Ciencia: ¿biología cuántica no descubierta (y cómo podría proporcionar pistas sobre por qué estamos vivos)?

Pero hay una rama que está menos explorada y que no requiere ir muy lejos para entender de qué se trata.

De hecho, está aquí, en nuestro planeta, entre nosotros.

Lo planteó el físico teórico iraquí-británico Jim Al-Khalili en 2015 con una pregunta durante una conferencia: ¿Y si el científico cuántico jugara un papel importante en el trabajo de una célula viva?

¿Puede una cosa tan pequeña ayudarnos a entender por qué estamos tan vivos?

Durante muchos años, la comunidad científica había insistido en que la biología era una ciencia tan compleja que no tenía nada que ver con el mundo cuántico.

Una idea que hoy se considera incorrecta. De hecho, la mecánica cuántica juega un papel tan importante en los procesos biológicos que es fundamental para la fotosíntesis de las plantas o la respiración celular.

Esta rama de la ciencia se conoce como biología cuántica.

Comprenderlo abrirá la puerta a una gran cantidad de respuestas y conocimientos que aún no comprendemos por completo, ya sea para comprender cómo funcionan las mutaciones, crear nuevos medicamentos o mejorar la computación cuántica.

“En cierta medida estamos resolviendo un rompecabezas importante”, le dijo a BBC Mundo Vladimiro Mujica, químico de la Universidad Central de Venezuela y doctor en química cuántica de la Universidad de Uppsala en Suecia.

Recientemente, la Universidad Estatal de Arizona, donde actualmente trabaja Mujica, recibió una subvención de $1 millón de la Fundación Keck, junto con UCLA y la Universidad Northwestern en Chicago, para estudiar biología cuántica durante los próximos tres años.

La idea es entender lo más cerca posible el alcance de esta rama, que está revolucionando la manera de entender la relación entre los procesos cuánticos y la vida misma.

Vamos a empezar desde el principio. Mecánica cuántica:

La física moderna se basa principalmente en dos ramas que estudian la relatividad y el mundo cuántico. El primero estudia áreas como el movimiento de galaxias y planetas. El segundo estudia sistemas atómicos y subatómicos demasiado pequeños para ser vistos a simple vista.

Un mundo gigante y un mundo pequeño.

El aspecto obvio es que la química, la biología y la bioquímica son parte del asunto. Esta sustancia está formada por átomos y moléculas.

Entonces, si la física cuántica estudia este mundo atómico, también describe la biología.

“Los procesos biológicos son en realidad sistemas cuánticos porque la física (cuántica) describe el comportamiento de la materia a nivel microscópico”, dice Mujica.

Es una conclusión muy simple. Pero no siempre fue tan sencillo.

Y hay una buena razón: los procesos biológicos son en realidad bastante complejos. Por otro lado, los sistemas cuánticos necesitan «estabilidad», que es lo que los científicos llaman coherencia de onda.

La conclusión de la comunidad científica de la época fue que los procesos biológicos eran tan «ruidosos» que no mostraban tanta estabilidad. Básicamente, estaban destruyendo la consistencia.

Por eso, a lo largo del siglo XX, los científicos separaron la mecánica cuántica de la biología. No le prestaron mucha atención.

Pero tal vez faltaba algo que los científicos no entendieron completamente o no encajaron del todo. Quizás había una forma en que todo esto se aplicaba en procesos biológicos.

Ya sabemos que la materia está formada por moléculas. Algunos son protones y neutrones, y otros se conocen como partículas elementales, como electrones y fotones.

Estas partículas actúan a nivel biológico. Por ejemplo, el proceso de fotosíntesis en las plantas se desencadena por la transferencia de electrones en las moléculas.

Pero hay un problema: ¿Cómo viaja este electrón? Si tuviéramos una bombilla, el electrón pasaría a través de un alambre de cobre que se calentaría mucho y haría que la luz se encendiera.

Pero las plantas no tienen este alambre de cobre. De hecho, la biología tiene «malos» conductores de energía, según Mojica, y un aumento repentino de la temperatura hará que la célula muera por completo.

Entonces, el electrón necesitará esta cosa de la que los científicos no entienden. El proceso es simple y no requiere mucha energía para permitir que la partícula viaje sin matar la célula.

Este proceso ya está en marcha y se llama efecto túnel.

