- En la 11ª Conferencia Internacional “QuEBS: efectos cuánticos en sistemas biológicos” se expone esta ciencia emergente que explica fenómenos naturales a nivel subatómico
La biología cuántica nace de cuestionar la posible existencia de procesos naturales que expliquen, con ayuda de la mecánica cuántica, una ciencia enfocada en el mundo subatómico y que hoy busca conocer si tiene un papel activo dentro de la célula viva. Responder a profundidad tal inquietud y establecer las aplicaciones y alcances de esta ciencia, es motivo de los trabajos que se desarrollan en la BUAP en la 11a Conferencia Internacional “QuEBS: efectos cuánticos en sistemas biológicos”.
Al explicar por qué la física cuántica se ha interesado en fenómenos biológicos, algo que tradicionalmente no ocurría, ya que las leyes a nivel macro no aplicaban para el entendimiento a nivel microscópico o subatómico, el doctor Giuseppe Luca Celardo, investigador del Instituto de Física Luis Rivera Terrazas (IFUAP), señaló:
“No hay duda que la mecánica cuántica nos permite entender cómo los átomos se unen para formar moléculas y una vez que están formadas el paradigma que había de la biología es que la mecánica cuántica no tenía un papel funcional en los procesos naturales, como la fotosíntesis. No obstante, en experimentos realizados sobre el sistema fotosintético se descubrió que efectos coherentes de la mecánica cuántica pueden tener un papel funcional, lo que implica un cambio total sobre cómo se ha venido entendiendo la vida y la emergencia de la materia”.
Luca Celardo, quien organiza esta conferencia que reúne a los investigadores más destacados del área a nivel mundial, indicó que estos descubrimientos que dan forma a la biología cuántica abren la posibilidad a importantes aplicaciones, como la utilización de la luz solar de manera eficiente; de ahí el interés en estudiar la fotosíntesis, desde otra perspectiva.
“Una vez que nosotros entendemos mejor cómo funciona la naturaleza, podremos usar ese entendimiento para resolver algunos problemas, como el energético. Si queremos una revolución cuántica tecnológica, que implica computadoras cuánticas, celdas fotovoltaicas cuánticas, etc., tenemos que entender el papel que juega la mecánica cuántica en estos sistemas”, añadió el doctor Giuseppe Luca.
En ese mismo sentido se pronunció el profesor investigador de la Universidad de Yale, EE.UU., Víctor Salvador Batista, presente en esta conferencia, quien explicó que todo el oxígeno que estamos respirando en este momento se generó por el proceso fotosintético que las plantas realizan al convertir el agua en oxígeno, pero ese mecanismo todavía no se ha terminado de dilucidar del todo y sin embargo puede ser muy importante para el desarrollo de celdas fotocatalíticas que generen combustible a partir de agua. Es justamente en ese punto donde los efectos de la mecánica cuántica se hacen presentes.
“Los efectos cuánticos son difíciles de entender porque tenemos mucha familiaridad con el mundo que nos rodea, pero cuando nos acercamos a niveles de partículas, como electrones, protones e incluso moléculas, mucho de ese comportamiento se puede describir si se utiliza la mecánica cuántica, que es una descripción de los sistemas con la utilización de ondas y con efectos de interferencia”.
En el caso de la fotosíntesis, Víctor S. Batista señaló que justamente en la conversión de energía solar o en la separación de cargas para procesos catalíticos se han observado oscilaciones espectroscópicas que pueden incluir efectos cuánticos y esos sistemas de antena pueden ser precursores para sistemas de ingeniería que están basados en los diseños de sistemas naturales.
Algunos efectos cuánticos son la transferencia de electrones o protones, los cuales, dijo, tampoco se pueden describir con mecánica clásica, es decir, que son esenciales y que hacen que el sistema se pueda activar al punto de que dos moléculas de agua puedan reaccionar para formar oxígeno.
Otros efectos cuánticos interesantes y que se abordaron en esta conferencia son los de transferencia de energía, que ocurren cuando la luz se absorbe por los pigmentos de clorofila y esa excitación electrónica se transfiere dentro de lo que se llama el sistema de antena fotosintético. El doctor Batista refirió que esa transferencia tiene una manifestación espectroscópica con oscilaciones que posiblemente tengan aspectos cuánticos que son importantes para la transferencia de energía.
La pregunta de si esos efectos cuánticos terminan afectando la eficiencia de la transferencia de energía, es algo que aún permanece abierto, no obstante se pueden pensar en sistemas sintéticos diseñados para explotar esos efectos cuánticos, de ahí el interés en la ingeniería cuántica, la cual tiene una clara tendencia a mejorar la funcionalidad de los sistemas.
“Al hablar de funcionalidad de sistemas mencionaremos la existencia de refrigeradores cuánticos, motores cuánticos o computadoras cuánticas, los cuales utilizan la interferencia para tener registros que evolucionan a través del cálculo, de una forma exponencialmente más rápida que las computadoras que utilizamos hoy en día. Entonces todos estos desarrollos que se están persiguiendo en este momento pueden beneficiarse del estudio de sistemas naturales donde esos efectos cuánticos ya se han manifestado, por ejemplo la respiración, el envejecimiento, algunas funcionalidades fisiológicas, donde se han observado procesos cuánticos, porque toda esa funcionalidad y actividad bioquímica involucra ruptura de enlaces y formación de nuevos enlaces que tampoco se pueden describir a nivel clásico, sino a nivel de la mecánica cuántica”.
De esta forma, la biología cuántica emerge como una ciencia que requiere de un campo de acción multidisiciplinario, con investigadores de física teórica, físico-química, bioquímicos y biólogos, para avanzar en una ciencia que promete responder a grandes problemas, como la energía y la eficiencia de sistemas.
