Física Cuántica y Fotosíntesis I. Primeros experimentos

Seguro que muchos habéis escuchado ya por ahí que un tema de investigación actual es el estudio de efectos cuánticos en sistemas biológicos. Yo mismo escribí en Mapping Ignorance una entrada sobre el tema, titulada Non-trivial biological quantum effects.

En esta serie de posts nos vamos a centrar sólo en uno de esos efectos, el más importante por el momentos. Vamos a hablar sobre el posible papel de la física cuántica en el proceso fotosintético de algunas bacterias. Este es un tema de mucha presencia actualmente (lo que en inglés se denomina un "hot topic"). También es un tema que suscita mucho debate, aunque hay que estar un poco dentro de la investigación para verlo. De todo eso hablaremos por aquí. Como el tema es extenso haré una serie de posts, en vez de uno solo. Así a ojo creo que no bajará de ocho posts, así que id preparándoos. 

Este es uno de los temas de investigación en los que trabajo actualmente. Esto es bueno y malo para vosotros. Es bueno porque os puedo contar algunas cosas que ocurren "detrás de los papers", como cotilleos y cosas así. Es malo porque también puedo ponerme un poco autobiográfico, en plan "Abuelo Cebolleta". Os tenéis que aguantar.  

Empecemos por el principio pues.

Efectos cuánticos no-triviales

Ante la pregunta "¿existen efectos cuánticos en los sistemas biológicos?" sólo cabe una respuesta. Por supuesto. Es evidente que un árbol, una bacteria, o quien lee este post están formados por átomos. Estos átomos a su vez forman moléculas, que a su vez forman estructuras más grandes. Todos estos son sistemas cuánticos, así que no cabe duda alguna de que un sistema vivo es también un sistema cuántico. 

¿Cuál es el debate entonces? Bien, primero tenemos que definir qué efectos cuánticos son interesantes y cuáles no. Cuando hablamos de efectos cuánticos en sistemas biológicos, en realidad hablamos de efectos cuánticos-no triviales. ¿Cuáles son estos? Pues básicamente los que ya hemos explicado por aquí, la coherencia y el entrelazamiento. Básicamente lo que queremos saber es si parte del sistema biológico está en una superposición de estados [1] o si existe entrelazamiento entre distintas partes del sistema. 

Ahora que hemos definido el concepto de "efectos cuánticos-no triviales" podemos reformular la pregunta. ¿Existen efectos cuánticos no-triviales en sistemas biológicos?. De nuevo, la respuesta a esa pregunta es contundente. Por supuesto que existen. Como ya hemos dicho nuestros átomos y moléculas no pueden evitar ser cuánticos, y esos efectos están siempre presentes [2]. De hecho, el mismo Schrödinger ya escribió su clásico libro ¿Qué es la vida? en 1944, donde trata algunos de estos temas [3].

Volvemos a preguntarnos entonces por la materia del debate. La cuestión clave es que tanto la coherencia como el entrelazamiento son cualidades muy frágiles. Se están continuamente formando, pero la interacción con el entorno hace también que se estén continuamente perdiendo. En realidad lo que ocurre es que nos entrelazamos continuamente con nuestro entorno (ver la entrada sobre la decoherencia), y eso nos roba nuestro comportamiento cuántico. Si la decoherencia hace que estos efectos duren mucho menos de lo que duran los procesos biológicos es difícil imaginar que los efectos cuánticos puedan jugar ningún papel relevante en estos procesos. Ese era el consenso hasta hace no mucho, que en los seres vivos había efectos cuánticos, pero que estos duraban demasiado poco como para jugar ningún papel relevante en los procesos biológicos. 

Entonces la pregunta correcta a hacerse sería, ¿existen efectos cuánticos no-triviales que jueguen un papel relevante en algún proceso biológico?

Pues como ya he dicho, el consenso hace poco era que no, que no los había en absoluto. Así ocurre que para conseguir que esos efectos duren un tiempo suficiente como para ser medidos, los experimentadores tienen que enfriar los sistemas hasta  temperaturas cercanas al cero absoluto, y tienen que introducirlos en cámaras que consiguen un vacío casi perfecto. ¿Se encuentran los seres vivos en esas condiciones? En absoluto. Es entonces difícil de creer. 

