VIDA QUANTICA

Que hay muchas cosas que no se conocen ni se comprenden como el origen y el desarrollo de la vida es cosa sabida, pero el afán de comprender la realidad no cesa como si fuéramos la consciencia del universo.

En este año Darwiniano en muchos aspectos, se hace cada vez más evidente la necesidad de la unicidad del conocimiento, se quiere decir con esto la tendencia al ensamblaje de las diferentes disciplinas de la ciencia, física, biología, neurociencia, química, ciencias política, economía, finanzas, etc.

Se presenta a continuación un articulo del físico y astro biólogo Paúl Davies de la Arizona State University (EEUU) en que se presentan algunos aspectos de la relación entre mecánica quántica y la biología que culmina con una interesante especulación acerca de lo que él llama Q-Vida (Q-LIFE) que deja la puerta abierta a otras tantas y muy interesantes especulaciones.

Nada de fácil el artículo, se añaden hipervínculos para facilitar la lectura…

GRAZNIDO

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Nota previa: Si desea informarse sobre la mecánica quántica recomiendo siguiente enlace:

La Microfísica: materia, partículas, ondas, mecánica cuántica

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LA VIDA QUANTICA

Jul 1, 2009

La idea de que la mecánica cuántica puede explicar muchos aspectos fundamentales de la vida está resurgiendo, como lo revela Paul Davies.

Mecánica Quántica y Biología

Para un físico, la vida parece poco menos que milagrosa – ¡todos esos estúpidos átomos reuniéndose para la realización de esos ingeniosos trucos! Durante siglos, los organismos vivos fueron considerados como una especie de materia mágica. Hoy en día, que ninguna “fuerza vital” trabaja en biología; solo hay materia ordinaria haciendo cosas extraordinarias, todo el tiempo obedeciendo las leyes de la física familiar que conocemos. ¿Cuál es entonces el secreto de las notables propiedades de la vida?

VIDA QUANTICA

La física quántica puede ser responsable de la fotosíntesis(Credit: Gustoimages/Science Photo Library)

A finales de los años 1940 – 1950 estaba de moda suponer que la mecánica cuántica – o tal vez algo pronto a ser formulado como » mecánica post-cuántica» – asía la clave del misterio de la vida. Empapados con su éxito en la explicación de las propiedades de la materia no viva, los fundadores de la mecánica cuántica esperaban que su teoría fuera lo bastante especial y lo suficientemente potente como para explicar también la peculiar situación de la materia viviente también. Niels Bohr, Werner Heisenberg y Eugene Wigner ofrecieron todos especulaciones, mientras que Erwin Schrödinger en el famoso libro ¿Qué es la Vida?, publicado en 1944, allanó el camino para el nacimiento de la biología molecular en la década de 1950.

Medio siglo más tarde, el sueño de que la mecánica cuántica podría explicar de algún modo la vida «de un plumazo» – como ha explicado otros estados de la materia tan claramente y de forma global – no se ha cumplido. Sin duda, la mecánica cuántica es necesaria para explicar las formas y tamaños de las moléculas y los detalles de su enlace químico, pero no ha emergido de ninguna manera especial un corte claro de un «principio de la vida» fundado la realidad cuántica . Además, los modelos clásicos de bola y bastón (classical ball-and-stick models) parecieron suficientes para la mayoría de las explicaciones de la biología molecular.

PROTEINA TRAMPOSA

La química de la proteina involucra una complicada coreografía proteica en un complejo paisaje energético. Los físicos han encontrado fuerte evidencia que el tuneleado quántico es fundamental para la eficiencia de ese proceso. (Credit: Pasieka/Science Photo Library)

A pesar de ello, han habido persistentes alegaciones de que la mecánica cuántica puede desempeñar un papel fundamental en la biología, por ejemplo a través de superposiciones coherentes y entrelazamientos. Estas afirmaciones van desde ideas plausibles, como el plegado cuántico-asistido de proteínas, a sugerencias más especulativas, tales como la propuesta por Roger Penrose de la Universidad de Oxford y Stuart Hameroff de la Universidad de Arizona que explica la auto conciencia con la mecánica cuántica operando en el cerebro en dimensiones macroscópicas. Lamentablemente, los sistemas biológicos son tan complejos que es difícil separar los efectos cuánticos “puros” de procesos de variaciones esencialmente clásicos que también están presentes. Por lo tanto, hay mucho margen para el desacuerdo sobre la medida en que la vida utiliza procesos cuánticos no triviales.

