viernes, 25 de noviembre de 2011

¿Es el olfato un sentido cuántico?

Siguiendo con la serie de tres posts hablando sobre biología y física cuántica quiero escribir ahora sobre otro tema muy reciente. Lo escuché por primera vez en Agosto, en un congreso sobre efectos cuánticos en sistemas biológicos. Se trata de como funciona el sentido del olfato y si hay algún efecto cuántico en él. Por supuesto esto es un tema muy reciente y, por lo tanto, controvertido así que tampoco saquemos demasiadas conclusiones. En cualquier caso es un tema interesante y divertido. 

Teoría electrónica del olfato

Obviamente la cuestión de como distinguimos olores no es algo que nadie se haya preguntado hasta ahora. De hecho la estructura del sistema olfativo es bien conocida desde hace mucho. Para comprender a grandes rasgos como funciona el sistema olfativo podemos recurrir a la Wikipedia.


Los receptores químicos del olfato son:
  • La glándula pituitaria roja: Se ubica en la parte inferior de la fosa nasal y está recubierto por numerosos vasos sanguíneos que calientan el aire.
  1. Células de sostén
  2. Células olfatorias
  3. Células basales
Las células olfatorias son células nerviosas receptoras de estímulos químicos provocados por los vapores. En la pituitaria amarilla se encuentran las glándulas mucosas de Bowman, que libera un líquido que mantiene húmedo y limpio el epitelio olfatorio.
Para estimular éstas es necesario que las sustancias sean volátiles, es decir, han de desprender vapores que puedan penetrar en las fosas nasales, y que sean solubles en agua para que se disuelvan en el moco y lleguen a las células olfatorias. Éstas transmiten un impulso nervioso al bulbo olfatorio y de este a los centros olfatorios de la corteza cerebral, que es donde se aprecia e interpreta la sensación de olor. Se cree que existen 7 tipos de células olfatorias, cada una de las cuales sólo es capaz de detectar un tipo de moléculas, éstas son:
  • Alcanforado: olor a naftalina.
  • Almizclado: olor a almizcle.
  • Floral.
  • Mentolado.
  • Etéreo: olor a fluidos de limpieza en seco.
  • Picante.
  • Pútrido.
Wikipedia: El número 6 son los receptores olfativos.


O sea, que las moléculas volátiles se disuelven en el moco y estimulan los centros olfativos.  Hasta aquí todo genial. La pregunta que ahora nos hacemos es ¿Cómo estimulan las moléculas un centro olfativo u otro?

La teoría clásica de estimulación se basa en la corteza electrónica de las moléculas. Como sabemos las moléculas están formadas por átomos que a su vez tienen un buen número de electrones. De como se distribuyan los electrones en la molécula dependen sus propiedades químicas, y son estas las que determinan si tiene un olor u otro. A veces se ilustra diciendo que los electrones de las moléculas, según se distribuyan, constituyen una llave y que cada llave abre la puerta a distintos receptores, estimulando así el olfato.

Entonces está todo claro, la capa electrónica de las moléculas determina que receptores se estimulan y eso da lugar a la sensación del olfato. Caso cerrado. ¿O no? Pues no del todo. Resulta que hay otra teoría que compite con esta y es la que voy a explicar a continuación.


Teoría vibracional del olfato. 


En los últimos años otra teoría sobre el olfato ha empezado a tener bastante éxito. La propuso Luca Turin en 1996 y fue publicada en la revista Chemical Senses (después de que fuera rechazado por Nature).  Esta teoría se basa en lo siguiente, primero la molécula debe encajar en el receptor, al igual que en la teoría anterior. Sin embargo esta "compatibilidad electrónica" no es suficiente para excitar el mecanismo. Además es necesario que haya una transferencia de electrones entre la molécula en cuestión y el receptor. Esta transferencia se da por efecto túnel.

Por si alguien no lo sabe el efecto túnel es un efecto cuántico que permite a las partículas atravesar potenciales que les están prohibidos de manera clásica. Como si las partículas pudieran escalar una montaña sin tener energía suficiente para ello.


