14/Feb/09

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¿Está la mecánica cuántica controlando sus pensamientos?

El campo más raro de la ciencia podría ser responsable de la fotosíntesis, de nuestro sentido del olfato, e incluso del conocimiento mismo

Graham Fleming se sienta en un banco de laboratorio con forma de L que ocupa un lugar del tamaño de dos espacios de estacionamiento. A su lado, un par de rayos láser desde un estante lanzan pulsos de luz de una duración de apenas una millonésima a una mil millonésima de segundo. Después de serpentear a lo largo de un sendero irregular de espejos y lentes, esos minúsculos destellos desaparecen dentro de una caja negra ahumada que contiene proteínas de bacterias verdes sufurosas, que por lo general obtienen energía y nutrición del Sol. Dentro de la caja negra, los equipos ópticos fabricados con la precisión de una billonésima de metro detectan algo raro: Dentro de las proteínas bacteriales, unos electrones danzantes hacen saltos aparentemente imposibles y parecen ocupar lugares múltiples al mismo tiempo.

Espiando en la profundidad de estas proteínas, Fleming y sus colegas en la University of California en Berkeley y de la Washington University en St. Louis han descubierto el motor de un paso clave en la fotosíntesis, el proceso mediante el cual las plantas y algunos microorganismos convierten el agua, el dióxido de carbono, y la luz del sol en oxígeno y carbohidratos. Mucho más eficiente en su capacidad de convertir energía que cualquier operación diseñada por el hombre, esta reacción ayuda a mover casi toda la vida sobre la Tierra. Notablemente, la fotosíntesis parece obtener su feroz eficiencia no de las leyes físicas familiares que gobiernan el mundo visible, sino de las reglas aparentemente exóticas de la mecánica cuántica, la física del mundo subatómico. De algún modo, en cada planta verde o bacteria fotosintética, los dos campos distintos de la física no sólo se encuentran sino que también se funden armoniosamente. Bienvenido al nuevo y extraño mundo de la biología cuántica.

A primera vista, la mecánica cuántica y las ciencias biológicas no se mezclan. La biología se concentra en los procesos a mayor escala, desde las interacciones moleculares entre las proteínas y el ADN hasta el comportamiento de los organismos como un todo; la mecánica cuántica describe la naturaleza a menudo extraña de los electrones, protones, muones y quarks —lo más pequeño de lo pequeño—. Muchos eventos en la biología son considerados simples, con una reacción que causa otra de una manera lineal y predecible. Por contraste, la mecánica cuántica es confusa porque cuando el mundo es observado a una escala subatómica, es evidente que las partículas son también ondas: Un electrón danzante es tanto una pepita tangible como una oscilación de energía. (Los objetos más grandes también existen en forma de partícula y de onda, pero el efecto no es perceptible en el mundo macroscópico.)

La mecánica cuántica sostiene que cualquier partícula en particular tiene la oportunidad de estar en una gama entera de ubicaciones y, en cierto sentido, ocupan todos esos lugares al mismo tiempo. Los físicos describen la realidad cuántica en una ecuación que llaman la función de onda cuántica, que refleja todas las maneras potenciales en que un sistema puede evolucionar. Hasta que un científico mide el sistema, una partícula existe en su multitud de ubicaciones. Pero en el momento de la medición, la partícula tiene que "escoger" un único sitio. En ese momento, dicen los físicos cuánticos, la probabilidad se estrecha a un único resultado y la función de onda "colapsa", enviando ondas de certidumbre a través del espacio-tiempo. Imponer certidumbre a una única partícula podría alterar las características de cualquier otra con que haya estado conectada, incluso si esa partícula está ahora a años-luz. (Este proceso de influencia a distancia es lo que los físicos llaman entrelazamiento.) Como en un juego de dominó, la alteración de una partícula afecta a la siguiente.

Las implicancias de todo esto son abrumadoras. En el macro mundo, una pelota nunca se lanza sobre una pared espontáneamente. En el mundo cuántico, sin embargo, un electrón en una biomolécula podría saltar hasta una segunda biomolécula, aunque las leyes clásicas de física sostienen que los electrones están demasiado sujetos para soltarse. El fenómeno de saltar a través d brechas aparentemente prohibidas se llama efecto túnel.

Desde hacer túnel al entrelazamiento, las propiedades especiales del campo cuántico permiten que los eventos se desarrollen a velocidades y con eficiencia que sería inalcanzable con la física clásica sola. ¿Podrían los mecanismos cuánticos estar impulsando algunos de los procesos más elegantes e inexplicables de la vida? Durante años, los expertos lo dudaron: Los fenómenos cuánticos se revelan típicamente sólo en instalaciones de laboratorio, en cámaras de vacío enfriadas hasta cerca del cero absoluto. Los sistemas biológicos son cálidos y húmedos. La mayor parte de los investigadores pensaba que el ruido térmico de la vida ahogaría cualquier rareza cuántica que pudiera crecer en su cabeza.