Pero, ¿por qué la mecánica cuántica debe ser pertinente a la vida, más allá de explicar la estructura básica y la interacción de las moléculas?. Un argumento general es que los efectos cuánticos pueden servir para facilitar los procesos que son lentos o imposibles según la física clásica. Los físicos están familiarizados con el hecho de que la discreteness, los túneles cuánticos, las superposiciones y los entrelazamientos producen nuevos e inesperados fenómenos. La vida ha tenido tres y medio millones de años para resolver problemas y optimizar la eficiencia. Si la mecánica cuántica puede mejorar su rendimiento, o abrir nuevas posibilidades, es probable que la vida halla descubierto el hecho y explotado las oportunidades. Dado que los procesos básicos de la biología se realizan a nivel molecular, el aprovechamiento de los efectos cuánticos no parecen a priori implausible.

Incluso si la vida no explota activamente los “engaños quánticos «, no podemos ignorar el impacto de la mecánica cuántica en la biología. La incertidumbre cuántica esta fundamentalmente vinculada a la fidelidad de todos los procesos moleculares. Una característica distintiva de la biología es la exquisita coreografía que participan en su muy complejas auto-organización y auto-ensamblaje molecular. La célula para que funcione correctamente, es crítico que las partes correctas estén en el lugar correcto en el momento correcto. La mecánica cuántica establece límites fundamentales a la precisión con que las moléculas pueden cooperar en una forma colectiva y organizada.

Podemos esperar que algunos de los procesos de la vida evolucionen por lo menos en el “borde cuántico «, donde hay un fuerte compromiso entre velocidad y precisión.

El siglo 19 vio la vida como una «cuestión de magia», ejemplificada por el uso del término «química orgánica», que ha sido sustituido por un modelo de la célula vista como un sistema complejo de nanomáquinas relacionados que operan bajo el control de los programas informáticos digitales codificados en ADN. Estos componentes Liliputenses, hechos principalmente de proteínas, incluyen bombas, rotores, ratchets, cables, palancas, sensores y otros mecanismos conocidos por el físico e ingeniero. Su exquisito diseño, afinado por los eones de la evolución, exhiben extraordinaria eficiencia y versatilidad, y es una inspiración para los nanotecnólogos, intuición adquirida a partir de mecanismos macroscópicos y mesoscópicos que pueden inducir a error en una escala nanométrica, donde los fenómenos cuánticos, como el efecto Casimir , podrían entrar en juego y cambiar radicalmente la naturaleza de las fuerzas involucradas.

Primeras especulaciones

Una primera idea acerca de los efectos cuánticos en biología fue propuesta por el Herbert Fröhlich de la Universidad de Liverpool, que en 1968 sugirió que los modos de vibración de las membranas de la célula podrían ser manifestación del fenómeno del condensado de Bose-Einstein, en el que muchos cuantos se resuelven en un único estado cuántico con coherencia de largo alcance en el tiempo. Los condensados de Bose-Einstein se asocian normalmente a temperaturas muy bajas, Fröhlich propuso que acoplamientos no lineales entre una colección de osciladores dipolo excitados por un entorno térmico podría frecuentemente generar un canal único y coherente de energía, incluso a temperaturas biológicas. Las ventajas exactas que podría obtener un organismo de este modo de almacenamiento de energía no son claras, aunque tal vez podría ser utilizado para el control de reacciones químicas.

La base genética de la vida está escrita en las cuatro letras del alfabeto de los nucleótidos A, G, C y T que se parean para hacer los peldaños de la estructura en escalera retorcida del ADN. Lo normal es que la asignación de pares sea tal que T está pareada con la A y G pareada con C, los pares se mantienen unidos por dos o tres enlaces de hidrógeno, respectivamente. Sin embargo, la base de nucleótidos también puede existir en alternativa, en forma químicamente relacionada, conocida como tautómero, de acuerdo con la posición de un protón. La mecánica cuántica predice que un protón puede actuar según efecto túnel atravesando la barrera potencial que separa ambos estados con una probabilidad finita potencial, lo que lleva a un des apareamiento, por ejemplo, de T pareado con G en lugar de A. Las mutaciones son las conductoras de la evolución, de manera limitada en este sentido, la mecánica quántica es sin duda un factor contribuyente al cambio evolutivo. El físico Johnjoe McFadden de la Universidad de Surrey se ha basado en este proceso para sugerir un modelo cuántico de adaptación, en el cual bacterias estresadas ambientalmente parecen ser capaces de seleccionar mutaciones favorables que aumentan su supervivencia.

