¿Las leyes de la física cuántica también se aplican en biología?

Una colaboración poco ortodoxa y excéntrica entre dos campos científicos aparentemente incompatibles -la Física Cuántica y la Biología- está produciendo nuevas y fascinantes percepciones sobre la naturaleza de nuestro mundo viviente.

Los sistemas biológicos son dinámicos en su naturaleza, intercambiando constantemente energía y materia con el medio ambiente, manteniendo el estado de no-equilibrio como sinónimo de vida. Por otro lado, la mecánica cuántica es la teoría fundamental que describe el comportamiento y las propiedades de los átomos, las partículas subatómicas, las moléculas y los conjuntos moleculares, y posiblemente mucho más allá de nuestro actual reino del conocimiento.

Puede confundirte considerar esta combinación, ya que la biología está vinculada a la física cuántica, cuando esta última se ocupa de las mediciones a nanoescala, mientras que la primera no es más pequeña que el nivel micro. Bueno, tus dudas son bien merecidas. Continúe leyendo para descubrir cómo la física cuántica da forma a muchos de los fenómenos biológicos cruciales de nuestro mundo.

Fotosíntesis

Usted podría tener una idea general de lo que implica este proceso. Las plantas y algunos tipos de bacterias absorben la luz solar y el agua para sintetizar los “alimentos”, es decir, los carbohidratos, y liberan oxígeno como producto de desecho, que es esencial para la supervivencia de todos los demás seres vivos.

Sin embargo, ¿qué es lo que realmente entra en este proceso?

Los cromóforos son las células emisoras de color en una planta que recogen fotones o partículas de luz de los rayos solares u otras fuentes de luz entrantes. Luego liberan excitones, que son el resultado de la absorción del exceso de energía. Esta energía puede entonces transformarse en energía química, que la planta puede metabolizar.

Todo este proceso ocurre en una mil millonésima de segundo, con una eficiencia cercana al 100%, asegurando una pérdida de energía insignificante. En este mundo en rápida evolución, lo único que importa es la eficiencia. Claramente, el ingenioso mecanismo de la fotosíntesis es realmente una de las mayores maravillas de la naturaleza.  Entonces.... ¿qué está pasando aquí realmente?

Los excitones, en lugar de viajar por un camino singular y lineal, se mueven en un movimiento ondulatorio. Cuando un aluvión de excitones viajan juntos, sus movimientos ondulatorios se superponen para producir coherencia cuántica. Suena impresionante, ¿verdad?

Esta coherencia cuántica ordena a los excitones que prueben todas las vías posibles, y que posteriormente elijan la opción más eficiente.

Ahora, imagínense el gran avance que sería para las industrias productoras de energía si pudiéramos imitar este fenómeno con nuestra propia tecnología. Los paneles solares de alta eficiencia y las baterías de larga duración podrían allanar el camino para un futuro verde y brillante.

Magnetorecepción

Se sabe desde hace mucho tiempo que algunos pájaros y animales marinos navegan por el mundo utilizando una brújula química interna que interactúa con el campo magnético de la Tierra.

Sin embargo, la verdad es que el campo magnético de la Tierra es demasiado débil para hacer vibrar sus sentidos, así que ¿cómo navegan las aves?

El criptocromo, un tipo especial de proteína, se encuentra en los ojos de los petirrojos europeos y otras especies animales. Cuando la luz del sol golpea la retina de sus ojos, la proteína libera dos electrones no apareados, conocidos como pares de radicales fotoinducidos.

La estructura química y de enlace de los cromatóforos, presentes en los ojos de las aves.

Los electrones no apareados son muy susceptibles a cambios diminutos. Orientan su giro en la dirección del campo magnético de la Tierra, dándoles así un sentido de dirección. Todos estos procesos tienen lugar a un nivel cuántico, lo que lo convierte en otro fenómeno biológico cuántico en el que la mayoría de la gente nunca piensa.

Olfato: El sentido del olfato

Los seres humanos están dotados de la capacidad de diferenciar entre miles de olores diferentes. Cuando las moléculas aromáticas llegan a nuestras fosas nasales desde el aire, interactúan con un receptor dentro de la nariz, de manera similar a como los fotones interactúan con el nervio óptico para otorgarnos el poder de la vista. La pregunta es, ¿cómo distingue el nervio olfativo un olor de otro? Como usted probablemente puede adivinar, ¡definitivamente tiene algo que ver con la física cuántica!

