Introducción

La mecánica cuántica es la ciencia que desafia a nuestro sentido común.  Esta repleta de fenómenos que llevan más de un siglo asombrándonos, maravillándonos y mostrándonos como la realidad es aún mayor que nuestras preguntas. Sócrates sonreiría al ver como su “sólo se que no se nada” queda actualizado por la mecánica cuántica hasta limites insospechados. Este aforismo pone de relieve la capacidad de la ciencia de actuar como “cura de humildad” frente al geocentrismo de nuestra vanidad.     Sócrates

Las reglas de la mecánica cuántica gobiernan el mundo de lo muy pequeño (partículas subatómicas, moléculas, etc) Sus implicaciones estan revolucionando nuestro mundo, nuestra tecnología y nuestros sueños. Y no hablo sólo del terreno filosófico. De hecho, ya más del 30% del PIB mundial depende del conocimiento de estas reglas cuánticas (por ejemplo la microelectrónica, las nanotecnologias, etc) A través de estas tecnologías estamos rodeados de cuántica. Tenemos cuántica en lugares tan insospechados como nuestros bolsillos (en nuestro móbil) o nuestras cocinas (el horno microondas) A estas alturas es fácil que hayamos escuchado hablar de fenómenos cuánticos como el Gato de Schroedinger (vivo y muerto al mismo tiempo), la teletransportación cuántica (posibilidad de viajar sobre distancias arbitrarias), la dualidad onda-partícula (de la serie de TV “Ondas, corpúsculos y viceversa” 🙂 ), el entralazamiento cuántico (si dos particulas interaccionan se transforman en una sola bi-particula), etc, etc, etc.

Uno de los fenómenos con mas aplicaciones tecnológicas es el principio de superposición. En la física clásica tenemos que decidir. O estamos aquí o estamos allí, o tomamos en la rotonda la primera salida o la segunda, o el bit era “uno” o era “cero”. Sin embargo para la mecánica cuantica, si dos procesos son posibles, la suma de ellos tambien lo es. Es decir, a nivel cuántico las alternativas aunque mutuamente excluyentes son igualmente reales. Este es, lisa y llanamente, el enunciado del principio de complementariedad de Niels Bohr. Sus consecuencias son tan numerosas como fundamentales (dualidad onda-particula, teletransportación, computación cuántica, etc)

La aduana cuántica

Estos fenómenos cuánticos son propios de las partículas individuales, pero ¿que sucede cuando se agregan muchas partículas para formar estructuras superiores (como las proteinas de la biología)?

La permanencia de los fenómenos cuánticos depende de que las partículas de la microfísica mantengan sus propiedades como ondas cuando se agregan. Sin embargo la fase cuántica que caracteriza las propiedades ondulatorias de estos objetos es muy frágil frente a este proceso y se disipa, un fenómeno que los físicos cuánticos denominamos “decoherencia”.

Los fenómenos cuánticos desaparecen a grandes escalas por razones que todavía no comprendemos en profundidad. Nosotros mismos nos comportamos con partículas, no como ondas.  No nos difractamos al pasar las puertas, y mantenemos nuestra energía localizada en el espacio (no nos esparcimos a nuestro alrededor como las ondas de un estanque)  Pero ¿a qué escala se produce esta transición entre el mundo cuántico del dualismo y el mundo clásico de nuestra intuición cotidiana?  ¿Donde esta la aduana cuántica que separa ambos mundos? ¿Por qué nuestros gatos clásicos (¡ni siquiera los hidráulicos!) no se comportan como los gatos cuánticos de Schroedinger?

Gato de Schroedinger

Visionarios

Para entender la biología a nivel celular tienes que estudiar biología molecular, que esta a su vez esta basada en la química orgánica, que esta a su vez basada en la física cuántica. Esta claro que a nivel estructural todo depende, al final, de los átomos que lo componen. Es como si formaramos un castillo LEGO hecho con pequeñas piezas cuánticas. Pero ¿se mantienen en el castillo a gran escala los fenómenos cuánticos  propios de sus diminutas piezas?

Hasta hace poco la ciencia creía que no. No existía evidencia de la existencia de esos fenómenos cuanticos a escala celular.  Los libros de experimentos de biología cuántica estaban vacíos ¿Todos los científicos? No. Como siempre, siempre existen visionarios que marcan el camino. Científicos que ven más allá, aunque a veces aciertan por las razones equivocadas. En nuestro caso, el físico austriaco Erwin Schroedinger,  uno de los fundadores de la Mecánica Cuántica (sí, el mismo que el del gato) fue el primer defensor de la biología cuántica en su libro ¿Qué es la vida? de 1944. La influencia de este libro es dificilmente cuestionable. El propio James Watson reconoció que fue precisamente este libro lo que le inspiró para investigar y descubrir la estructura de doble hélice del ADN.

Erwin_Schrodinger_(1933)

Schroedinger introdujo en el libro el interesante concepto de “negaentropía”. Según la segunda ley de la termodinámica todos los sistemas se desordenan espontáneamente (!mi cuarto es un ejemplo especial!) La vida es precisamente lo contrario, un proceso donde sus elementos se ordenan a sí mismos (a costa de desordenar aún más su entorno y salvar la validez del segundo principio a escala global) La vida consigue mantener el orden a pesar de estar en un entorno casi caótico a gran temperatura. Un orden que sería propio de la materia a muy baja temperatura, donde sí son apreciables los fenómenos cuánticos. Schroedinger pensó que por tanto tal vez la mecánica cuántica pudiera tener relevancia para la vida. Una referencia altamente especulativa en aquel tiempo, pero que tuvo la fuerza de hacer pensar a la gente en esta dirección. Aunque muchas veces cuando el sabio señala una estrella, ¡muchos son los que se quedan mirándole el dedo!

