Entrada destacada

Premio DIPC de Divulgación

martes, 16 de diciembre de 2014

Física cuántica y fotosíntesis III. Transporte cuántico VS transporte semi-cuántico

Viene de: Física Cuántica y Fotosíntesis II. Transporte asistido por decoherencia

Empecemos con un pequeño resumen de lo que hemos visto hasta ahora en los post anteriores.

En el primer post, Primeros experimentos, vimos que experimentos espectroscópicos nos muestran oscilaciones en el transporte de energía en complejos fotosintéticos. Estas oscilaciones indican que puede haber efectos cuánticos, coherencia, que duran mucho más de lo que sería esperable. Mencionamos además, que la eficiencia de este proceso es muy alta, cercana al 100%. 

En el segundo post, Transporte asistido por decoherencia, vimos el mecanismo más popular para explicar esta alta eficiencia.el sistema que estudiamos, el Fenna-Mathew-Olson (FMO), fue analizado por Adolf y Renger [1], calculando los datos que necesitamos para estudiarlo (lo que se denomina el Hamiltoniano Adolf-Renger). Si tomamos estos datos y simulamos el transporte en el complejo mediante la ecuación de Schrödinger, la eficiencia cuántica no es muy alta. Sin embargo, si se reduce algo el carácter cuántico del transporte, añadiendo algo de decoherencia, la eficiencia aumenta rápidamente. Esa es la esencia del transporte asistido por la decoherencia.

Sin embargo, hay quien se hizo la siguiente pregunta. ¿Por qué iría la evolución en la dirección de crear un sistema muy complejo, que permite que haya efectos cuánticos que duran más de lo esperado, para luego mejorarlo a base de eliminar el efecto cuántico? ¿No sería más lógico que fuera más eficiente cuanto más cuántico sea? 


Bueno, a la vista de los datos, no es que pueda haber mucho debate. Los datos son los datos, y las simulaciones nos dicen que el transporte puramente cuántico es muy poco eficiente. Sin embargo, aún no está todo dicho. Como ya hemos mencionado, todas las simulaciones se basan en el Hamiltoniano de Adolf-Renger [1]. ¿Y si ocurriera que esos datos no son precisos?  Estos datos se obtuvieron por espectroscopía, pero las interacciones entre las moléculas no se pueden medir directamente. Lo que realmente se miden son ciertas fluorescencias y luego aplicando diferentes modelos se deducen los valores del Hamiltoniano. Además del hecho de que los datos dependen de un modelo, ocurre que el experimento aún no se ha repetido, y que los datos que usamos ni siquiera tienen una barra de error que nos de una estimación de su validez. En definitiva, ¿qué ocurre si no son precisos? 

Estas ideas llevaron a un físico alemán, Andreas Buchleitner, y sus colaboradores a investigar más allá del Hamiltoniano Adolf-Renger. En el paper [2] se estudió que ocurre en el transporte en sistemas más generales. Como el complejo FMO tiene siete cromoforos por los que puede viajar la energía, ellos se restringieron a estudiar sistemas con siete qubits. La simulación que hicieron es la siguiente, pusieron el qubit de entrada y el de salida en los polos de una esfera, y los otros cinco los ordenaron aleatoriamente dentro de la misma, como se ve en la siguiente figura.


También estudiaron la eficiencia del complejo FMO dado por  el Hamiltoniano Adolf-Renger, y de sistemas parecidos a este. Los resultados se pueden ver en la siguiente gráfica, donde hay 10.000 estados aleatorios. También calcularo la eficiencia del FMO (según el Hamiltoniano experimental), y también la configuración más eficiente cercana a os datos experimentales (FMO$^*$). El eje $y$ y de la gráfica representa la eficiencia, y el eje $x$ simplemente son las distintas configuraciones.




