de la mecánica cuántica, y es fundamental en dispositivos que van desde microchips a los microscopios.Cuando un electrón está confinado en un átomo, no tiene una energía exactamente definida, sino tiene una extensión de energías posibles. Eso significa que hay una cierta probabilidad de que él simplemente perfore la barrera de energía que normalmente evita que se escape del átomo.
La idea de Turín es que cuando una molécula olorosa se aloja en el bolsillo de un receptor, un electrón puede atravesar la molécula de un lado a otro, desatando una cascada de señales en el otro lado, que el cerebro interpreta como un olor.Eso sólo puede ocurrir si hay una coincidencia exacta entre el nivel de energía cuantizado del electrón y la frecuencia de vibración natural del olor. "El electrón sólo puede moverse cuando todas las condiciones se cumplen", dice Turín. La ventaja, sin embargo, es que crea un aroma sin necesidad de un exacto ajuste de forma.
Era una idea polémica. En el 2007 Brookes, entonces trabajando en el University College de Londres, y sus colegas demostraron que el mecanismo es físicamente plausible: los plazos son consistentes con la velocidad con la que el cerebro responde al olor, y las señales generadas son lo suficientemente grandes como para que el cerebro las procese (ver aquí). Y en enero de este año Turín, ahora trabajando en el Centro de Investigación Alexander Fleming de Ciencias Biomédicas en Vari, Grecia, y sus colegas informaron de lo que parece ser una evidencia para la detección de vibraciones. Ellos demostraron que las moscas de fruta puede distinguir entre dos tipos de acetofenona, una base común para los perfumes, cuando una contiene hidrógeno normal y la otra contiene el más pesado deuterio. Ambas formas tienen la misma forma, pero vibran a diferentes frecuencias (ver aquí). Esa sensibilidad solamente puede significar el efecto túnel del electrón, dice Andrew Horsfield del Imperial College de Londres, uno de los autores en el papel de Brookes , en los modelos clásicos de flujo de electrones el electrón no sería sensible a la frecuencia vibratoria. "No se puede explicar sin el aspecto cuántico".
El olfato no es la única cosa que los defensores de la biología cuántica creen que pueden explicar: está también el mecanismo que acciona a todo el reino animal. Todos tenemos el adenosin trifosfato o ATP, una sustancia química producida en las mitocondrias de las células por el movimiento de los electrones a través de una cadena de moléculas intermedias. Cuando tratamos de calcular qué tan rápido sucede esto, llegamos a un problema. "En la naturaleza el proceso es mucho más rápido de lo que debería ser", dijo Vlatko Vedral, un físico cuántico de la Universidad de Oxford.
Vedral piensa que esto es debido a que depende de la calidad de "superposición", la cual permite al tipo de onda mecánico cuántica que describe a los electrones estar en dos sitios a la vez. Se calcula que la omnipresencia cuántica podría acelerar el paso de los electrones a través de la cadena de reacción. "Si se pudiera demostrar que la superposición está ahí y que de alguna manera también es importante para el flujo de electrones, sería muy interesante", dice.
Los primeros cálculos de Vedral apoyan la idea, pero él dice que es demasiado pronto para hacer ninguna afirmación. Es difícil calcular todos los parámetros involucrados en el transporte de electrones, y es posible que los cálculos clásicos acaben utilizándo los números equivocados. "Y como todavía no tenemos ninguna prueba experimental", dice. Dicha prueba podría estar muy cerca - en la forma en que las plantas y algunas bacterias obtienen su energía. Parece que la "fotosíntesis podría ser un gran juego cuántico.
Evidencia directa de que esto es así llegó en el 2007, cuando un grupo dirigido por Graham Fleming en la Universidad de California, en Berkeley, tuvo una mirada cercana de la fotosíntesis en el tepidum Chlorobium una bacteria verde del azufre. Se detectaron "pulsaciones" las señales características de interferencia de ondas cuánticas en los centros de la fotosíntesis de las bacterias enfriada a 77 grados Kelvin (ver aquí). En enero del año pasado, un grupo liderado por Gregory Scholes de la Universidad de Toronto, Canadá, mostró un efecto similar a temperatura ambiente en las proteínas captadoras de luz de dos algas marinas (ver aquí).
Este es un truco que nos gustaría aprender. A pesar de que la fotosíntesis no es particularmente eficiente en general, la etapa inicial de la conversión de fotones entrantes en energía de los electrones en las moléculas pigmentadas recolectoras de luz de un organismo fotosintético es muy eficaz.Cuando la luz solar es débil, las plantas son capaces de traducir más de 90 por ciento de los fotones en energía que transporta un electrón, en luz solar fuerte las plantas tienen que arrojar la mitad de la energía para evitar el sobrecalentamiento.
La explicación de Scholes para esto es que cuando la luz incide en los electrones, ellos son empujados a una superposición cuántica que les permite estar en dos sitios a la vez. Eso efectivamente "conecta" a las moléculas captadoras de luz al centro de reacción donde la fotosíntesis se lleva a cabo por unos pocos cientos de femtosegundos. Durante ese tiempo, un electrón puede, de acuerdo a las reglas cuánticas, tomar todas las rutas entre los dos lugares al mismo tiempo. El sondear el proceso más de cerca causa que la superposición colapse - y revele que el electrón ha tomado el camino en que pierde el mínimo de energía.