El segundo sabio que merece admiración es Sir Roger Penrose. Lo conoceis si habeis visto la película sobre la vida de Stephen Hawking, sí, el de los agujeros negros. La verdad es que Penrose es un aunténtico rey Midas de la fisica Teórica, y que sus teorias se caracterizan como él mismo por ver mas allá.

roger penroseEn cuanto a biología cuántica, ya en los años 90 presentó una teoria, junto al anestesista Stuart Hameroff,  que vincula la actividad neuronal con efectos cuánticos situados en los microtúbulos. Estos son estructuras formadas por un tipo de proteinas llamadas tubulinas con dos estados conformacionales posibles. La teoria de Penrose propone a estas proteinas como el ente físico donde codificar y procesar qubits cuánticos de información. Por otro lado, los microtúbulos son estructuras son universales a nivel celular, lo que podría extender este tipo de biología cuántica no solamente a las neuronas. Tenemos que advertir que todavía no existe ninguna evidencia experimental de la validez de esta teoría. Si bien las implicaciones sobre la consciencia son todavía altamente especulativas, no cabe duda de que de nuevo Penrose no deja indiferente.

Una nueva ciencia

Al igual que Higgs con su bosón, desde que fue inicialmente propuesta por Schroedinger la biología cuántica ha tenido que esperar mas de 50 años para su confirmación experimental. Sin embargo en los últimos 10 años se han producido toda una cascada de experimentos  confirmado la existencia de fenómenos cuánticos a nivel celular. El embrión de esta nueva disciplina científica, la biología cuántica, donde conviven físicos cuánticos con biólogos moleculares, es ya un hecho incontestable. Básicamente, las grandes fuentes de confirmación experimental provienen de:

  • Desde los 80 se descubre que el “Efecto TunelEfecto Tunel (un efecto puramente cuántico) es esencial para entender como las enzimas catalizan reacciones químicas dentro de la célula transferiendo partículas como electrones y protones de un lugar a otro de la molécula. Esta transferencia se realiza a pesar de que estas partículas no tienen la energía suficiente como para superar la barrera de potencial que se lo prohibe (desde un punto de vista clásico) Nada mejor que la cuántica para circunvadear limitaciones y prohibiciones de la física clásica (y si no que se lo pregunten a los investigadores de la computación cuántica!)
  • No siempre los fenómenos cuánticos son beneficiosos para la vida. El grupo del físico cuántico Al-Khalili ha demostrado recientemente que también el efecto tunel induce mutaciones Al Khalilien la replicación del ADN ¿Juega la física cuántica un papel importante en las mutaciones que conducen al cáncer? Desde luego esta es una buena pregunta abierta para cualquier joven científico que quiera hacer su doctorado en biología cuántica.
  • La energía que mueve la vida en la tierra es bombeada fundamentalmente del sol a través de la fotosíntesis. Pues bien,  se ha demostrado recientemente la existencia deHoja cuantica coherencia cuántica en los procesos de reacciones fotosintéticas dentro de una bacteria. La energía del fotón de luz solar atrapada por la clorofila tiene múltiples rutas para llegar al centro reactivo donde es transformado en energía química fácil de disponer por la bacteria. Bien, se ha demostrado experimentalmente que esta energía no elige una de las alternativas sino que se distribuye cuánticamente en todas ellas para optimizar el proceso. El principio de superposición es por tanto fundamental para la vida.
  • Nuestro siguiente ejemplo trata de un ave pequeñita pero poderosa, no en vano el  nombre de su especie en inglés es Robin (el compañero de Batman!) Se trata del petirrojo europeo (Erithacus rubecula), Robin Europeoque  migra cada otoño desde Escandinavia hasta el Mediterraneo. Desde los 70 se sabe que navegan siguiendo el campo magnético de la Tierra. Pero ¿cómo lo hacen? si el campo magnético de la Tierra es  ¡100 veces más débil que el imán típico que pegamos en un frigorífico! Aunque aun no posee confirmación experimental,  existe una teoría de magnetorecepción que podría explicarlo en base a la biología cuántica. La teoria se basa en que dentro de la retina del petirrojo existe una proteina llamada criptocroma. Dentro de esta proteina dos electrones se encuentran sujetos a una danza regida por el entrelazamiento cuántico. Según la teoría este entrelazamiento es extremadamente sensible a la dirección del campo magnético sobre la que vuela el ave, ya que este se acopla al campo magnético de los propios electrones. De esta manera, estas especies en su evolución habrian aprendido a aprovechar algunos de los fenómenos cuánticos (aumento de la sensibilidad a campos externos)  para aumentar significativamente sus probabilidades de supervivencia.

Conclusión

En el universo de la ciencia ha nacido una estrella: la biología cuántica. Toda una joven ciencia del siglo XXI. Parece que la vida, en su larga evolución haya descubierto como utilizar trucos para explotar los fenómenos cuánticos en su propio beneficio. Todavía le queda muchas maravillas por descubrir y mucho por asombrarnos para comprobar, una vez más, que como decía Sócrates… ¡sólo se que no se nada!

Para saber más:

Acerca de Jesustenta

La vida es demasiado corta como para no enamorarse de ella Presidente de la Asociación Cívica Ambientalista SUSTENTA.

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