Primer doctorado en Biología Cuántica por Universidad de Surrey - image butterfly1232 on https://equantum.org

La Biología y Biofísica Cuánticas (Quantum Biology and Quantum Biophysics) son disciplinas muy recientes que representan toda una revolución en el entendimiento de cómo funcionan los mecanismos ligados a la Vida. Hace algunos años que voy comentando en mi web la extraordinaria importancia de estas investigaciones a nivel mundial. Algunas universidades que tienen un departamento de investigación en este campo son la de Cambridge, la de Griffith en Australia, la de Innsbruck en Viena o el grupo liderado por Engel en la universidad de Chicago entre otras.

La biología cuántica, un campo interdisciplinar muy prometedor

En este sentido, la universidad inglesa de Surrey pone en marcha por primera vez en el mundo los estudios de doctorado en Biología Cuántica en ciclos de tres años. Los encargados de esta formación tan novedosa son los investigadores Johnjoe McFadden  y Jim Al-Khalili. Esta nueva ciencia interdisciplinar requiere expertos de varios campos, desde la biología y bioquímica hasta la Física, las matemáticas y la ciencia de la computación. Se trata de unos estudios interdisciplinares de gran importancia y que se tendrán que ir integrando durante los próximos años en muchos grados universitarios.

Yo llevo investigando en este campo más de una década, contactando con científicos y elaborando un trabajo muy minucioso de síntesis, parte del cual está incluido en los cursos de formación de la plataforma web eQuantum.org.

Erwin-Schrodinger

Erwin Schrödinger

Ya en 1944 Erwin Schrödinger, en su libro What is Life?, se cuestionaba acerca de la vida, su enorme eficacia, organización y ordenación interna. No comprendía cómo la vida se puede expresar de forma tan ordenada a pesar de la agitación térmica de las partículas constituyentes. Tendría que haber una red ordenada de interconexión de largo alcance que pudiera sincronizar partes aisladas.

Para poder entender estos mecanismos, los físicos y biólogos moleculares en las dos últimas décadas han estado descubriendo hechos realmente sorprendentes. Si se pensaba en un inicio que la Física Cuántica solo tenía efectos a escalas microscópicas (escala atómica y subatómica), ahora se sabe que estos efectos se suman, dando lugar a fenómenos a escala macroscópica tal como sucede en un estado de coherencia cuántica. Por ejemplo, en 1995, se creó el primer condensado de Bose-Einstein, estado en que los átomos se someten a bajísimas temperaturas (a una temperatura de menos de una millonésima de Kelvin por encima del cero absoluto), quedando atrapados en un solo estado cuántico. Se trata de un estado sumamente ordenado y estructurado donde aparece un comportamiento colectivo extraordinario, dejándose de comportar los átomos y moléculas como entidades independientes.

En un estado de coherencia cuántica, se hacen visibles las propiedades ondulatorias de la materia (no se cancela la fase electromagnética de los diferentes componentes), manifestándose propiedades cuánticas no-triviales tales como el estado de superposición, el entrelazamiento y el efecto tunneling. La primera se refiere a que una partícula puede estar en lugares a la vez, tomar dos caminos al mismo tiempo o girar en dos sentidos simultáneamente. La segunda muestra la interconexión instantánea entre dos partículas separadas; si medimos la propiedad de una, la otra queda afectada instantáneamente, sin importar la distancia que las separe. La tercera nos habla de la posibilidad de atravesar barreras aparentemente infranqueables. Si bien desde la mecánica newtoniana una partícula que no lleva suficiente energía puede no superar cierta barrera energética, según las premisas de la mecánica cuántica sí lo podría hacer propagándose como onda.

Se evidencian estados de coherencia cuántica en los seres vivos

Algo similar pasa con los seres vivos. Se observan estados de coherencia cuántica en fracciones muy pequeñas de tiempo pero suficientes para que tengan trascendencia a nivel biológico.