¿Podríamos tener una página del libro de biología? Scholes cree que sí. "Cada año hay miles de artículos publicados sobre la transferencia de energía", dice. "Suena duro, pero no hemos aprendido una cosa aparte de lo obvio". Una mejor comprensión de lo que está pasando también podría ayudarnos en el camino hacia la construcción de un computador cuántico que explote los estados coherentes para hacer cálculos múltiples a la vez.Los esfuerzos en ese sentido han sido hasta ahora frustrados por nuestra incapacidad para mantener la coherencia requerida por mucho tiempo - incluso a temperaturas cercanas al cero absoluto y en aisladas instalaciones experimentales donde las perturbaciones del mundo exterior se reducen al mínimo.
Este sigue siendo el dilema central para los físicos al estudiar los aspectos cuánticos de la biología. Si no podemos hacer estas cosas en nuestros laboratorios aislados, ¿cómo puede una hoja en su menos aislado jardín hacerlo? Si el petirrojo europeo pudiera hacer algo más que gorjear quizás ello también podría decirnos - y explicarnos sus aparentes superpoderes cuánticos (ver "La visión de las aves" al final del artículo).
Por el momento tenemos poco más que conjeturas. Una de ellas es que es simplemente una maravilla de la evolución. Scholes cree que las proteínas alrededor del equipo de recolección de luz de las algas podrían haber evolucionado estructuras que escudan las perturbaciones del medio ambiente y así permitir que los procesos internos exploten la magia de la física cuántica para darles una ventaja selectiva. Vedral piensa algo similar, aunque por qué y cómo la naturaleza hace esto, dice, "no está claro".
Turín se encoge de hombros, también. " 4 mil millones de años de la vida en la nanoescala habrán diseñado muchos milagros", dice. Debemos aprender a aceptar lo que vemos y tratar de imitar, dice - y no sólo en las células solares y los ordenadores cuánticos. Mientras que lo que hace a un fármaco eficaz o ineficaz no está nada claro, por ejemplo, sabemos que el funcionamiento de las cosas como neurotransmisores en el cerebro depende de las reacciones redox, las cuales todas tienen que ver con el flujo de electrones. Si estos flujos se dan de forma más extraña de lo que hasta ahora hemos imaginado, se podría abrir una nueva vía para diseñar fármacos para el tratamiento de algunos de nuestros males
Otros piensan que la naturaleza nos está llevando por el sendero del jardín. Es la fotosíntesis, por ejemplo, realmente hecha más eficiente mediante la explotación de la interferencia cuántica y los efectos de superposición? Creo que el jurado aún está deliberando sobre esta cuestión," dice Robert Blankenship de la Universidad de Washington en St Louis, Missouri. "Creo que es posible que, dependiendo de los detalles del sistema, se podría fácilmente disminuir la eficiencia." Simon Benjamin, un colega de Vedral en la Universidad de Oxford, se pregunta cómo podemos realmente poner larga duración a los estados cuánticos para trabajar si de hecho ellos no aparecen en los sistemas naturales. "Ciertamente es demasiado pronto para hacer afirmaciones dramáticas", dice.
Todos están de acuerdo en pisar con cautela en torno a este nuevo campo y es necesario tener precaución - sin embargo, hay una palpable sensación de emoción. Max Planck descubrió la teoría cuántica hace más de un siglo a causa de las observaciones extrañas que no podrían ser explicadas de otra manera. Eso llevó al láser y a los semiconductores, y a toda la revolución tecnológica que ellos han sembrado. La biología cuántica está en esa etapa inicial de observaciones inexplicables.Turín cree que algo grande está emergiéndo. "No puedo dejar de pensar que estamos viendo sólo una pequeña parte de un iceberg mucho, mucho más grande", dice.
La visión de las aves.
Otro ejemplo de los efectos cuánticos en biología podría estar en cómo las aves perciben el campo magnético de la Tierra . En el 2004, Thorsten Ritz, de la Universidad de California,en Irvine, demostró cómo las alteraciones magnéticas que sólo aparecen en los sistemas que permiten detectar las transiciones entre particulares estados mecánico cuántico del spin atómico podrían alterar el compás del petirrojo europeo, Erithacus rubecula.
Ritz sugiere que las aves vienen equipadas con un sistema de sensores que contiene los estados de spin el cual voltea en respuesta a cambios en el campo magnético de la Tierra, produciendo señales que el cerebro de las aves, de alguna manera detecta. Pero, ¿cómo?
La primera propuesta fué que algunos aparatos en el ojo inician una reacción química. Pero esto requeriría un constante y rápido volteo del spin para mantener la información química fluyéndo, mientras que las aves parecían mantener estados delicado del spin por tiempos extraordinariamente largos de hasta 100 microsegundos.
De acuerdo a Stoneham Marshall de la Universidad College de Londres y sus colegas, el problema podría ser superado si las aves utilizan algo similar a una peculiaridad visual humana en la cual se detecta la polarización de la luz,conocida como cepillo de Haidinger, esta superpone un ligero arco de color amarillo en nuestro campo visual, y se cree que resulta de la forma en que absorben la luz azul las moléculas de luteína que están dispuestas en círculos concéntricos dentro de nuestro ojo.
Stoneham calculó que un campo magnético puede producir una distorsión similar en el campo visual de un pájaro, la orientación que se modificaría con un cambio en el campo magnético.Fundamentalmente, eso se produciría sólo si los estados cuánticos duran lo suficiente como para afectar a muchas de la moléculas sensoras de la luz de las aves, al mismo tiempo.(ver aquí).
fuente de la información:
http://www.newscientist.com/article/mg21128321.500-quantum-life-the-weirdness-inside-us.html