Wikipedia: Reflexión y "tunelado" de un electrón dirigido hacia una barrera de potencial. El punto resplandeciente moviéndose de derecha a izquierda es la sección reflejada del paquete de onda. Un vislumbre puede observarse a la derecha de la barrera. Esta pequeña fracción del paquete de onda atraviesa el túnel de una forma imposible para los sistemas clásicos. También es notable la interferencia de los contornos entre las ondas de emisión y de reflexión.

¿Entonces de qué dependerá que una molécula tenga un olor u otro? Pues según esta teoría básicamente de dos factores: Primero, de su estructura electrónica, como en la teoría anterior. Y Segundo de los núcleos que compongan la molécula. Esto último es importante porque los núcleos de las moléculas vibran y esto facilita que se de el efecto túnel si la frecuencia de oscilación de la molécula y del receptor son parecidas.

Entonces ahora la pregunta es muy sencilla ¿cómo sabemos qué teoría es correcta? Pues para eso sólo hay una solución y es la misma de siempre: experimentación.


Experimentos sobre la teoría vibracional del olfato

Ahora hay que pasar a la última parte del método científico, experimentar y experimentar. Primero de todo (obviamente) hay que diseñar un experimento. ¿Cómo podemos distinguir entre una teoría que dice que el olfato depende sólo de la estructura electrónica de las moléculas y otra que dice que además cuenta la estructura nuclear? Pues hay una manera "sencilla", hay que oler moléculas que tengan igual los electrones y diferente los núcleos y ver si hay o no diferencia. Para eso necesitamos recurrir a nuestros amigos los isótopos.



Los isótopos, como ya sabemos son átomos que tienen el mismo número de electrones y protones, pero no de neutrones. Esto hace que sean idénticos entre ellos en cuanto a la capa electrónica (y la química) pero muy diferentes desde el punto de vista nuclear. Un ejemplo muy claro son los átomos radiactivos, cuyas propiedades dependen fuertemente de su número de neutrones. 


Isótopos del hidrógeno


Entonces el diseño del experimento empieza a estar claro. Podemos coger un tipo de molécula, cambiarle algún átomo de hidrógeno por uno de deuterio o tritio (ver figura anterior) y ver la diferencia. Esto es lo que hizo un grupo de Nueva York y lo publicaron en la revista Nature Neuroscience. El experimento consistió en hacer oler a personas compuestos orgánicos en los que se sustituyó el hidrógeno por deuterio y ver si notaban la diferencia. El resultado fue tajante: No hay ninguna diferencia. Esto hizo que la revista Nature publicara una editorial muy dura en contra de la teoría vibracional. 

Entonces eso es todo ¿no? Ha habido un experimento, este es negativo pues no se hable más. Afortunadamente no. El padre de la teoría Turin, contactó a gente del MIT y del Centro de investigación Biomédica Alexander Fleming e hicieron otro experimento. Su argumento era que los experimentos con humanos son muy complejos, ya que tienen un gran margen de subjetividad, y que era mejor hacerlo con animales. En concreto su experimento se hizo con moscas de la fruta (Drosophila melanogaster, para los amigos).

Los resultados se encuentran en un artículo de Proceedings of National Academy of Sciences. Básicamente entrenaron, mediante descargas eléctricas, a moscas para que distinguieran los olores de compuestos con hidrógeno y deuterio. Después cuando las moscas se veían expuestas a ambos olores recordaban cual era el "bueno" y lo escogían mayoritariamente. Al igual que el otro experimento las conclusiones son bastante tajantes pero en este caso a favor de la teoría vibracional. 


Conclusión

¿Entonces qué podemos concluir si hay dos experimentos y son contradictorios? Pues sólo una cosa: hacen falta más experimentos. 

Como bien es sabido la experimentación es la piedra angular de la ciencia, sin embargo eso no quiere decir que todos los experimentos sean correctos. Puede haber algún error sistemático, o la muestra es demasiado pequeña, o hay factores psicológicos (como en el experimento de Nature). También existe la posibilidad de que la teoría vibracional sea correcta para moscas pero no para humanos, aunque parece improbable. En cualquier caso la solución pasa por hacer otros experimentos, en otros grupos y con otros dispositivos. Al final la realidad se abrirá paso ella sola. 





Licencia de Creative Commons
Esta obra es de Daniel Manzano Diosdado y tiene una licencia Creative Commons Reconocimiento-CompartirIgual 3.0 Unported License.


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