Cuando una molécula aromática interactúa con un receptor específico en la nariz, un electrón presente en esa molécula pasa al otro lado del receptor a través de un túnel cuántico.  La tunelización cuántica es un fenómeno en el que partículas subatómicas como electrones, protones y neutrones se mueven a través de una barrera que de otra forma sería imposible atravesar, según las teorías de la física clásica. Al hacerlo, convierte la información de las moléculas olorosas en señales eléctricas, que luego son dirigidas al cerebro, permitiéndonos detectar e identificar rápidamente el olor.

Cognición cuántica

La cognición puede definirse como “la acción o los procesos mentales implicados en la adquisición de conocimiento y comprensión, ya sea a través del pensamiento, las experiencias o los sentidos”.

Entre en “cognición cuántica”, una nueva teoría que sugiere que los principios matemáticos detrás de la mecánica cuántica, como la teoría de la probabilidad, podrían ser usados para comprender mejor la psicología detrás del comportamiento humano. Después de todo, el pensamiento se basa en la capacidad cognitiva de nuestro cerebro, y el cerebro funciona mediante impulsos eléctricos, que se observan a nivel cuántico.

Consideremos el clásico experimento de pensamiento “El dilema del prisionero” para comprender mejor las capacidades cognitivas del cerebro humano. A dos criminales se les ofrece la oportunidad de delatar los crímenes del otro. Si uno delata al otro, pero el otro no lo delata, el traidor queda libre, mientras que el otro cumple un período de tres años. Si ambos se delatan, cada uno cumple dos años. Si ninguno de los dos se delata el uno al otro, cada uno tendrá un año. Si consideramos que ambos criminales siempre se comportan en su propio interés, siempre delatarán al otro, si no son conscientes de la declaración del otro.

Cuando la probabilidad clásica se aplica a este experimento de pensamiento, no lo explica. Si el primer criminal supiera, con seguridad, que el segundo cooperaría, tendría más sentido delatarlo y salir impune de sus propios crímenes; lo mismo sería cierto para el segundo criminal. Por lo tanto, usted puede concluir que no importa lo que esté haciendo el otro criminal, lo mejor sería desertar. Todo esto se vuelve bastante confuso cuando se mira desde una perspectiva clásica.

Sin embargo, una explicación cuántica funciona un poco mejor. En el experimento con gatos de Schrödinger, en el que es igualmente probable que el gato esté muerto y vivo en la caja cerrada, a menos que se abra la caja y se observe el estado del gato. Aplicando este resultado a nuestro experimento, se puede decir que cada una de estas posibilidades es como una onda de pensamiento. Así como otras ondas (luz, sonido, agua) pueden interferir entre sí, las ondas de opciones detrás de delatar al otro prisionero o mantener la boca cerrada pueden interferir, ya sea para anularse mutuamente, construir una ola más pequeña, o quizás una mucho más grande. Esto significa que, si un criminal va a cooperar, ¡el otro puede terminar cooperando también!

Este ejemplo puede parecer un poco difícil de entender, pero en realidad, la teoría de la probabilidad es un juego de azar; al cuantificarla, se da una oportunidad igual a todas las partes, asegurando que cada decisión afecta a todas las demás.

Conclusión

La selección natural ciertamente ha encontrado formas para que los sistemas vivos, independientemente de su escala y alcance, exploten naturalmente los fenómenos cuánticos.

Aunque no se ha descubierto mucho en este campo interdisciplinario, y aunque estamos lejos de explotar plenamente nuestra comprensión de la biología cuántica para los avances tecnológicos, no está muy lejos la era en la que los dispositivos cuánticos de inspiración biológica superarán a los clásicos e ineficientes análogos.

A diferencia de la era de los años sesenta, cuando se pensaba que los sistemas biológicos “calientes, húmedos y complejos” eran completamente incompatibles con el micromundo de la dinámica cuántica, hemos llegado a una nueva etapa de comprensión. Ahora, la pregunta de “¿Pueden los fenómenos cuánticos afectar a la biología?” ha sido reemplazada por “Si lo hacen, ¿qué efecto causa y cómo ocurre?” Dado que la evolución en la Tierra ha tenido 3.500 millones de años para idear diferentes formas de aprovechar las anomalías de la mecánica cuántica, parece que hay mucho espacio fascinante para que la biología cuántica lo explore.

(0 votes)