El mundo cuántico en biología

Hablar de física cuántica sigue sin ser un tema de conversación para un café, a menos que sea entre las paredes de una universidad u otras instituciones académicas. Sin embargo, todo el mundo es consciente de que somos seres vivos, humanos, y que estamos hechos de células. Los animales y las plantas son algo más del día a día. Estudios recientes aseguran que conceptos cuánticos están detrás del origen de procesos del ciudadano de a pie. Al final, no seremos más que seres cuánticos.

La escala cuántica es el mundo de las partículas elementales (electrón, protón, neutrón..), de los átomos y las moléculas, en general, de lo más pequeño, lo que compone todo lo que nos rodea, y a nosotros mismos. En la física cuántica existen fenómenos que no tienen equivalencia en el mundo clásico. En otras palabras, no tienen cabida en nuestro universo macroscópico cotidiano. ¿O sí?

El experimento del gato de Schrödinger.

Una de las extrañas peculiaridades de la física cuántica es el llamado entrelazamiento, una propiedad donde objetos que pueden estar separados espacialmente pueden describirse a través de un estado cuántico único y local. En palabras de Amir D. Aczel: “pueden llegar a estar tan enlazados, tan relacionados entre sí, que un cambio en uno de ellos se reflejaría instantáneamente en el otro, incluso aunque ambos estuvieran en extremos opuestos del universo” [1].
Otra de las peculiaridades de la física cuántica es el denominado efecto túnel, donde las partículas pueden atravesar barreras de energía como los superhéroes atraviesan paredes en las películas de ciencia ficción.
La paradoja del famoso gato de Schrödinger describe un experimento imaginario utilizado para explicar la superposición cuántica. Un sistema físico cuántico, como un electrón, puede estar simultáneamente en dos estados.
Aunque la mayoría de los conceptos de la mecánica cuántica sólo pueden observarse en laboratorios especializados, veremos que existen algunos casos donde estos extraños comportamientos dan lugar a interesantes fenómenos biológicos.

El entrelazamiento cuántico podría ser el proceso que permite a las aves guiarse durante sus largos vuelos gracias a las alteraciones químicas en las partículas de sus ojos provocadas por el campo magnético terrestre.

Es bien sabido que las aves son capaces de navegar gracias a la capacidad de utilizar el campo magnético de la Tierra. Los científicos argumentan que el entrelazamiento cuántico podría estar detrás de ello. El proceso por el cual los pájaros se guían en sus largos vuelos se debe a un proceso llamado magnetorecepción, por el cual son capaces de “sentir” el campo magnético a su alrededor y en consecuencia utilizarlo para guiarse. Este modelo se basa en lo que se denomina pares radicales (PR), basada en fotorreceptores. A través de reacciones químicas se podrían alterar los estados intrínsecos de espín (norte y sur, arriba y abajo) de los electrones dentro de moléculas en el ojo del pájaro, que estarían entrelazados con otras moléculas incluso a largas distancias. Esta teorías son todavía especulativas, pero algunos experimentos indican que no parecen estar tan lejos de la realidad [2].

Uno de los procesos naturales que abre mucho debate es la fotosíntesis. Las plantas capturan la energía del sol de una manera tan eficiente que no es posible imitar a una escala macroscópica. La explicación de cómo funciona la fotosíntesis trae mucha controversia, pero parece ser que es gracias al principio de superposición de la mecánica cuántica, al poder elegir de entre todas las opciones posibles la que contribuirá a un mayor rendimiento energético [3]. La idea de poder construir células fotovoltaicas para paneles solares basados en el proceso de absorción de luz solar en las plantas está actualmente en estudio, con las llamadas fotocélulas [4].

El color verde de las plantas se debe a la clorofila, un pigmento capaz de absorber todos los colores de la luz blanca del sol excepto el verde. La clorofila es la biomolécula crítica en el proceso de la la fotosíntesis. Créditos: www.phys.org

¿Podría considerarse que el olfato es similar al oído y la vista? Imaginemos que tenemos en cuenta la vibración de las partículas. ¿Cómo podemos diferenciar entre el olor de una naranja y un estanque? Una posible explicación podría ser el efecto túnel. Si consideramos que las partículas en los receptores olfativos de nuestras narices desaparecen y aparecen liberando algo de energía, las diferentes moléculas dejarían su “huella” olfativa al ocasionar una determinada vibración con esa cantidad energética [5].
El proceso por el cual un renacuajo se convierte en una rana se denomina metamorfosis, pero ¿sabemos realmente cómo funciona este proceso tan relativamente rápido? El efecto túnel de los protones en los enlaces de hidrógeno dentro del ADN daría lugar a una acción casi instantánea que de otro modo podría haber tomado más tiempo [6]. Actualmente se está buscando evidencia experimental de esta especulación.
Por último, pero no menos importante, y continuando con el mismo proceso del efecto túnel en el ADN, ¿podría explicarse la manera en que los genes se modifican y adaptan con la ayuda de la física cuántica? ¿Existe una teoría cuántica de la evolución [7]? La respuesta está ahí afuera.

[1] A. Aczel, Entanglement: the greatest mystery in physics.
[2] E. M. Gauger et al, Sustained Quantum Coherence and Entanglement in the Avian Compass, Physics Review Letters 106, 040503 (2011).
[3]  J. O’Reilly et al, Non-classicality of the molecular vibrations assisting exciton energy transfer at room temperature, Nature Communications 5, 3012 (2014).
[4] T. B. Arp et al, Natural Regulation of Energy Flow in a Green Quantum Photocell, Nano Letters  16 (12), 7461-7466 (2016).
[5] J. C. Brookes, Science is perception: what can our sense of smell tell us about ourselves and the workd around us?, Phil. Trans. R. Soc. A 2010 368 3491-350 (2010).
[6] P-O. Löwdin, Proton Tunneling in DNA and its biological implications, Review of Modern Physics, Volumen 35, 3, July (1963).
[7] J. McFadden, Quantum Evolution.