Otro ejemplo de efecto túnel cuántico con relevancia biológica se refiere a la química de las proteínas – las moléculas grandes que se doblan delos formas complejas en 3D (tres dimensiones). Algunas proteínas contienen sitios activos que enlazan al hidrógeno, y para llegar a esos sitios, el átomo de hidrógeno tiene que elaborar y negociar un cambio en el paisaje de energía potencial. La tunelización cuántica puede acelerar este proceso. Estudiar la importancia de los túneles podría ser muy difícil, porque se producen interacciones complejas mientras la molécula de proteína se agita alrededor y cambia de forma como consecuencia de la agitación térmica. Un enfoque adoptado por el químico Judith Klinman de la Universidad de California, Berkeley, es trabajar con el deuterio en lugar de hidrógeno. Como el deuterón es groseramente dos veces más pesado que el protón, al usarlo se hace una gran diferencia en la tasa de ocurrencia de túneles. La comparación de la relación de las tasas de reacción de hidrógeno y deuterio comprendiendo un amplio rango de temperatura, por lo tanto, ha permitido a los experimentadores separar la importancia relativa de los efectos cuánticos. Los resultados parecen confirmar que la cuantía de túneles es realmente significativa, lo que plantea la fascinante cuestión de si algunas proteínas han evolucionado para tomar ventaja de esto, haciendo de ellas “realzadoras de túneles”. En la evolución, incluso una pequeña ventaja en la velocidad o la precisión, pueden llevar a un éxito abrumador, ya que la selección natural aumenta exponencialmente la proporción relativa de los ganadores durante muchas generaciones.

La fotosíntesis y la ornitología

Aunque los ejemplos anteriores han estado en la literatura desde hace muchos años, no han conducido a una aceptación generalizada de que la física cuántica es importante para la biología. Sin embargo, el tema es lo suficientemente rico que he tenido todo un taller sobre biología cuántica en el Centro Beyond de Conceptos Fundamentales de la Ciencia en la Universidad Estatal de Arizona en diciembre de 2007, que fue seguido por otro, organizado por los físicos Vlatko Vedral y Elisabeth Rieper en la Universidad Nacional de Singapur en enero de 2009. Este aluvión de actividad fue impulsado por dos nuevas y más bien dramáticas evoluciones experimentales.

El primero de ellos involucra un estudio de la fotosíntesis por el químico de Berkeley Graham Fleming y su grupo. La fotosíntesis es un mecanismo muy complicado y sofisticado que cosecha la energía de la luz para dividir el agua mediante el uso de fotones individuales para crear una cascada de reacciones. El proceso es extraordinariamente eficaz, y representa un ejemplo clásico de cómo la evolución ha sintonizado finamente el diseño de un sistema físico apara alcanzar un rendimiento casi óptimo

