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La Mecánica Cuántica de la fotosíntesis

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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.
Foto
Alga Chroomonas. Fuente: NOAA.
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 tejado (si es que se tienen) funcionan bajo los mismos principios. La explicación al efecto fotoeléctrico tiene ya 105 años, fue dada por Albert Einstein y por ello 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 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, como 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 estudiar hasta temperaturas cercanas al cero absoluto, momento en que cesa 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 plantas llevan haciendo esto mismo desde hace miles de millones de 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 algas marinas. Otro equipo australiano ha llegado a resultados similares.
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 complejos 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 × 10-13 s) 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 mecánico-cuánticas 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 mecánico-cuánticos 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.
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Thalia