La biología cuántica es el estudio de las aplicaciones de la mecánica cuántica y la química teórica a objetos y problemas biológicos. Muchos procesos biológicos implican la conversión de energía en formas utilizables para transformaciones químicas y son de naturaleza cuántica. Estos procesos involucran reacciones químicas, la absorción de luz , la formación de estados electrónicos excitados, la transferencia de energía de excitación y la transferencia de electrones y protones (iones de hidrógeno) en procesos químicos como la fotosíntesis , olfato yrespiración celular .
La biología cuántica puede utilizar cálculos para modelar interacciones biológicas a la luz de los efectos de la mecánica cuántica. La biología cuántica se ocupa de la influencia de fenómenos cuánticos no triviales, que pueden explicarse reduciendo el proceso biológico a la física fundamental , aunque estos efectos son difíciles de estudiar y pueden ser especulativos.
La biología cuántica es un campo emergente; Gran parte de la investigación actual es teórica y está sujeta a preguntas que requieren mayor experimentación para poder responder con base en evidencia experimental. Aunque esta área sólo recientemente ha recibido una afluencia de atención, que fue concebido por los físicos a lo largo del XX ° siglo. Se ha considerado que la biología cuántica puede desempeñar un papel vital en el futuro del mundo médico. Los primeros pioneros de la física cuántica vieron aplicaciones de la mecánica cuántica en problemas biológicos. El libro de Erwin Schrödinger , ¿Qué es la vida? , publicado en 1944, trata de las aplicaciones de la mecánica cuántica en biología. Schrödinger introdujo la idea de un "cristal aperiódico" que contiene información genética en su configuración de enlaces químicos covalentes . Además sugirió que las mutaciones se introducen mediante "saltos cuánticos". Otros pioneros como Niels Bohr , Pascual Jordan y Max Delbrück argumentaron que la idea cuántica de complementariedad era fundamental en las ciencias de la vida. En 1963, Per-Olov Löwdin publicó el túnel de protones descrito como otro mecanismo de mutación del ADN. En su artículo, afirmó que existe un nuevo campo de estudio llamado "biología cuántica".
| Fenómeno biológico | Efecto cuántico |
|---|---|
| Visión , bioluminiscencia , olfato, fotorreceptores , síntesis de vitamina D | Estados excitados electrónicos |
| Actividades enzimáticas , en particular involucradas en la respiración celular y la fotosíntesis. | Tunelización del electrón |
| Magnetorecepción | Spin del electrón , pares de radicales entrelazados |
| Uso de fotones en la fotosíntesis. | Transferencia de energía del electrón que implica coherencia cuántica. |
Los organismos que se someten a la fotosíntesis absorben energía luminosa a través del proceso de excitación de electrones en estructuras llamadas "antenas". Estas antenas varían entre organizaciones. Por ejemplo, las bacterias ( cianobacterias ) usan antenas en forma de anillo, mientras que en las plantas son los pigmentos de clorofila los que absorben fotones . La fotosíntesis crea excitones , que proporcionan una separación de carga que las células convierten en energía química utilizable. La energía recolectada en los sitios de reacción debe transferirse rápidamente antes de que se pierda por fluorescencia o movimiento vibratorio térmico.
Varias estructuras, como el complejo FMO de bacterias sulfurosas verdes , son responsables de transferir energía desde las antenas a un sitio de reacción. Los estudios de espectroscopia de electrones FT sobre absorción y transferencia de electrones muestran una eficiencia superior al 99%, lo que no puede explicarse con modelos mecánicos clásicos como el modelo de difusión. Por lo tanto, fueron desafiados y ya en 1938, los científicos teorizaron que la coherencia cuántica era el mecanismo para la transferencia de energía de excitación.