Se pensaba en un inicio que las propiedades contraintuitivas de la cuántica que acabo de comentar solo se aplicaban al reino de los protones, electrones o fotones. Pero, hay evidencias que contradicen este hecho. Al principio hubo una idea generalizada de que eran imposibles estos estados de coherencia y orden a temperaturas tan elevadas como, por ejemplo, la de los seres vivos, descartando a priori cualquier efecto cuántico a nivel del organismo. Esta idea está cambiando gracias a las últimas investigaciones en el campo de la biología y biofísica cuánticas.

La fotosíntesis, la magnetorrecepción de las aves o la acción enzimática son algunos ejemplos

Entre estas se encuentran la fotosíntesis, la acción enzimática, la respiración, la orientación de las aves a lo largo del campo geomagnético, el sentido del olfato y la transmisión neuronal por ejemplo.

La fotosíntesis, un proceso por el cual las plantas absorben la luz solar.

La fotosíntesis, un proceso por el cual las plantas absorben y aprovechan la luz solar.

Respecto a la fotosíntesis, los primeros estudios se realizaron con bacterias verdes del azufre o cierto tipo de algas. La energía del fotón absorbido es transferida hasta el centro de reacción y lo hace a través de múltiples rutas simultáneamente durante una fracción de un femtosegundo (10-15seg) para luego acabar decidiendo (entrando en un estado de decoherencia) la ruta o el camino más eficaz. Este proceso explica la extraordinaria capacidad de los organismos autótrofos de captar y aprovechar al máximo la luz solar.

La acción enzimática y los procesos metabólicos en relación con la respiración se explican por el fenómeno del tunelamiento cuántico, ya que la transferencia de electrones a lo largo de varias decenas de Angstrom (10-10m) solo se puede explicar de forma ondulatoria. Los electrones y los protones son capaces de pasar barreras de potencial, lo cual tiene implicaciones importantes en la aceleración de diferentes tipos de reacciones químicas.

Otros estudios fascinantes giran en torno al sentido del olfato. Hasta ahora no se entendía del todo el sistema de reconocimiento de las moléculas odoríferas por parte de los receptores odoríferos. Se sabe que además de un reconocimiento estructural tiene que haber un reconocimiento frecuencial entre los enlaces moleculares.

Un estudio muy interesante respecto a la conducción iónica a través de las neuronas es el realizado en 2012 por G. Bernroider de la Universidad de Salzburg y J. Summhammer del Instituto Atómico de Tecnología de la Universidad de Viena. Pudieron realizar una simulación mecánico-cuántica de un ion viajando a través de un canal. Comprobaron que lo hacía como una onda coherente, y por lo tanto, deslocalizada. Además, esta onda asociada al ion oscilaba a muy altas frecuencias, transfiriendo energía a las proteínas circundantes mediante un proceso de resonancia. El proceso de resonancia es un canal de transmisión de información por absorción energética cuando dos sistemas o partículas vibran a frecuencias similares. No necesariamente las partículas han de estar en contacto para poderse activar reacciones químicas. La coherencia cuántica juega un papel indispensable en las neuronas. El campo de la neurología cuántica será fundamental en los próximos años para poder entender la extraordinaria sincronización que se produce entre números muy considerables de neuronas y también entre regiones separadas del cerebro.

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En los procesos neuronales también hay eventos cuánticos

Es apasionante saber que la biología utiliza lo que podríamos llamar una pequeña computación cuántica. Precisamente los ordenadores cuánticos son tan eficientes, ya que se basan en el principio de superposición, pudiendo estar los bits cuánticos en dos estados simultáneamente. Por esta razón tienen que estar completamente aislados del entorno para no sufrir la destrucción de su estado de coherencia cuántica.

Otros estudios en plena investigación son la biofotónica (la emisión de luz por parte de los organismos y la interacción de la luz con estos), el estudio de las propiedades supramoleculares del agua y la herencia genética a nivel cuántico.

Como dicen McFadden y Al-Khalili: «The year 2018 is the perfect year for Quantum Biology to come of age.«

Más información en:  https://www.surrey.ac.uk/research/opportunities/leverhulme-quantum-biology-doctoral-training-centre

Junio, 2018 ©Teresa Versyp