Sin embargo, los nuevos experimentos siguen encontrando procesos cuánticos en acción en sistemas biológicos, dice Christopher Altman, investigador en el Instituto de Kavli de Nanoscience en Países Bajos. Con el advenimiento de nuevas y poderosas herramientas como los rayos láser de femtosegundos (10-15 segundo) y el emplazamiento con precisión a nanoescala, el baile cuántico de la vida está finalmente apareciendo ante la vista.

En la luz

Una de las observaciones cuánticas más importantes en las ciencias naturales viene de Fleming y sus colaboradores. Su estudio de la fotosíntesis en las bacterias verdes de azufre, publicado en 2007 en Nature, le sigue el rastro a los pasos químicos detallados que permiten que las plantas aprovechen la luz del Sol y la usen para convertir materias primas simples en el oxígeno que respiramos y en los carbohidratos que comemos. Específicamente, el equipo examinó la estructura de la proteína que conectaba los colectores solares externos de las bacterias, llamada clorosoma, con los centros de reacción en la profundidad de las células. A diferencia de las líneas de energía eléctrica, que pierden no menos que el 20% de la energía en la transmisión, estas bacterias transmiten la energía con un índice del 95% o mejor.

El secreto es la física cuántica, descubrieron Fleming y sus colegas.

Para descubrir los procesos interiores de las bacterias, los investigadores atacaron las proteínas conectivas con pulsos láser múltiples y ultrarrápidos. Durante un período de femtosegundos, siguieron a la energía de la luz a través de la estructura hasta los centros de reacción celulares, donde tiene lugar la conversión de la energía.

Entonces llegó la revelación: En lugar de moverse al azar desde un canal conectivo al siguiente, como puede ser visto en la física clásica, la energía se desplazó en varias direcciones al mismo tiempo. Los investigadores teorizaron que sólo cuando la energía ha llegado al final de la serie de conexiones podría encontrar retroactivamente una trayectoria eficiente. En ese momento, el proceso cuántico colapsó, y la energía de los electrones siguió a esa única trayectoria más efectiva.

Los electrones que se mueven a través de una hoja o de la pelusa verde de una bacteria de azufre están llevando a cabo efectivamente una "caminata aleatoria" cuántica -una especie de primitivo cálculo cuántico- para buscar la ruta de transmisión óptima para la energía solar que cargan. "Hemos mostrado que esta caminata aleatoria cuántica realmente existe", dice Fleming. "¿Hemos demostrado sin lugar a dudas que mejora la eficiencia? No todavía. Pero ésa es nuestra conjetura. Y muchas personas coinciden con ella".

Eufóricos por el hallazgo, los investigadores están fijando la mira en la capacidad cuántica de imitación de la naturaleza para construir colectores de energía solar que trabajan con una eficiencia casi fotosintética. Alán Aspuru-Guzik, profesor adjunto de química y biología química en Harvard University, lidera un equipo que está investigando las maneras de incorporar las lecciones cuánticas de fotosíntesis en las células solares fotovoltaicas orgánicas. Esta investigación está en las primeras etapas, pero Aspuru-Guzik cree que el trabajo de Fleming será aplicable en la carrera de fabricar celdas de energía solar baratas y eficientes de moléculas orgánicas.

Hacer un túnel para oler

La física cuántica puede explicar el misterioso proceso biológico del olfato, también, dice el biofísico Luca Turin, que publicó su controvertida hipótesis por primera vez en 1996 mientras enseñaba en el University College London. Entonces, como ahora, la idea predominante era que la sensación de los diferentes olores es provocada cuando las moléculas llamadas odorantes encajaban en los receptores en nuestras ventanas nasales como piezas de un rompecabezas tridimensional que encuentran su lugar. El problema técnico aquí, para Turin, era que las moléculas de formas similares no necesariamente huelen igual o parecido. El pinanetiol [C10H18S] tiene un fuerte olor a pomelo, por ejemplo, mientras que el pinanol, su casi gemelo [C10H18O] huele a pinochas. El olfato debe ser provocado, concluyó, por algunos criterios aparte de la forma de un odorante.

Lo que está ocurriendo realmente, afirma Turin, es que los aproximadamente 350 tipos de receptores olfativos humanos llevan a cabo un acto de tunelamiento cuántico cuando un nuevo odorante entra en la ventana nasal y alcanza el nervio olfativo. Después de que el odorante se conecta a uno de los receptores nerviosos, los electrones de ese receptor hacen un túnel a través del odorante, y lo bailan de un lado al otro. Según esta opinión, el patrón único de la vibración del odorante es lo que hace que una rosa huela a rosas, y que un perro mojado huela a perro mojado.