Recientemente, los científicos buscaron evidencia experimental para este mecanismo propuesto de transferencia de energía. Un estudio publicado en 2007 afirmó la identificación de coherencia cuántica electrónica a -196 ° C (77 K ). Otro estudio teórico de 2010 proporcionó evidencia de que la coherencia cuántica vive hasta 300 femtosegundos ( 300-15 s) a temperaturas biológicamente relevantes (4 ° C o 277 K). En el mismo año, los experimentos con algas criptofíticas fotosintéticas utilizando espectroscopía de eco de fotones bidimensionales confirmaron la coherencia cuántica a largo plazo. Estos estudios sugieren que durante la evolución, la naturaleza desarrolló una forma de proteger la coherencia cuántica para mejorar la eficiencia de la fotosíntesis. Sin embargo, los estudios de seguimiento críticos cuestionan la interpretación de estos resultados. La espectroscopia de una sola molécula muestra hoy las características cuánticas de la fotosíntesis sin la interferencia de un trastorno estático, y algunos estudios utilizan este método para asignar las firmas informadas de coherencia cuántica electrónica a la dinámica nuclear que ocurre en los cromóforos . Han surgido varias proposiciones en un intento de explicar esta inesperada coherencia inesperada a largo plazo. Según una propuesta, si cada sitio del complejo "siente" su propio ruido ambiental, el electrón no permanecerá en un mínimo local debido tanto a la coherencia cuántica como al ambiente térmico, sino que se moverá hacia el sitio de reacción mediante "paseos cuánticos". . Otra propuesta es que la tasa de coherencia cuántica y el efecto de túnel de electrones crean un sumidero de energía que mueve rápidamente el electrón al sitio de reacción. Otro trabajo ha sugerido que las simetrías geométricas en el complejo podrían promover una transferencia de energía eficiente al centro de reacción, lo que refleja una transferencia de estado perfecta en las redes cuánticas. Además, los experimentos con moléculas de colorantes artificiales ponen en duda la interpretación de que los efectos cuánticos no duran más de cien femtosegundos.
En 2017, el primer experimento de control con la proteína FMO original bajo condiciones ambientales confirmó que los efectos cuánticos electrónicos se eliminan en 60 femtosegundos, mientras que la transferencia global de excitones tarda un tiempo del orden de unos pocos picosegundos (10 - 12 s). En 2020, una revisión de la literatura basada en una amplia gama de experimentos y teorías de control concluyó que los efectos cuánticos propuestos no se mantuvieron, debido a la larga vida útil de las coherencias electrónicas en el sistema FMO. Más bien, la investigación sobre la dinámica del transporte sugiere que las interacciones entre los modos de excitación electrónica y vibratoria en los complejos FMO requieren una explicación semiclásica y semicántica de la transferencia de energía de excitación. En otras palabras, mientras que la coherencia cuántica domina a corto plazo, una descripción clásica es más precisa para describir el comportamiento a largo plazo de los excitones.
Otro proceso de fotosíntesis que es casi 100% eficiente es la transferencia de carga, lo que nuevamente sugiere que están involucrados fenómenos de la mecánica cuántica. En 1966, un estudio sobre la bacteria fotosintética Chromatium mostró que a temperaturas por debajo de 100 K, la oxidación del citocromo es independiente de la temperatura, lenta (del orden de un milisegundo) y muy baja en energía de activación. Los autores, Don DeVault y Britton Chase, postularon que estas características de la transferencia de electrones son indicativas de un efecto de túnel cuántico, mediante el cual los electrones penetran una barrera de potencial aunque tienen menos energía de la necesaria convencionalmente.
El ácido desoxirribonucleico , ADN, sirve como instrucción para la producción de proteínas en el cuerpo. Está formado por 4 nucleótidos : guanina, timina, citosina y adenina. El número y el orden en que están dispuestos estos nucleótidos da las "recetas" para hacer las diferentes proteínas.
Cada vez que una célula se reproduce, tiene que copiar estas hebras de ADN. Sin embargo, a veces se produce una mutación o un error en el código de ADN a lo largo del proceso de copia de la cadena de ADN. El modelo de mutación del ADN de Lowdin explica una teoría del razonamiento detrás de la mutación del ADN. En este modelo, un nucleótido puede cambiar de forma mediante un proceso de tunelización cuántica. Como resultado, el nucleótido modificado perderá su capacidad de emparejarse con su par de bases original y, por lo tanto, cambiará la estructura y el orden de la cadena de ADN.
La exposición a los rayos ultravioleta y otros tipos de radiación puede provocar mutaciones y daños en el ADN. La radiación también puede alterar los enlaces de las pirimidinas a lo largo de la cadena de ADN y hacer que se unan a sí mismas para crear un dímero .
En muchos procariotas y plantas, estos enlaces se reparan y las moléculas vuelven a su forma original gracias a una enzima reparadora del ADN, la fotoliasa . Como sugiere su prefijo, la fotoliasa depende de la luz para reparar la hebra. Photolyase trabaja con su cofactor FADH, el dinucleótido de flavina adenina, mientras repara el ADN. La fotoliasa es excitada por la luz visible y transfiere un electrón al cofactor FADH. FADH, ahora en posesión de un electrón extra, dona ese electrón al dímero para romper el enlace y reparar el ADN. Esta transferencia de electrones tiene lugar mediante un túnel entre el electrón del FADH y el dímero. Aunque el rango del efecto de túnel es mucho mayor de lo que es posible en el vacío, se dice que el efecto de túnel en este escenario es un "efecto de túnel de súper intercambio", y que es posible gracias a la capacidad de la proteína para aumentar el electrón. tasa de tunelización.
