Cómo de cuánticos son los fenómenos cuánticos en los seres vivos

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Este texto es una colaboración del Cuaderno de Cultura Científica con Next

No es difícil encontrar en el mercado anuncios de tratamientos para todo tipo de dolencias y mejoras físicas en forma de gurús, cremas, pastillas o piedras de colores en los que aparece la palabra “cuántico” o “quantum”. Ni que decir tiene que todos ellos son fraudes. ¿Por qué? Porque los efectos cuánticos en biología son unos pocos y apenas se empiezan a conocer por los especialistas en cuántica; por lo tanto, ninguna persona o piedra de colores puede afirmar honestamente que lo suyo tenga un efecto cuántico en nuestra biología.

Pero, ¿hasta qué punto son cuánticos los llamados efectos cuánticos biológicos? Por ejemplo, ¿hasta qué punto es necesario un fenómeno cuántico tan característico como la coherencia (el hecho de que un sistema pueda estar en más de un estado al mismo tiempo, como el gato de Schrödinger antes de abrir la caja) para que los efectos biológicos tengan lugar? Esta pregunta ha encontrado una primera respuesta en un trabajo de Atac Imamoglu, del Instituto Federal Suizo de Tecnología de Zúrich, y Birgitta Whaley, de la Universidad de California en Berkeley, que publican en Physical Review E.

La absorción de cuantos de luz (fotones) es la clave en muchos procesos biológicos como la visión, la fotosíntesis y la magnetorrecepción animal (los pájaros, por ejemplo, navegan percibiendo cómo el campo magnético terrestre afecta a los electrones generados por los fotones que inciden en sus retinas). Todos estos procesos tienen un mecanismo básico común: los fotones se absorben por parte de un complejo proteína-pigmento, lo que desencadena una secuencia de reacciones químicas que son las que realizan la función biológica.

Pero, ¿hasta qué punto es necesaria la “parte cuántica” en toda esta cadena?¿Puede explicarse reduciendo el fotón a una entidad clásica, sin coherencia cuántica? Imamoglu y Whaley describen la cadena de reacciones químicas como mediciones cuánticas donde el complejo proteína-pigmento es el instrumento de medida cuántico (el equivalente a abrir la caja del gato de Schrödinger y mirar dentro) que mide la luz incidente. A partir de aquí proponen un nuevo modelo que puede evaluar si la coherencia cuántica es un requisito esencial para un proceso dado.

La absorción de la luz genera electrones excitados que pueden describirse como paquetes de ondas cuánticas, lo que provoca correlaciones (también cuánticas) en el estado del complejo proteína-pigmento. Los autores emplean un formalismo matemático para seguir la evolución de las correlaciones para comprobar si los productos químicos que se generan reflejan la coherencia cuántica inicial. Su argumento es que la coherencia cuántica puede ser considerada como esencial en un proceso biológico solo si se mantiene más allá de la excitación inicial del complejo.

La aplicación del formalismo a la fotosíntesis, la visión y la magnetorrecepción lleva a la conclusión de que solo esta última requiere coherencia cuántica. Para los otros dos procesos las reacciones químicas pueden tener lugar sin ella, si bien con una eficiencia reducida.

Este modelo tiene la gran ventaja de que permite realizar predicciones comprobables experimentalmente y proporcionar directrices para el diseño de sistemas biomiméticos de transferencia de energía y percepción cuyas eficiencias podrían verse aumentadas por los efectos cuánticos. Por cierto, es poco probable que veas anuncios sobre ellos en un futuro próximo; así que ten cuidado con los que veas.

Referencia:

A. Imamoglu & K. B. Whaley (2015) Photoactivated biological processes as quantum measurements Physical Review E DOI: 10.1103/PhysRevE.91.022714

Sobre el autor: César Tomé López es divulgador científico y editor de Mapping Ignorance

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