En 2007, Turin (ahora jefe oficial técnico de la compañía Flexitral, que diseña odorantes en Chantilly, Virginia) y su hipótesis recibieron respaldo de un trabajo preparado por cuatro físicos en la University College London. Ese artículo, publicado en la revista Physical Review Letters, mostraba cómo puede operar el proceso de tunelamiento del olor. A medida que un odorante se acerca, los electrones liberados desde un costado de un receptor hacen un túnel cuántico a través del odorante hasta el lado opuesto del receptor. Expuesto a esta corriente eléctrica, el pinanetiol -más pesado- vibraría de manera diferente del pinanol -más liviano- aunque su forma sea semejante.

"Lo llamo el "modelo del golpe de tarjeta", dice A. Marshall Stoneham, coautor y profesor emérito de física. "La tarjeta tiene que tener una buena forma para pasar a través de uno de los receptores". Pero es la frecuencia de vibración, no la forma, la que determina el olor de una molécula.

La fiesta de té verde

Incluso el té verde puede relacionarse con sutiles procesos subatómicos. En 2007, cuatro bioquímicos de la Universidad Autónoma de Barcelona anunciaron que el secreto de la eficacia del té verde como anti-oxidante -una sustancia que neutraliza los radicales libres perjudiciales que pueden dañar las células- también podía ser la mecánica cuántica. Al publicar sus conclusiones en la revista de la American Chemical Society, el grupo informó que los antioxidantes llamados catequinas actuaban como rieles de pesca en el cuerpo humano. (Las catequinas están entre los compuestos orgánicos principales encontrados en el té, el vino, y algunas frutas y verduras.)

Las moléculas de radicales libres, subproductos de la disociación en el cuerpo de la comida o de toxinas ambientales, tienen un electrón extra. Ese electrón adicional hace radicales libres reactivos, y por lo tanto peligrosos cuando viajan a través del flujo sanguíneo. Pero un electrón de la catequina puede hacer uso de la mecánica cuántica para hacer un túnel a través de la brecha hasta el radical libre. De repente, la catequina ha absorbido químicamente al radical libre, evitando que interactúe y que dañe células en el cuerpo.

El tunelamiento cuántico también ha sido observado en las enzimas, las proteínas que facilitan las reacciones moleculares dentro de las células. Dos estudios, uno publicado en Science en 2006 y el otro en la Biophysical Journal en 2007, descubrieron que algunas enzimas parecen carecer de energía para terminar las reacciones que en última instancia propulsan; el éxito de la enzima, parece ahora, podría ser explicado solamente a través de medios cuánticos.

Quantum hasta la médula

Stuart Hameroff, anestesiólogo y director del Centro para los Estudios de la Conciencia en la University of Arizona, argumenta que la función más alta de la vida -la conciencia- es probablemente también un fenómeno cuántico. Esto se muestra por medio de la anestesia, dice. El cerebro de un paciente bajo anestesia continúa funcionando activamente, pero sin una mente consciente en funcionamiento. ¿Qué permite a los anestésicos como el xenón o el gas de isoflurane desconectar la mente consciente?

Hameroff especula que los anestésicos "interrumpen un delicado proceso cuántico" dentro de las neuronas del cerebro. Cada neurona contiene cientos de largas y cilíndricas estructuras de proteínas, llamadas microtúbulos, que sirven como andamio. Los anestésicos, dice Hameroff, se disuelven dentro de las diminutas regiones oleosas de los microtúbulos, afectando el comportamiento de algunos electrones dentro de estas regiones.

Él especula que la acción se desarrolla de este modo: Cuando ciertos electrones clave están en un "lugar", llámelo a la "izquierda", parte del microtúbulo es aplastado; cuando los electrones caen a la "derecha", la sección es alargada. Pero las leyes de la mecánica cuántica permiten que los electrones estén a la "izquierda" y a la "derecha" al mismo tiempo, y por lo tanto, para los microtúbulos ser alargados y aplastados al mismo tiempo. Cada sección del sistema constantemente cambiante tiene un impacto sobre otras secciones, potencialmente por medio del entrelazamiento cuántico, conduciendo a un dinámico baile de mecánica cuántica.

Es en esta comunicación subatómica más rápida que la luz, dice Hameroff, que nace la conciencia. Los anestésicos se cruzan en el camino de los electrones danzantes y detienen el giro en su núcleo cuántico-mecánico; así es como pueden esconectar la conciencia.

Todavía hay un largo camino desde las neuronas cuánticas hipotéticas (y experimentalmente sin probar) de Hameroff hasta un cerebro humano, sensitivo y consciente. Pero muchas experiencias humanas, dice Hameroff, desde los sueños hasta las emociones subconscientes y hasta los recuerdos difusos, parecen más cerca de las reglas de Alicia en el País de las Maravillas gobernando el mundo cuántico que la realidad prevista que la física clásica sugiere. Descubrir un portal cuántico dentro de cada neurona en la cabeza podría ser el viaje final a través del espejo.

Fuente: Discover Magazine. Aportado por Graciela Lorenzo Tillard