Desde principios de la década de 1960 hasta la actualidad (2020), se ha construido una biología cuántica, demostrando poco a poco que el ADN y diversos organismos vivos durante la evolución han "aprendido" a explotar ciertas propiedades de la física cuántica .
Históricamente, Schrödinger influyó tanto en James Watson como en Francis Crick, quienes descubrieron la doble hélice del ADN; los animó a estudiar la naturaleza de los genes. Según Watson, Schrödinger explicó elegantemente que hay que entender cómo funcionan los genes para entender la vida.
Luego, el éxito de la biología molecular (clonación de genes, ingeniería genética, OGM, huellas dactilares del genoma, secuenciación) se ha eclipsado y nos ha hecho olvidar los fenómenos cuánticos potencialmente en juego.
Los genetistas y el mundo de la biotecnología han evitado en ese momento inicialmente integrar aspectos cuánticos de la física y la química en sus modelos del mundo (aspectos que no les eran necesarios, y matemática e intelectualmente, contra-intuitivos y por lo tanto más difíciles de acceder) . Los bioquímicos simplemente estaban asombrados por la extrema velocidad y eficiencia de ciertos fenómenos ( enzimáticos , fotosintéticos ), sin poder explicarlo.
Los físicos, por su parte, creyeron durante mucho tiempo que era imposible que los efectos cuánticos fueran movilizados por organismos vivos como bacterias, plantas, hongos o animales. Su principal argumento era que los propios físicos, para demostrar la existencia de fenómenos cuánticos en sistemas físicos inorgánicos, tenían que trabajar en un entorno extremadamente controlado, y en particular a temperaturas cercanas al cero absoluto , en el vacío y precisamente al abrigo de la medio ambiente, una fuente continua de interferencia. Entonces pensaron que los fenómenos de naturaleza cuántica (por ejemplo , efecto túnel , efectos de interferencia cuántica) solo podrían expresarse en un subsistema coherente muy aislado de su entorno. Beaucoup de physiciens se sont d'abord moqué des biologistes qui ont posé l'hypothèse que la mécanique quantique était peut-être utilisée par le vivant dans les conditions habituelles de température et de pression, et au sein d'un milieu aussi complexe que la célula.
Sin embargo, Watson y Crick habían sugerido una primera pista. El último había hecho sugerido que las mutaciones genéticas podrían ser creados en la doble hélice por la tautomerización de ADN bases , la transformación de imino - formas comunes en raras enol formas , produciendo así incorrectamente acoplado pares de bases durante la replicación del ADN.
Una "traducción cuántica" de esta idea fue sugerida ya en 1963 por Per-Olov Löwdin ; este físico sueco, propuso que los túneles de protones podrían generar bases tautoméricas. Per-Olov Löwdin aporta así un mecanismo explicativo físico a la especulación de Schrödinger según el cual las mutaciones puntuales aleatorias podrían tener un origen cuántico; de hecho, cualquier código genético (pares de bases de una cadena de ADN) se mantiene en una doble hélice mediante una disposición única de enlaces de hidrógeno. Un átomo de hidrógeno que pierde un solo electrón se convierte en un protón y parece posible que al replicar una hebra de ADN exista la probabilidad de que se produzca un túnel de protones al cambiar la configuración del enlace de hidrógeno, lo que altera ligeramente el código genético. Este "túnel" de protones también podría explicar el envejecimiento y la aparición de disfunción celular que conduce a tumores y cánceres .
En la década de 1960 , sin embargo, pocos genetistas estaban al tanto de las contribuciones de Löwdin , lo que provocó que biólogos, biofísicos y bioquímicos pensaran primero que la mecánica cuántica no podía desempeñar un papel específico en los sistemas vivos. Como ejemplo, en 1962 , el químico teórico británico Christopher Longuet-Higgins (quien en la Universidad de Cambridge aportó mucho a la química molecular a través de modelos y análisis matemáticos) en un texto (presentación realizada durante una conferencia) titulado "Mecánica cuántica y biología "se opone a la idea de que la mecánica cuántica juega un papel en la biología, al tiempo que reconoce que la física clásica se esfuerza por explicar tres fenómenos: la fotosíntesis, la sensibilidad retiniana y la bioluminiscencia". Sostiene que el mapeo del ciclo de Krebs y el ciclo de Calvin , dos ciclos complejos fundamentales para los seres vivos, no requirió ningún conocimiento de la mecánica cuántica más que el que es familiar para el químico orgánico puro interesado en los mecanismos de reacción bioquímicos.
