Apoyan a Conec

Superior

Biologia, En portada

El món quàntic en biologia

Parlar de física quàntica segueix sense ser un tema de conversació per a un café, a menys que siga entre les parets d’una universitat o altres institucions acadèmiques. No obstant això, tot el món és conscient que som éssers vius, humans, i que estem fets de cèl·lules. Els animals i les plantes són un poc més del dia a dia. Estudis recents asseguren que conceptes quàntics estan darrere de l’origen de processos del ciutadà de peu. Al final, no serem més que éssers quàntics.

L’escala quàntica és el món de les partícules elementals (electró, protó, neutró..), dels àtoms i les molècules, en general, d’allò més xicotet, la qual cosa compon tot el que ens rodeja, i a nosaltres mateixos. En la física quàntica hi ha fenòmens que no tenen equivalència en el món clàssic. En altres paraules, no tenen cabuda en el nostre univers macroscòpic quotidià. O sí?

L’experiment del gat de Schrödinger.

Una de les estranyes peculiaritats de la física quàntica és el denominat entrellaçament, una propietat on objectes que poden estar separats espacialment poden descriure’s a través d’un estat quàntic únic i local. En paraules d’Amir D. Aczel: “poden arribar a estar tan enllaçats, tan relacionats entre si, que un canvi en un d’aquests es reflectiria instantàniament en l’altre, inclús encara que ambdós estigueren en extrems oposats de l’univers” [1].
Una altra de les peculiaritats de la física quàntica és el denominat efecte túnel, on les partícules poden travessar barreres d’energia com els superherois travessen parets en les pel·lícules de ciència-ficció.
La paradoxa del famós gat de Schrödinger descriu un experiment imaginari utilitzat per a explicar la superposició quàntica. Un sistema físic quàntic, com un electró, pot estar simultàniament en dos estats.
Encara que la majoria dels conceptes de la mecànica quàntica només poden observar-se en laboratoris especialitzats, veurem que hi ha alguns casos on aquests estranys comportaments donen lloc a interessants fenòmens biològics.

L’entrellaçament quàntic podria ser el procés que permet a les aus guiar-se durant els seus llargs vols gràcies a les alteracions químiques en les partícules dels seus ulls provocades pel camp magnètic terrestre.

És ben sabut que les aus són capaces de navegar gràcies a la capacitat d’utilitzar el camp magnètic de la terra. Els científics argumenten que l’entrellaçament quàntic podria estar darrere d’això. El procés pel qual els pardals es guien en els seus llargs vols és a causa d’un procés denominat magnetorecepció, pel qual són capaces de “sentir” el camp magnètic al seu voltant i, en conseqüència, utilitzar-lo per a guiar-se. Aquest model es basa en el que es denomina parells radicals (PR), basat en fotorreceptores. A través de reaccions químiques es podrien alterar els estats intrínsecs de porc espí (nord i sud, dalt i baix) dels electrons dins de molècules en l’ull del pardal, que estarien entrellaçats amb altres molècules inclús a llargues distàncies. Aquestes teories són encara especulatives, però alguns experiments indiquen que no pareixen estar tan lluny de la realitat [2].

L’entrellaçament quàntic podria ser el procés que permet a les aus guiar-se durant els seus llargs vols gràcies a les alteracions químiques en les partícules dels seus ulls provocades pel camp magnètic terrestre.

Un dels processos naturals que obri molt debat és la fotosíntesi. Les plantes capturen l’energia del sol d’una manera tan eficient que no és possible imitar una escala macroscòpica. L’explicació de com funciona la fotosíntesi porta molta controvèrsia, però pareix que és gràcies al principi de superposició de la mecànica quàntica, per poder triar d’entre totes les opcions possibles la que contribuirà a un major rendiment energètic [3]. La idea de poder construir cèl·lules fotovoltaiques per a panells solars basats en el procés d’absorció de llum solar en les plantes està actualment en estudi, amb les denominades fotocèl·lules [4].

El color verd de les plantes es deu a la clorofil·la, un pigment capaç d’absorbir tots els colors de la llum blanca del sol excepte el verd. La clorofil·la és la biomolècula crítica en el procés de la fotosíntesi. Crèdits: www.phys.org

Podria considerar-se que l’olfacte és semblant a l’orella i la vista? Imaginem que tenim en compte la vibració de les partícules. Com podem diferenciar entre l’olor d’una taronja i un estany? Una possible explicació podria ser l’efecte túnel. Si considerem que les partícules en els receptors olfactius dels nostres nassos desapareixen i apareixen alliberant quelcom d’energia, les diferents molècules deixarien la seua “empremta” olfactiva per ocasionar una determinada vibració amb aqueixa quantitat energètica [5].

El procés pel qual un cabut es converteix en una granota es denomina metamorfosi, però sabem realment com funciona aquest procés tan relativament ràpid? L’efecte túnel dels protons en els enllaços d’hidrogen dins de l’ADN donaria lloc a una acció quasi instantània que d’una altra manera podria haver pres més temps [6]. Actualment s’està buscant evidència experimental d’aquesta especulació.

Finalment, però no menys important, i continuant amb el mateix procés de l’efecte túnel en l’ADN, podria explicar-se la manera en què els gens es modifiquen i adapten amb l’ajuda de la física quàntica? Hi ha una teoria quàntica de l’evolució [7]? La resposta està ací fora.


[1] A. Aczel, Entanglement: the greatest mystery in physics.
[2] E. M. Gauger et al., “Sustained Quantum Coherence and Entanglement in the Avian Compass”, Physics Review Letters 106, 040503 (2011).
[3]  J. O’Reilly et al., “Non-classicality of the molecular vibrations assisting exciton energy transfer at room temperature”, Nature Communications 5, 3012 (2014).
[4] T. B. Arp et al., “Natural regulation of energy flow in a green quantum photocell”, Nano Letters  16 (12), 7461-7466 (2016).
[5] J. C. Brookes, Science is perception: what can our sense of smell tell us about ourselves and the workd around us?, Phil. Trans. R. Soc. A 2010 368 3491-350 (2010).
[6] PO. Löwdin, “Proton tunneling in DNA and its biological implications”, Review of Modern Physics, volum 35, 3, july (1963).
[7] J. McFadden, Quantum evolution.


, , ,

Trackbacks/Pingbacks

  1. Infografía y mundo cuántico – Infographica - 15 novembre, 2017

    […] Podéis leer “El mundo cuántico en biología” aquí […]

Leave a Reply

This site uses Akismet to reduce spam. Learn how your comment data is processed.