Os cuento una anécdota. Cuando trabajaba de postdoc en Innsbruck vino a darnos una charla Sandu Popescu, un físico muy importante en el campo de la física cuántica. Nos dijo que antes de empezar a trabajar en esa línea él consideraba que era algo totalmente absurdo. Pensaba que si alguien iba a su despacho a contarle que creía que había este tipo de efectos posiblemente lo hubiera echado de allí. Lo que ocurrió es que el que fue a contárselo fue Hans Briegel, mi supervisor por aquella época. Como Sandu y Hans habían colaborado mucho, y Sandu sabía que Hans era un científico serio, no le quedó más remedio que ponerse a analizar el problema y así se convenció de que era posible, y de que era interesante investigarlo.

Esta historia que os voy a contar es un ejemplo de cómo funciona el mundo científico. Había un consenso, pero los consensos se pueden romper, siempre que haya evidencia para ello. Este sufrió un varapalo en 2007, cuando salieron a la luz nuevos datos experimentales. 

Los experimentos de Fleming

El año 2007 se puede considerar el punto de partida de la investigación en biología cuántica. En ese año fue cuando se desafió el consenso. El protagonista indiscutible fue Graham R. Fleming, de la Universidad de California, Berkley. Él fue el director de una serie de experimentos que cambiaron la perspectiva por completo, y que fueron publicados en Science y Nature [4,5].

Estos experimentos se realizaron en un complejo fotosintético, así que empecemos viendo que es eso. El proceso de la fotosíntesis es muy complejo y tiene muchas etapas. La luz solar es recolectada por la antena y esa energía debe ser transferida al centro de reacción, donde se utiliza para generar las moléculas que el organismo necesita. El complejo que vamos a describir sirve precisamente para eso, para transferir la energía de la antena al centro de reacción.

En concreto, el concreto analizado fue el Fenna-Mathew-Olson (FMO) de la bacteria verde del azufre (Clorobi). Hay que mencionar que esta bacteria vive en un entorno muy poco propicio para la fotosíntesis. Viven en el fondo de los lagos, muy profundo, y la luz que reciben es muy escasa. De hecho, en algunos casos pueden sobrevivir recibiendo menos de un fotón a la hora. Es evidente que han evolucionado para tener una eficiencia muy alta en el proceso. El FMO está formado por 7 macromoléculas, como se puede ver en el siguiente dibujo.

Complejo FMO, dibujo tomado de [6].

Entonces la misión del FMO es transportar la energía del fotón absorbido al centro de reacción. Básicamente cuando llega el fotón, la macromolécula 1 se excita, y esa excitación se propaga por todo el complejo.  La eficiencia de este transporte de energía de la antena al centro del reacción roza el 100%. Prácticamente, la energía de todos los fotones que han sido absorbidos por la antena y entregados al FMO terminan en el centro de reacción. Esto no es una cuestión baladí. El FMO se encuentra rodeado de otras moléculas, a temperatura ambiente, y sus macromoléculas bien podían decaer emitiendo nuevos fotones en vez de llevar la energía a su sitio. La alta eficiencia de este transporte es algo bastante difícil de explicar, y que tiene a mucha gente trabajando actualmente en ello. En el siguiente dibujo podemos ver el complejo FMO con respecto a la maquinaria fotosintética completa.

Papel del FMO en la maquinaria fotosintética. [6]

Ahora que ya conocemos al protagonista de nuestra historia, el FMO, podemos pasar a los experimentos. Lo que hicieron en 2007 fue muy interesante. Realizaron una espectroscopía de dos fotones a muy baja temperatura de este complejo. Este tipo de espectroscopía es un método muy complejo, así que voy a intentar explicar cómo funciona de una manera sencilla. Si algún experto en el tema está leyendo esto espero que algún día me perdone.

Este tipo de espectroscopía nos sirve para analizar la dinámica de un sistema. Básicamente se transmite un pulso de un láser ultracorto al sistema, se espera un tiempo (femtosegundos en este caso), y se transmite un segundo pulso ultracorto al mismo sistema. Lo que se mide es que parte del segundo pulso es absorbida o transmitida por el sistema. Básicamente, el primer pulso lleva una energía que es proporcional a la frecuencia del láser. Este excita el sistema con una cierta energía. En el tiempo entre pulsos el sistema puede evoluciona según su propia dinámica. Cuando llega el segundo pulso el sistema ya habrá cambiado su energía. si la energía a la que se encuentra excitado el sistema coincide con la del segundo pulso, la transmisividad será alta. Si no coinciden, será más baja.
Básicamente, la intensidad saliente del segundo pulso nos dice en qué energía se encuentra nuestro sistema. Así podemos ver cómo ha evolucionado el estado del sistema en el tiempo entre los pulsos.

