Si nos tomáramos unos minutos para pensar qué es la física cuántica, ¿qué dirías?
Mucha gente podría responder que son fórmulas complicadas que explican procesos muy complejos relacionados con las partículas subatómicas, la gravedad, la energía, el movimiento de las galaxias, los agujeros negros y todo lo que tiene que ver con el espacio-tiempo y el tamaño del universo.
Algo más o menos parecido a las ideas de Albert Einstein. Pero eso no estaría muy lejos de la realidad.
Al fin y al cabo, el padre de la Teoría de la Relatividad sentó las bases de la física estadística y la mecánica cuántica, parte de la física moderna muy diferente a la planteada por Isaac Newton siglos atrás.
Pero hay una rama menos explorada que no nos obliga a ir muy lejos para entender de qué se trata. De hecho, está aquí, en nuestro planeta, entre nosotros.
El físico teórico iraquí-británico Jim Al Khalili planteó la cuestión en 2015 con una pregunta durante una conferencia: «¿Qué pasaría si el mundo cuántico jugara un papel importante en el funcionamiento de una célula viva?»
¿Puede algo tan pequeño ayudarnos a entender por qué estamos vivos?
Durante muchos años, la comunidad científica fue sencilla: la biología era una ciencia tan compleja que no tenía nada que ver con el mundo cuántico.
Hoy en día, esta idea se considera incorrecta. De hecho, la mecánica cuántica juega un papel tan importante en los procesos biológicos que es vital para la fotosíntesis de las plantas o la respiración celular.
Esta rama de la ciencia se conoce como biología cuántica.
Y comprenderlo abriría la puerta a innumerables respuestas y procesos que aún no comprendemos por completo, desde comprender cómo funcionan las mutaciones hasta crear nuevos medicamentos o mejoras en la computación cuántica.
“En cierto modo estamos resolviendo un misterio importante”, dijo 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 en los Estados Unidos, donde actualmente trabaja Mujica, recibió una subvención de $1 millón de la Fundación Keck en conjunto con la Universidad de California en Los Ángeles y la Universidad Northwestern en Chicago. El objetivo es estudiar biología cuántica durante los próximos tres años.
La idea es entender a fondo el alcance de esta rama, que está revolucionando la forma de entender la relación entre los procesos cuánticos y la vida misma.
Pero, ¿qué es la biología cuántica?
Para responder a la pregunta, comencemos con la mecánica cuántica:
La física moderna se basa principalmente en dos ramas que estudian la relatividad y el mundo cuántico. El primero estudia campos como el movimiento de galaxias y planetas; el segundo trata de explicar los sistemas atómicos y subatómicos que son tan pequeños que no podemos verlos a simple vista.
Un mundo gigante y un mundo pequeño.
El lado obvio es que la química, la biología y la bioquímica son parte de este universo. Y esa materia está compuesta de átomos y moléculas.
Entonces, si la física cuántica estudia este mundo atómico, también estaría describiendo la biología, ¿no?
“Los procesos biológicos son en realidad sistemas cuánticos porque la física (cuántica) describe el comportamiento de la materia a nivel microscópico”, explica Mujica a BBC News Mundo, el servicio en español de la BBC.
Esta es una conclusión que parece muy simple. Pero no siempre fue tan obvio.
Y hay una razón de peso: los procesos biológicos son realmente muy complejos. Por otro lado, los sistemas cuánticos necesitan «estabilidad», algo que los científicos conocen como coherencia de onda.
La conclusión de la comunidad científica es que los procesos biológicos eran tan «ruidosos» que carecían de esta estabilidad. Básicamente, destruyeron la coherencia.
Por eso, a lo largo del siglo XX, los científicos separaron la mecánica cuántica de la biología. No le dieron mucho interés al tema.
Pero tal vez faltaba algo que los científicos no entendieron del todo o que no encajaba del todo. Quizás había un método donde todo esto se aplicaba dentro de los procesos biológicos.
‘no trivial’
Ya se sabe que la materia está compuesta de partículas. Algunos son protones y neutrones, y otros se conocen como partículas elementales, como electrones y fotones.
Estas partículas funcionan a nivel biológico. Por ejemplo, la fotosíntesis en las plantas está impulsada por la transferencia de electrones en las moléculas.
Pero aquí hay un problema: ¿cómo viaja este electrón? Si tuviéramos una bombilla, el electrón pasaría a través de un alambre de cobre que se calienta mucho y hace que la luz se «encienda».
Pero las plantas no tienen alambre de cobre. De hecho, la biología tiene «terribles» conductores de energía, en palabras de Mujica, y elevar bruscamente la temperatura haría que la célula simplemente muriera.