Entre los primeros, Ludwig von Bertalanffy consideró que las leyes deterministas clásicas de la física-química no permiten dar cuenta de todos los fenómenos de la vida.
Físicos de la mecánica cuántica ( Bohr en la revista Nature en 1933 ), Schrödinger , en 1944 en su libro What is Life? y Jordan en un artículo de 1932 sobre mecánica cuántica y los problemas básicos de la biología y la psicología en particular) sugirieron que la física cuántica podría llenar estos vacíos explicativos, sin saber todavía cómo. Movilizando las nociones de complementariedad y el principio de incertidumbre , sintieron que la medición y la aleatoriedad cuántica podrían incluso haber jugado un papel importante en la evolución, o incluso proporcionar control direccional al proceso evolutivo. Este último punto de vista está hoy desacreditado (casi todos los biólogos creen que no hay indicios de direccionalidad en el motor de la evolución que constituye el juego de las mutaciones). Asimismo, el punto de vista de Eugene Wigner sobre la conciencia como ingrediente mágico para resolver el problema de la medición también está ahora ampliamente desacreditado.
El olfato, el sentido del olfato , se puede dividir en dos partes: recibir y sentir una sustancia química, y luego cómo esa sensación es enviada y procesada por el cerebro. Este proceso de detección de una sustancia olorosa todavía se cuestiona en la actualidad. Una teoría llamada "Teoría de la forma del olfato" sugiere que ciertos receptores olfativos son activados por ciertas formas de sustancias químicas y que estos receptores envían un mensaje específico al cerebro . Otra teoría (basada en fenómenos cuánticos) sugiere que los receptores olfativos detectan la vibración de las moléculas que los alcanzan y que "el olor" se debe a diferentes frecuencias vibratorias; esta teoría se llama con razón "teoría vibratoria del olfato".
La teoría vibratoria del olfato, creada en 1938 por Malcolm Dyson pero revitalizada por Luca Turin en 1996, propone que el mecanismo del olfato se debe a los receptores de proteína G que detectan vibraciones moleculares debido al efecto túnel inelástico. Electrones (efecto túnel donde el electrón pierde energía) a través de moléculas. Una vez que la sustancia química se une al receptor, la sustancia química actuaría como un puente que permitiría la transferencia del electrón a través de la proteína. A medida que el electrón se transfiere, este puente generalmente sería una barrera para los electrones y perdería su energía debido a la vibración de la molécula recientemente unida al receptor, lo que permitiría sentir la molécula.
Aunque la teoría vibratoria ha recibido algunas pruebas experimentales de su concepto, los experimentos han arrojado múltiples resultados controvertidos. En algunos experimentos, los animales pueden distinguir olores entre moléculas de diferentes frecuencias y de la misma estructura; otros experimentos muestran que las personas no son conscientes de distinguir los olores debido a las distintas frecuencias moleculares. Sin embargo, esto no ha sido refutado, e incluso se ha demostrado que tiene un efecto sobre el olor de animales distintos de los humanos, como moscas, abejas y peces.
La visión se basa en la energía cuantificada para convertir las señales de luz en un potencial de acción en un proceso llamado fototransducción. En la fototransducción, un fotón interactúa con un cromóforo en un receptor de luz. El cromóforo absorbe el fotón y sufre una fotoisomerización. Este cambio en la estructura induce un cambio en la estructura del fotorreceptor y las vías de transducción de señales resultantes conducen a una señal visual. Sin embargo, la reacción de fotoisomerización ocurre a una velocidad rápida, en menos de 200 femtosegundos, con alta eficiencia. Los modelos sugieren el uso de efectos cuánticos en la configuración del estado base y los potenciales del estado excitado para lograr esta eficiencia.
Aplicaciones de la visión cuánticaLos experimentos han demostrado que los sensores de la retina del ojo humano son lo suficientemente sensibles como para detectar un solo fotón. La detección de un solo fotón podría conducir a múltiples tecnologías diferentes. Un área de desarrollo es la comunicación cuántica y la criptografía . La idea es utilizar un sistema biométrico para medir el ojo usando solo una pequeña cantidad de puntos en la retina con destellos aleatorios de fotones que "leen" la retina e identifican al individuo. Este sistema biométrico solo permitiría a una determinada persona con una tarjeta retiniana específica decodificar el mensaje. Este mensaje no puede ser descodificado por nadie más, a menos que el espía adivine la tarjeta correcta o pueda leer la retina del destinatario del mensaje.
