¿Las plantas utilizan la mecánica cuántica para realizar la fotosíntesis?

Las plantas podrían utilizar la mecánica cuántica para evitar la decoherencia durante la fotosíntesis, lo que hace que el proceso sea más eficiente.

En 2007, un equipo de investigación compuesto por investigadores de la Universidad de Chicago y la Universidad de Washington en los EE. UU., Así como del Instituto de Física de la Universidad Charles en Praga, propuso que las plantas utilicen la mecánica cuántica y realicen computación cuántica. Los investigadores propusieron que la mecánica cuántica, que muchos todavía consideran el dominio de la ciencia ficción (al menos por el momento), estaba teniendo lugar en su jardín.

Inicialmente, esto se consideró tan absurdo que cuando se publicó el artículo que afirmaba las capacidades cuánticas para las plantas, los científicos se rieron. Las máquinas cuánticas, como las computadoras cuánticas, requerían condiciones especializadas como temperaturas bajo cero y un vacío prístino para funcionar. Dadas esas condiciones intensas, parecía imposible que las plantas que viven en el mundo real, donde las temperaturas pueden alcanzar los 40 grados centígrados y moléculas como el agua y el dióxido de carbono golpean constantemente todo, también pudieran participar en la mecánica cuántica.

Sin embargo, a medida que los científicos investigaban más esta ridícula afirmación, la evidencia de la naturaleza cuántica de las plantas solo se hizo más fuerte.

Entonces, ¿para qué usan las plantas la mecánica cuántica y cómo lo hacen?

Una descripción general de la fotosíntesis (Crédito de la foto: VectorMine / Shutterstock)

¿Dónde se utiliza la mecánica cuántica en la fotosíntesis?

La fotosíntesis es una de las columnas vertebrales de la vida en nuestro planeta. Suministra al mundo oxígeno y alimentos utilizando dióxido de carbono del aire. Todo esto es impulsado por la energía del sol.

Las moléculas llamadas cromóforos (una de las cuales es la clorofila) capturan los fotones presentes en la luz solar.

Nota: escribiré “plantas” cuando quiera referirme a organismos fotosintéticos, pero recuerde que las plantas no son las únicas que realizan la fotosíntesis. ¡Las algas, los protistas y algunas bacterias también lo hacen!

Cuando los fotones chocan contra los cromóforos, pasan su energía a un electrón de la molécula de clorofila. Este electrón ahora está energizado, como un adulto que acaba de tomar su café matutino. La energía combinada con el electrón ahora se llama exciton.

Este excitón debe llegar a un lugar llamado centro de reacción. El centro de reacción es donde el excitón depositará su energía, que eventualmente se convertirá en ATP, la forma de energía que las plantas pueden usar para producir alimentos (y otras cosas). Deben ocurrir muchos otros procesos antes de que se forme ATP, pero eso va más allá del alcance de este artículo.

Llevar el excitón al centro de reacción no es un proceso sencillo, que es donde entra en escena la mecánica cuántica.

La fotosíntesis puede evitar la decoherencia

La visión clásica es que el excitón podría saltar de un cromóforo a otro hasta que finalmente encuentre su camino hacia el centro de reacción. Esto se describe popularmente como un “paseo borracho”, un “salto” aleatorio hasta llegar al destino deseado.

El ‘paseo borracho’ de los excitones hacia el centro de reacción. (Crédito de la foto: CNX OpenStax
/ Wikimedia Commons)

Sin embargo, contrariamente a esa opinión, los científicos notaron que el excitón nunca se pierde en realidad. Nunca se desvió y depositó la energía en otro lugar, y casi siempre encontró su camino hacia el centro de reacción. Si se trata de un “tropiezo de borrachera”, entonces el excitón probablemente debería perderse de vez en cuando. Este “perderse” ocurre en los sistemas biológicos, entonces, ¿por qué no aquí?

El documento de 2007 propuso que los organismos fotosintéticos podían prevenir algo llamado decoherencia.

¿Qué es la superposición y la decoherencia?