Así que el electrón necesitaría esa cosa que los científicos no entendían. Un proceso que era simple y no requería mucha energía para permitir que la partícula viajara sin matar la célula.
Este proceso realmente existe y se llama tunelización.
Un ejemplo: si tenemos una pelota de tenis en un lado de la pista y tenemos que pasarla al otro lado, bastaría con lanzarla de un extremo al otro.
Pero si la cancha tuviera una pared muy alta en el medio, entonces la pelota tendría que lanzarse muy alto y por encima de la pared; de lo contrario, golpearía la pared. Así es como funciona la física clásica.
Pero es diferente en la física cuántica. Si la pelota de tenis fuera realmente un electrón, hay una forma de que el electrón atraviese la pared y no sobre ella. Y esto sucede porque las partículas se mueven en forma de ondas.
El efecto túnel es como «perforar un agujero en la pared y caminar a través de él». Y la ventaja es que este proceso es tan simple y efectivo que es aprovechado por los sistemas biológicos para utilizar la menor cantidad de energía posible.
Los científicos llaman a este tipo de eventos «no triviales». Es básicamente cómo la mecánica cuántica altera los procesos biológicos.
No es algo nuevo, sin embargo. Físicos como el austriaco Erwin Schrödinger ya habían abordado este y otros temas de la física cuántica en la primera mitad del siglo XX, sentando las bases para que otros científicos hicieran nuevos descubrimientos.
diferentes procesos
Pero el efecto túnel no es el único mecanismo cuántico en funcionamiento dentro de los procesos biológicos.
Hay otros, como la dirección en la que gira la partícula, algo conocido como girar. Y todos estos efectos actúan de diferentes maneras en diferentes etapas de los procesos biológicos.
Por ejemplo, la fotosíntesis consta de tres pasos. El primero es la captura del fotón (la partícula portadora de radiación electromagnética, como la luz solar) por parte de la planta.
La segunda es cuando los electrones absorben la energía de los fotones y pasan a un estado de mayor energía, viajando a través de las moléculas y en base al efecto túnel.
Finalmente, el electrón se usa para una reacción química que resulta en la liberación de oxígeno. Y eso es lo que permite que los animales y los humanos respiren.
En todas estas etapas, la mecánica cuántica está presente.
Pero ahora imagina que el electrón gira sobre su propio eje (girar), y este movimiento puede ser hacia la derecha o hacia la izquierda. Dependiendo de la dirección de girarel electrón pasará o no a través del túnel.
Para simplificar, piense en él como un tornillo, que cuando se inserta en el orificio solo se puede atornillar en la dirección correcta. Pero si lo intentas de otra manera, no sucede o lo dañas.
Es lo que se conoce como quiralidad, del griego kheir, que significa mano. Cuando un objeto es quiral, hay otro que es su reflejo, como la mano derecha con la izquierda.
Esto significa que el girar va de la mano con quiral.
“Entonces ahora tienes un mecanismo privilegiado que protege el transporte de cualquier ruido externo. Por lo tanto, un efecto que no debía ser importante ahora lo es”, resume Mujica.
Comprender este proceso es muy importante para la ciencia. Ahora se sabe que los túneles, girar y la quiralidad están relacionadas no solo con la fotosíntesis, sino también con la síntesis de proteínas, la forma en que respiran los organismos o la conexión entre neuronas.
Incluso en mutaciones, transformaciones del material genético que se producen por el cambio aleatorio de una molécula en nuestro cuerpo.
diferentes aplicaciones
Pero, ¿para qué sirve todo esto? ¿Tendría algún uso en aplicaciones del mundo visible?
Por ahora, los científicos solo están tratando de comprender la verdadera dimensión de la biología cuántica. Después de todo, durante mucho tiempo se consideró sin importancia. Ha pasado aproximadamente una década desde que este campo de la ciencia comenzó a surgir nuevamente.
Una rama que podría beneficiarse es la farmacología, donde la quiralidad juega un papel importante.
Otro es la computación cuántica. “En el punto en el que estamos, vamos a tratar de encontrar buenos sistemas para hacer procesamiento cuántico”, dice Mujica. “Los ordenadores cuánticos ya existen, pero son muy limitados. Son juguetes muy avanzados y carísimos”, añade.
Lo que ahora es evidente es el papel crucial que juega la física cuántica para ayudarnos a comprender cómo funcionan los procesos biológicos muy importantes que hacen posible la vida.
Así que no se trata tanto de buscar otros planetas, sino también de mirarnos profundamente a nosotros mismos.
Noticia de Brasil
Fuente: uol.com.br