El principal receptor de la energía de la luz es un complejo de moléculas pigmentadas conocidos como cromóforos. Estos pueden ser excitados y transmitir la energía en un proceso multi etapas hasta el centro de reacción final donde se produce separación de cargas. Debido a que la longitud de onda del fotón es mucho mayor que el ensamblaje molecular, inicialmente es creado un estado de superposición de muchas moléculas pigmentadas excitadas, y este procede a evolucionar en un plazo de algunos cientos de femtosegundos. Fleming y su grupo utilizó excitación láser en forma de pulsos de prueba para estudiar las trayectorias de relajación de esos cosechadores de luz complejos, y observó que un tipo de efecto «golpes cuánticos» en el que la máxima amplitud de la excitación visita y revisita coherentemente diferentes moléculas en el sistema. Fleming afirma que, con el debido manejo de los tiempos (timing), el sistema puede «capturar» la excitación coherente (que persiste durante unos pocos cientos de femtosegundos) con una mayor probabilidad de que si estuviera distribuida de acuerdo a la mecánica estadística clásica. En su opinión, esto podría conducir a un aumento de varias-veces la velocidad de la transferencia de energía. Los resultados han sido complementados por la labor de Elisabetta Collini y Gregory Scholes en la Universidad de Toronto, quienes demostraron una coherencia a temperatura ambiente en transferencia en electrones excitados a lo largo de las cadenas de polímeros. Una característica importante de la fotosíntesis es que la arquitectura molecular de que se trata es estructurada de manera altamente inusual y compacta, lo que sugiere que se ha «personalizado» para explotar a largo plazo los efectos cuánticos. Podría ser que la configuración sea eficiente para preservar coherencia de sorprendentemente larga duración, lo que permite al sistema «explorar» muchos caminos al mismo tiempo y, por tanto, acelerar una «solución» (es decir, la entrega de energía a la reacción del centro)

TRAYECTORIA DE VUELO

Recientes estudios indican que el petirojo europeo usa una matriz de proteinas alinedas en su retina como sensor de campo magnético que lo ayuda en su navegación . (Credit: Anthony Cooper/Science Photo Library)

El segundo reciente desarrollo que sugiere que la física cuántica es relevante para la biología concierne a la navegación de las aves. Es bien sabido que algunas aves realizan increíbles hazañas de navegación utilizando una variedad de señales que incluyen la dirección del campo magnético terrestre. La naturaleza de este sensor magnético, sin embargo, sigue siendo un misterio y el problema es especialmente agudo debido a que el campo magnético penetra en el organismo completo. Nacional de Singapur ha realizado un caso plausible, al menos para el petirrojo, en que la clave reside en una clase de proteínas encontrada se encuentra en la retina del ave.

El mecanismo actualmente en fase de investigación hace llamado a la foto-activación por encima del fondo térmico de una matriz 2D (dos dimensiones) de proteínas alineadas, que producen pares de iones radicales que involucra un singlete de electrónes de dos-estados. Los giros (spin) de estos electrones entrelazados están vinculados entre sí, y en presencia de un campo magnético uniforme se precederían en sincronía, manteniendo la configuración singlete. Sin embargo, si un electrón es eyectado lejos del otro, los dos electrones pueden experimentar diferentes ambientes magnéticos. Aunque los dos electrones se someterán al mismo ambiente de campo de la Tierra, el electrón vinculado al Ion en la proteína será también afectado por campo magnético del núcleo del Ion, lo que produce una perturbación hiper fina. Esta diferencia en los campos magnéticos que experimentan los electrones entrelazados causa que el estado singlet comienza a oscilar con un triplet, con una periodicidad (frecuencia) que dependerá en parte de la intensidad y la orientación del campo de la Tierra relativo a la matriz de las proteínas. El sistema puede entonces excitarse en etapas e iniciar una reacción que, en efecto, actúa como una brújula química, porque la proporción relativa de los productos de la reacción puede depender de frecuencia de oscilación en el singlet-triplet.

Siguen habiendo grandes incertidumbres tanto sobre este mecanismo y la identidad precisa de las moléculas implicadas. Sin embargo, en general las pruebas en favor de alguna forma de modelo quántico provienen de experimentos realizados por Wolfgang y Roswitha Wiltschko de la Universidad de Frankfurt, que estudió el comportamiento de los petirrojos, en presencia de un pequeño campo magnético oscilante. Encontraron que para las frecuencias cerca de 1,315 MHz, las cacareadas proezas de navegación de los pájaros se ven seriamente comprometidas. Una posible interpretación de los experimentos es que el campo perturbador produce una «resonancia», causando transiciones singlete-triplete, con lo que se altera el producto químico brújula.

¿Cómo evitar la decoherencia?