Las enzimas pueden utilizar el efecto de túnel cuántico para transferir electrones a largas distancias. Es posible que la conformación cuaternaria de las proteínas haya evolucionado para permitir un entrelazamiento cuántico sostenido y una coherencia. Específicamente, las enzimas pueden aumentar el porcentaje de reacción que ocurre al "tunelizar" el hidrógeno. La construcción de túneles se refiere a la capacidad de una pequeña partícula de masa para cruzar barreras de energía. Esta capacidad se debe al principio de complementariedad, según el cual algunos objetos tienen pares de propiedades que no pueden medirse por separado sin cambiar el resultado de la medición. Los electrones tienen propiedades tanto de onda como de partícula, por lo que pueden atravesar barreras físicas como una onda sin romper las leyes de la física. Los estudios muestran que las transferencias de electrones a larga distancia entre los centros redox mediante tunelización cuántica desempeñan un papel importante en la actividad enzimática de la fotosíntesis y la respiración celular. Por ejemplo, los estudios muestran que el efecto de túnel de electrones de largo alcance del orden de 15-30 Å ( 10-10 m) juega un papel en las reacciones redox de las enzimas en la respiración celular. Sin los túneles cuánticos, los organismos no podrían convertir la energía con la suficiente rapidez para sustentar su crecimiento. Aunque existen tales separaciones entre los sitios redox dentro de las enzimas, los electrones se transfieren con éxito, generalmente independientemente de la temperatura (excepto en condiciones extremas) y la distancia, lo que sugiere la capacidad de los electrones para "excavar túneles" en condiciones fisiológicas. Se necesita más investigación para determinar si este fenómeno específico de tunelización también es consistente.
La magnetorrecepción significa la capacidad de los animales para moverse utilizando la inclinación del campo magnético de la Tierra . Una posible explicación de la magnetorrecepción es el mecanismo de pares de radicales entrelazados. El mecanismo del par de radicales está bien establecido en la química de espín y Schulten et al. Postularon que se aplicaría a la magnetorrecepción en 1978 . La relación entre pares de singletes y tripletes cambia por la interacción de los pares de electrones entrelazados con el campo magnético de la tierra. En 2000, se propuso el criptocromo como una "molécula magnética" capaz de albergar pares de radicales magnéticamente sensibles. El criptocromo, una flavoproteína que se encuentra en los ojos de los petirrojos europeos y otras especies animales, es la única proteína conocida por formar pares de radicales fotoinducidos en los animales. Al interactuar con partículas de luz, el criptocromo pasa por una reacción de oxidación-reducción, que produce pares de radicales tanto durante la foto-reducción como durante la oxidación. La función del criptocromo varía de una especie a otra, pero la fotoinducción de pares de radicales se produce por exposición a la luz azul, que excita un electrón en un cromóforo. La magnetorrecepción también es posible en la oscuridad, por lo que el mecanismo debe depender más de los pares de radicales generados durante la oxidación independiente de la luz.
Los experimentos de laboratorio confirman la teoría básica de que los electrones en pares de radicales pueden verse significativamente influenciados por campos magnéticos muy débiles, es decir, solo la dirección de los campos magnéticos débiles puede afectar los pares de reactividad de los radicales y, por lo tanto, "catalizar" la formación de sustancias químicas. No se sabe si este mecanismo se aplica a la magnetorrecepción y / o la biología cuántica, es decir, si el campo magnético de la Tierra "cataliza" la formación de productos bioquímicos utilizando pares de radicales, por dos razones. La primera es que los pares de radicales no tienen que estar entrelazados, la característica cuántica clave del mecanismo del par de radicales, para desempeñar un papel en estos procesos. Hay pares de radicales entrelazados y no entrelazados. Sin embargo, los investigadores encontraron evidencia del mecanismo de magnetorrecepción de pares de radicales cuando los petirrojos europeos , las cucarachas y las currucas de jardín ya no podían navegar cuando se exponen a una radiofrecuencia que bloquea los campos magnéticos y la radiación química de los pares de radicales. Para sugerir empíricamente la implicación del entrelazamiento, se tendría que diseñar un experimento que pudiera alterar los pares de radicales entrelazados sin alterar los otros pares de radicales, o viceversa, lo que primero debería demostrarse en el laboratorio antes de aplicarse. A pares de radicales in vivo .
Otros ejemplos de fenómenos cuánticos se pueden encontrar en sistemas biológicos como la conversión de energía química en movimiento y motores brownianos en muchos procesos celulares.