viernes, 12 de febrero de 2010

Implicaciones de física cuántica en el proceso de la fotosíntesis

 
Aloe Plant. Créditos: Just chaos at Flickr.
Al golpear las moléculas individuales con una cuadrillonésima de pulsos láser en diversos lugares, los científicos han puesto de manifiesto que la fotosíntesis se basa en física cuántica, tal proceso utilizado por las plantas y bacterias para la captación de energía de forma eficiente y que hasta ahora ha sido desaprovechado por los ingenieros humanos.

Los procesos cuánticos parecen ocurrir en cada uno de los millones de células fotosintéticas. En la ruta de la energía de los electrones que giran en torno a fotones y moléculas sensibles a la reacción de proteínas, convierten a cada célula en un medio de conducción.

Casi no se pierde energía en el medio. Eso es porque existen varias vías de conducción, y siempre se encuentra el camino más corto.

"La analogía que me gusta es si tienes tres maneras de conducir a casa a través del tráfico en hora punta. En cualquier día dado, se toma sólo una. No sé si las otras rutas, serían más rápido o más lento. Pero en la mecánica cuántica, se puede tomar estas tres rutas de forma simultánea. No se especifica dónde se encuentra, hasta llegar, por lo que siempre se elige la ruta más rápida ", expreso Greg Scholes, un biofísico de la Universidad de Toronto.

Los resultados de  Scholes que se publican en Nature, son la mayor evidencia hasta ahora de coherencia -el nombre técnico para la existencia de múltiples estados- en la fotosíntesis.

Hace dos años, los investigadores dirigidos en ese entonces por el químico Greg Engel de la Universidad de California encontró coherencia en las proteínas de la antena de las bacterias verdes del azufre. Sin embargo, sus observaciones se realizaron a temperaturas inferiores a menos de 300 grados Fahrenheit, útil para frenar las actividades cuánticas ultrarrápidas, pero dejando abierta la cuestión de si la coherencia opera en condiciones cotidianas.

Los resultados en Nature, realizados a temperatura ambiente con algas marinas comunes, muestran que sí. Por otra parte, resultados similares de un experimento con otro, con una estructura más simple para captación de luz, anunciado por el grupo de Engel el jueves pasado en la publicación pre-arXiv publicación en línea, sugieren que la coherencia de fotosíntesis es de rutina.

Los resultados son maravillosos en sí mismos, añadiendo una nueva dimensión a un contenido que se enseña - incompleto, por ahora - a cada estudiante de secundaria en biología. Los resultados tienen implicaciones importantes para los diseñadores de celdas solares y computadoras, que podrían beneficiarse de la física cuántica al usar este procesos en la producción.

"Hay razones para creer que este es un fenómeno general", dijo Engel, ahora en la Universidad de Chicago. Pidió a Scholes "encontrar" un resultado extraordinario "que" nos mostrara una nueva manera de usar los efectos cuánticos a altas temperaturas.

El equipo de Scholes experimentó con una proteína llamada antena PC645, fotografiada a escala atómica en estudios anteriores. Posee características precisas que les permitieron lograr su objetivo al estudiar las moléculas con pulsos láser que duraban una cuadrillonésima de un segundo, o el tiempo suficiente para establecer la hilatura en electrones individuales.

Al analizar los cambios a un rayo láser y enviada a través de la proteína inmediatamente después, los investigadores fueron capaces de extrapolar lo que ocurría dentro - una versión ultra-rápida de las sombras en una pantalla. Ellos encontraron que los patrones de energía en las moléculas distantes fluctuaba de manera que traicionó a una conexión con los demás, algo sólo posible a través de la coherencia cuántica.

"Es el mismo que cuando se pulse dos diapasones, al mismo tiempo, y escuchar a una baja oscilación de tono en el fondo. Esa es la interferencia de las ondas de sonido de las horquillas. Eso es exactamente lo que vemos ", dijo Scholes.

Según Scholes, la física de las proteínas de fotosíntesis se sigue estudiando y se utiliza para mejorar el diseño de celdas solares. Engel sugirió su uso en la largamente prometida pero aún inviable  computación cuántica. "Esto nos permite pensar en la fotosíntesis como la no computación cuántica unitaria", dijo.

Los procesos cuánticos -se han observado en otros lugares en el ámbito biológico, sobre todo en brújula de las células que permiten que las aves para navegar por los campos geomagnéticos de la Tierra. Los investigadores también han propuesto funciones de la física cuántica en el sentido del olfato de los animales e incluso en el cerebro. Engel predice la aparición de todo un campo de la biología cuántica.

"Va a haber sorpresas", dijo Scholes. "¿Quién sabe qué más hay por descubrir?"

Referencia:

Elisabetta Collini, Cathy Y. Wong, Krystyna E. Wilk, Paul M. G. Curmi, Paul Brumer & Gregory D. Scholes, "Coherently wired light-harvesting in photosynthetic marine algae at ambient temperature", Nature 463, 644-647.

0 comentarios:

Publicar un comentario

Related Posts Plugin for WordPress, Blogger...