Aunque al menos algunos de estos ejemplos se sumen como un caso prima facie del papel que la mecánica cuántica desempeña en la biología, todos confrontan un problema grave y fundamental. Efectos como la coherencia, el entrelazamiento y la superposición pueden mantenerse sólo si el sistema cuántico evita la decoherencia causada por las interacciones con su entorno. En presencia de ruido ambiental, las delicadas relaciones de fase que caracterizan a los efectos cuánticos devienen perturbadas, convirtiendo estados cuánticos puros en mezclas y en efecto provocando transición de una característica de comportamiento cuántico a uno clásico. Sólo mientras la decoherencia se pueda mantener a raya los efectos cuánticos persisten explícitamente. Las reivindicaciones de biología cuántica por lo tanto, se sostienen o caen en la precisa escala de tiempo de la decoherencia. Si un sistema deviene decoherente demasiado rápido, entonces devendrá clásico antes que nada de interés bioquímico o biológico pase.

En los últimos años, se ha prestado mucha atención a la decoherencia y su evasión, por los físicos que trabajan en el floreciente campo de la computación cuántica y la ciencia de información-cuántica. Un computador cuántico es una forma de procesar la información de manera más eficiente que lo que hace uno basado en la física clásica, permitiendo mediante el uso de estados cuánticos los que estarían autorizados para realizar operaciones lógicas, a través de la evolución coherente de superposiciones cuánticas. La decoherencia representa una fuente de error, por lo que los físicos han estado ocupados diseñando entornos que son teóricamente libres de decoherencia, o que reducen al mínimo su impacto. Un parámetro clave es la temperatura: cuanto más alta sea, más fuerte será la decoherencia. Por esta razón, la mayoría de los intentos de cálculo cuántico emplean ambientes de temperaturas ultra-bajas, como los superconductores o trampas de átomo-frío (Magnetic trap (atoms)).

A primera vista, el cálido y húmedo interior de una célula viva parece muy poco prometedor como medio ambiente de baja decoherencia. Los cálculos prospectivos (Back-of-the-envelope calculations) sugieren tiempos de decoherencia de menos del orden de 10 ^-13 s para la mayoría de los procesos bioquímicos a la temperatura de la sangre. Sin embargo, hay razones reales por las que los sistemas biológicos pueden ser menos susceptibles a la decoherencia que lo que modelos simplista predicen. Una de ellas es que los organismos biológicos son altamente no lineales, abiertos, sistemas excitados que operan lejos del equilibrio termodinámico. La física de tales sistemas no es bien comprendida y podría ocultar nuevas propiedades cuánticas que la vida ha descubierto antes que nosotros. De hecho, cálculos sofisticados indican que los modelos simples generalmente sobreestiman mucho las tasas de decoherencia. Por ejemplo, Hans Briegel y Jianming Cai de la Universidad de Innsbruck y Sandu Popescu de la Universidad de Bristol han descubierto que un sistema dinámico cuántico de dos-spin excitado fuera del equilibrio puede exhibir coherencia en curso aun cuando esté acoplado a un ambiente caliente y ruidoso que podría sacar de coherencia rápidamente a un sistema estático. Un cálculo basado en los llamados modelos spin-boson por Anthony Leggett, de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign sugiere también tiempos decoherencias dramáticamente extendidos para fonones de baja frecuencia. Leggett también señala que debido a que el modo dominante de decoherencia funciona a través de acoplamiento fonón con el medio ambiente, una desadaptación acústica entre el ambiente inmediato y el amplio del sistema cuántico podría prolongar la coherencia en las bajas frecuencias. Además, no es necesario que todos los grados de libertad disfruten de moderado grados de decoherencia: efectos biológicos- cuántico significativos podrían requerir sólo de la protección de un pequeño subconjunto.

MANTENIENDO LA COHERENCIA

La biología quántica es solo posible si la decoherencia es evitada, lo cual puede parecer implausible en el cálido ambiente de la célula viviente. Sin embargo, resultados de la computación quántica indican que los sistemas biológicos pueden ser menos suceptibles a la decoherencia que lo que los modelos simples predicen. (Credit: Isaac Chuang/IBM Almaden Research Center/Science Photo Library)