En la física clásica, si estás haciendo cola en la cafetería, no puedes estar simultáneamente en el trabajo o en tu automóvil conduciendo. Solo puede estar en un lugar a la vez.

Este no es el caso de las partículas cuánticas. Si fueras una partícula cuántica, habría diferentes probabilidades de que estuvieras en la cafetería, en el trabajo o en tu coche.

Cuando los científicos quieren saber dónde se puede encontrar la partícula cuántica, tienen que medir. Cuando hacen eso, te obligan a estar en un solo lugar. Sin embargo, hasta que midan exactamente dónde se encuentra, estará simultáneamente en la cafetería, en su automóvil y en el trabajo.

El acto de estar en varios lugares a la vez se llama superposición.

El excitón controla simultáneamente todas sus puertas hacia el centro de reacción.

Esto es algo que los procesos fotosintéticos también podrían usar para llevar el excitón al centro de reacción.

Dado que el excitón, una partícula cuántica, puede estar en varios lugares al mismo tiempo, puede tomar todas las rutas hacia el centro de reacción simultáneamente. Imagina este proceso como si estuvieras atrapado en un laberinto. Le tomaría menos tiempo salir del laberinto si pudiera dividirse en muchas versiones diferentes de sí mismo y explorar todas las rutas simultáneamente, en lugar de explorar todas las rutas posibles una a la vez y, en consecuencia, perderse.

El excitón está en un laberinto y necesita llegar al centro de reacción, por lo que sus propiedades cuánticas vienen al rescate y le permiten estar en todas partes a la vez, y así encontrar la ruta más rápida al centro de reacción.

Pero, ¿recuerdas cómo dije que medir una partícula cuántica la obligaría a estar en un solo lugar? Esa medida en realidad consiste en un fotón que golpea la partícula cuántica (razón por la cual el vacío es tan importante para que sucedan cosas cuánticas en los laboratorios). En términos cuánticos sofisticados, el fotón hace que la “función de onda colapse” y la partícula cuántica comienza a actuar como una aburrida partícula clásica, ubicada en un lugar a la vez.

Este cambio de cuántico a clásico se llama decoherencia. Lo opuesto es la coherencia, cuando la partícula cuántica todavía actúa como una onda y una partícula y hace cosas cuánticas muy extrañas.

Los organismos fotosintéticos parecen evitar la decoherencia

Ahora, la vida es desordenada y caliente y está llena de demasiadas moléculas rebotando. Uno esperaría razonablemente que todas estas moléculas que rebotan, sin mencionar los fotones de la luz solar que llueven, llevarían al excitón a la decoherencia.

Sin embargo, si hay que creer en el artículo de 2007 y el trabajo posterior en el campo, entonces sí, las algas y bacterias fotosintéticas logran evitar la decoherencia. Precisamente cómo lo hacen sigue siendo la cuestión. ¡Esta pregunta sobre el mecanismo ha hecho que muchos duden de si la vida puede usar la mecánica cuántica en absoluto!

¿Se exagera la mecánica cuántica de la fotosíntesis?

Supongo que ya no podemos evitar la cuántica

Sin embargo, como ocurre con cualquier afirmación nueva y audaz, surge el escepticismo y la controversia. La principal disputa es cómo interpretar la evidencia de la experimentación. El artículo de 2007 interpretó ciertos “latidos” que se encontraron a través de su experimentación como evidencia de coherencia cuántica. En 2013, investigadores de la Universidad de Colorado en Boulder impugnaron que esos “latidos” no eran en realidad evidencia de actividad cuántica. En cambio, no eran más que energías vibratorias de los cromatóforos. Cada molécula tiene una cierta cantidad de energía, lo que la hace vibrar con su propia frecuencia única. La interpretación clásica frente a la cuántica está en el centro de este debate.

Aun así, los procesos biológicos rara vez son tan blancos y negros. Existe la posibilidad de que, si bien las energías vibratorias son dominantes, parte del mecanismo también podría ser parte del reino cuántico.

Al final, comprender exactamente cómo las plantas transfieren su energía podría ayudarnos a diseñar nuevas tecnologías de vanguardia, como la energía solar, para ser aún más eficientes.