Ejemplo: Si tenemos una pelota de tenis en un lado de la cancha y queremos llevarla al otro lado, simplemente la tiramos de un extremo al otro.

Pero si el campo de juego tiene una pared muy alta en el medio, la pelota debe lanzarse muy alto y por encima de la pared, de lo contrario, botará. Así es como funciona la física clásica.

Pero es diferente en la física cuántica. Si la pelota de tenis es un electrón, hay una manera de pasarla a través de la pared, no sobre ella. Esto sucede porque las partículas se mueven en forma de ondas.

El efecto túnel es como «abrir un agujero en una barrera y deslizarse a través de él». La ventaja es que es tan simple y barato que los sistemas biológicos lo utilizan para usar la menor cantidad de energía posible.

Los eruditos llaman a estos eventos «no triviales». Básicamente, así es como la mecánica cuántica cambia los procesos biológicos.

No es nada nuevo. Físicos como el austriaco Erwin Schrödinger abordaron este y otros temas de la física cuántica en la primera mitad del siglo XX, allanando el camino para que alguien más hiciera nuevos descubrimientos.

Pero el efecto túnel no es el único mecanismo cuantitativo que opera en los procesos biológicos.

Otras cosas, como la dirección en la que gira la partícula, se llaman rotación. Todos estos efectos actúan de diferentes maneras en diferentes etapas de los procesos biológicos.

Por ejemplo, la fotosíntesis ocurre en tres etapas. El primero es la captura de un fotón (la partícula que transporta la radiación electromagnética, como la luz solar) por parte de la planta.

El segundo es donde los electrones absorben la energía del fotón y pasan a un estado de mayor energía, donde pasan a través de las moléculas y dependen del túnel.

Finalmente, el electrón se usa en una reacción química que resulta en la liberación de oxígeno. Esto es lo que permite que criaturas como los humanos respiren.

En todos estos pasos, la mecánica cuántica está presente.

Pero ahora imagine que el electrón gira sobre su eje y que el movimiento puede ser hacia la derecha o hacia la izquierda. Dependiendo de la dirección de rotación, el electrón pasará o no por el túnel.

Para simplificar, considere un tornillo que, una vez insertado en el orificio, solo se puede atornillar de la manera correcta. Pero si prueba el otro método, o no pasará o lo dañará.

A esto se le llama quiralidad, del griego chiral, que significa mano. Cuando un objeto es una espiral, otro objeto tiene el reflejo, como la mano derecha con la mano izquierda.

Esto significa que la rotación va de la mano con la quiralidad.

“Así que ahora tienes un mecanismo distinto que protege la transmisión electrónica de cualquier ruido externo. Así que el efecto que se suponía que no iba a ser significativo ahora lo es”, resume Mujica.

Comprender esto es muy importante para la ciencia. Ahora sabemos que la tunelización, la rotación y la reflexión están relacionadas no solo con la fotosíntesis, sino también con la síntesis de proteínas, la forma en que respiran los organismos o la relación entre las neuronas.

Incluso en las mutaciones, mutaciones del material genético que ocurren a través del cambio aleatorio de una molécula en nuestros cuerpos.

Pero entonces, ¿cuál es su propósito?

Los científicos solo están tratando de comprender la verdadera dimensión de la biología cuántica. Después de todo, se consideró sin importancia durante mucho tiempo, y solo hace unos diez años, este campo científico comenzó a aparecer nuevamente.

Una rama que podría beneficiarse de esto es la farmacología, donde la quiralidad juega un papel importante.

La computación cuántica es otra cosa. “En este punto, estamos tratando de encontrar buenos sistemas para hacer un procesamiento cuantitativo”, dice Mujica. «Los ordenadores cuánticos existen, pero son muy limitados. Son juegos muy sofisticados y muy caros», añade.

Pero muchas de estas aplicaciones no verán la luz en los tres años que Mujica y otros colegas dedicarán al estudio de la biología cuántica. Lo ven como una ciencia que tendrá importantes implicaciones a largo plazo.

Lo que ahora está claro es el papel fundamental que desempeña la física cuántica para ayudarnos a comprender el funcionamiento de los procesos biológicos muy importantes que hacen posible la vida.

Por lo tanto, no solo busca tanto otros planetas, sino que también profundiza en lo que tenemos en nuestro planeta.