El origen de la vida

Un siglo y medio después que Charles Darwin publicó El origen de las especies, el origen de la vida en sí misma sigue siendo un misterio obstinado, y profundamente problemático. El organismo vivo más simple conocido es ya estupendamente complejo, y es inconcebible que esa entidad se produzca espontáneamente por la casualidad del auto-ensamblaje. La mayoría de los investigadores suponen que la vida comenzó ya sea con una serie auto-replicante, de información digital transportada por moléculas mucho más sencillas que el ADN, ya sea con un ciclo químico auto-catalizador que almacenado no precisa información genética, pero que fue capaz de producir cantidades adicionales de la misma mezcla química. Ambos enfoques se concentran en la reproducción de sustancias materiales, lo que es natural porque, después de todo, la vida conocida se reproduce por la copia del material genético. Sin embargo, las propiedades claves de la vida – la replicación con variación y la selección natural – no requieren lógicamente de las estructuras materiales en sí mismas, para a ser replicada. Es suficiente que la información se replique. Esto abre la posibilidad de que la vida puede haber empezado con algún tipo de replicador cuántico: Q-vida (Q-life), si le gusta.

Es bien sabido que la función de onda como tal no puede ser clonada, pero información cuántica discreta, por ejemplo, el sentido de giro del spin o la posición de mínima energía potencial (energy-well), se puede copiar. La ventaja de limitarse a copiar la información a nivel cuántico, con respecto a duplicación de estructuras moleculares ya construidas, es la velocidad. Un evento copia puede suceder en escala temporal química o tunelizacion de femtosegundos. Esto debe compararse con los 10 ms (milésimas de segundo) que se necesita para replicar un par de bases de ADN. La Q-vida puede evolucionar, por lo tanto, muchos órdenes de magnitud más rápido que la vida química. Además, las fluctuaciones cuánticas proporcionan un mecanismo natural de variación, mientras que permitirá a Q superposiciones coherentes de vida evolucionando rápidamente mediante la exploración de todo un paisaje de posibilidades de adaptación al mismo tiempo. Por supuesto, el medio ambiente de esta hipotética Q-vida es desconocido, pero la superficie de un grano interestelar o en el interior de un cometa en la nube de Oort ofrecen ambientes de baja temperatura con un rico potencial físico y químico.

¿Cómo podría evolucionar la vida Q-vida en la química que nos es familiar? Un posible escenario es que las moléculas orgánicas fueran comandadas por Q-vida con información almacenada en una robusta de copia de respaldo. Una buena analogía es una computadora. El procesador es increíblemente pequeño y rápido, pero delicado: al apagar el ordenador y los datos se pierden. Por lo tanto, los equipos utilizan discos duros para copias de seguridad y almacenar la información digital. Los discos duros son relativamente grandes y muy lentos, pero son robustos y fiables, y retienen la información en una amplia gama de agresiones del medio ambiente. La vida orgánica podría haber comenzado como el lento pero fiable «disco duro» de Q-vida. Debido a su mayor versatilidad y dureza, fue eventualmente capaz de, literalmente, «asumir una vida propia», desconectándose de su progenitora Q-vida y se extendió a medio ambientes menos especializados y restrictivos – como la Tierra. Nuestro planeta recibe una lluvia continua proveniente de polvo de cometas y granos de polvo interestelares, por lo que la entrega no es problema. En cuanto al destino de la Q-vida, lamentablemente sería completamente destruida por la entrada en la atmósfera de la Tierra.

Hay tentadoras y acumulativas pruebas de que la mecánica cuántica desempeña un papel fundamental aquí y allá en la biología. Lo que esta faltando es un claro «principio quántico de vida «, que podría ofrecer un nuevo marco conceptual en el que las notables propiedades de los sistemas vivos puedan se comprendidos, como Schrödinger y otros lo esperaron. Sin embargo, la física de los sistemas complejos cuánticos alejados del equilibrio con acoplamientos no lineales está en su infancia, y más sorpresas sin duda, se encuentran en la tienda. Mientras tanto, los investigadores en ciencias de la información cuántica, intentando reducir la decoherencia pueden encontrar el estudio de las nanomáquinas biológicas sorprendentemente gratificante.

Sobre el autor

Paul Davies Es físico y astro biólogo, y es director de BEYOND: Center for Fundamental Concepts in Science at Arizona State University, US

* Traducido de: http://physicsworld.com/cws/article/print/39669 PHYSICSWORDL

*Los hipervinculos son de la traducción.

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NOTICIAS DESDE EL ESPACIO:

Hallan un compuesto básico para la vida en un cometa

(Diario El Mundo/ España/ 18/08/2009)

http://www.elmundo.es/elmundo/2009/08/18/ciencia/1250592342.html