Variando las frecuencias de los dos pulsos, y el tiempo entre ellos los investigadores hicieron estas gráficas que son ya clásicas.

En el eje x se encuentra la frecuencia del primer pulso, en el eje y la del segundo. Ref [3]

Es difícil de interpretar, pero se observan dos picos, y la magnitud de estos cambia cuando se cambia el tiempo entre los pulsos, bajando primero y subiendo después. Eso son oscilaciones, que se ven mejor en esta otra gráfica. 

Intensidad de salida en función del tiempo entre pulsos [4]

Básicamente, la frecuencia de los dos pulsos y cambiamos el tiempo entre ellos veremos oscilaciones, que indican que la energía del sistema oscila con el tiempo. Aunque parezca poco, eso es todo. 

¿Viene a decir esto que el sistema se comporta cuánticamente? Pues en principio no es una prueba definitiva, pero es un indicador muy bueno. Básicamente el primer pulso excita las moléculas del sistema, y esa excitación se propaga por las siete moléculas. Es bien sabido que si se propaga clásicamente, simplemente dando saltos, no se verían estas oscilaciones. Sin embargo, como veremos en el próximo post, si se aplica un modelo cuántico muy simple estas oscilaciones salen de manera natural. También es interesante apreciar que el tiempo entre pulsos en el experimento es del orden de femtosegundos. Como ya hemos dicho si es muy corto siempre es esperable encontrar efectos cuánticos, porque la decoherencia aún no ha tenido tiempo de actuar. Sin embargo, femtosegundos es un tiempo similar a lo que dura la propagación de la energía en estos sistemas, por lo que aquí sí puede jugar un papel relevante.

Los lectores más avispados quizás se hayan dado cuenta ya de un fallo en la argumentación. Estos experimentos fueron realizados a temperaturas muy bajas. Si precisamente el hecho de que los seres vivos no se encuentran a esas temperaturas era la principal crítica al considerar que puedan haber efectos cuánticos, ¿qué podemos concluir de aquí? Por suerte, los mismos experimentadores ya eran consciente de que eso era algo que debían responder si querían empezar a extrapolar sus conclusiones al proceso fotosintético real. Por ese motivo, tres años después del primer experimento se realizó uno nuevo, esta vez a temperatura ambiente (en inglés "room temperature"), donde observaron el mismo efecto [7].

¿Es esto evidencia suficiente? ¿Qué ocurre de verdad en la fotosíntesis? Como ya he dicho, el consenso está cambiando. Sin embargo, en mi opinión hay todavía demasiado debate como para hablar de un nuevo consenso. Tristemente, en muchas noticias se habla sólo de los resultados, pero nunca se menciona el debate que hay en torno a esos resultados. Eso lo solucionaremos aquí y veremos todas las posturas, o al menos todas las que tienen argumentos sólidos.

Antes que nada, en el próximo post explicaré cuál es la teoría más aceptada sobre lo que realmente ocurre en el proceso fotosintético. Básicamente, veremos como intenta la gente responder a la siguiente cuestión. Estos complejos son extremadamente eficientes, cosa inusual, y parece que son cuánticos, cosa también rara. Entonces hay una pregunta que sale de manera natural, ¿son eficientes porque son cuánticos?


Seguir leyendo: Física Cuántica y Fotosíntesis II. Transporte asistido por decoherencia

Referencias y notas

[1] La superposición de estados es algo que depende de nuestro punto de vista. Es decir, un sistema puede estar en una posición fija, pero tener superposición de velocidades. Cuando hablamos de coherencia en estos casos nos referimos a que haya una superposición apreciable de alguna de las magnitudes que habitualmente, como la posición, la energía, etc.

[2] Sobre entrelazamiento en átomos podéis leer, por ejemplo, este artículo mío. D. Manzano, et al. Quantum entanglement in two-electron atomic models. J. Phys. A 43, 275301 (2010).

[3] E. Schrödinger. What is Life? (Cambridge Univ. Press, 1992).

[4] G.S. Engel, et al. Evidence for wavelike energy transfer through quantum coherence in photosynthetic systems. Nature 446, 782 (2007). 

[5]  Lee, Y-C Cheng, and GR Fleming. Dynamics in Photosynthesis: Protein Protection of Excitonic Coherence, Science 316, 1462 (2007).

[6] N. Lambertl, et al. Quantum biology. Nature Physics 9, 10 (2013). 

[7] E. Collini, et al. Coherently wired light-harvesting in photosynthetic marine algae at ambient temperature. Nature 463, 644 (2010).