Como se puede ver, el complejo FMO es muy poco eficiente si nos fiamos de los datos experimentales. El FMO$^*$ es bastante más eficiente, lo que indica que el estado real puede ser uno que se encuentra dentro del error experimental, y que es más eficiente de lo esperado. Además, hay varios estados mucho más eficientes que esos.

Todo esto ocurre para un sistema puramente cuántico. ¿Y si le añadimos algo de decoherencia? ¿Mejora la cosa como vimos en el anterior post? Pues para algunos sí, y para algunos no como se puede ver en la siguiente gráfica, donde se ha dibujado la eficiencia con decoherencia como un círculo blanco, y una línea continua lleva a la eficiencia sin decoherencia.



Claramente, la mayoría de los sistemas empeoran si le añades decoherencia, sobre todo los más eficientes. si vemos el que corresponde a los datos experimentales (FMO) este mejora levemente con la decoherencia. Sin embargo, la configuración óptima compatible con los datos (FMO$^*$) empeora si hay decoherencia. Básicamente, todos los sistemas que funcionan de una manera óptima en el caso puramente cuántico empeoran si se les añade decoherencia. Los que funcionan mal en el caso cuántico, mejoran. Hace tiempo, hablando con Buchleitner usó la siguiente metáfora para explicar este fenómeno: "Cuando tienes una tubería que está atascada y no funciona bien, el golpearla puede ayudar. Ahora, si tienes una tubería perfecta, mejor no la toques".   

Una crítica que se hizo en su día al trabajo de Scholack et al [2] fue que usaron una medida de eficiencia diferente a la que usaba el resto del mundo. Por ese motivo publicaron otro artículo donde usaban otras medidas de eficiencia y alcanzaban las mismas conclusiones [3].

¿Y qué podemos concluir ahora? Pues el debate está todavía abierto. La mayoría de la comunidad confía totalmente en los datos de Adolf y Renger, y considera que el transporte asistido por decoherencia es realmente el mecanismo que favorece la alta eficiencia de estos complejos. En el último congreso sobre cuántica y biología, que fue hace un par de semanas, Renger nos dio una charla explicando los modelos que usó para estimar su Hamiltoniano. Me consta que hay propuestas para volver a calcular esos datos de una manera más directa, usando una técnica llamada four-wave mixing, pero que yo sepa nadie está trabajando activamente en ello. 

Mi opinión personal es que ahora mismo no tenemos datos suficientes para saber qué hipótesis es la correcta. Por este motivo, en mis trabajos sobre el tema siempre trato de estudiar sistemas generales, para ver qué ocurre en el hipotético caso de que el Hamiltoniano que usa todo el mundo no sea demasiado preciso. Uni de los conferenciantes en la conferencia se refirió a Renger como uno de los principales científicos del campo, y dijo que "lleva una gran carga encima". No le faltaba razón. 


Referencias

[1] J. Adolf y T. Renger. How Proteins Trigger Excitation Energy Transfer in the FMO Complex of Green Sulfur Bacteria. Biophysical Journal 91, 2778 (2006).

[2] T Scholak, et al. Efficient and coherent excitation transfer across disordered molecular networks. Physical Review E 83 021912 (2011).

[3] T. Scholak, T. Wellens, A. Buchleitner. Optimal networks for excitonic energy transport. J. Phys. B: At. Mol. Opt. Phys 44 184012 (2011).

3 comentarios:

  1. Antonio (AKA "Un físico")17 de diciembre de 2014, 9:17

    Daniel gracias por traernos a tu blog lo último en investigación científica; pero sigo teniendo esa duda por Kassal. Dice que "photosynthesis in nature proceeds through stationary states". No sé si eso es o no cierto. Y si fuera cierto, no entiendo cómo meter ruído (meter esa decoherencia) beneficia la eficiencia en ese transporte energético. Pero, en fin, yo no llevo ninguna "carga encima", je, je, je.

    ResponderEliminar
  2. Buenas, Antonio.

    Precisamente ese será el tema del próximo post, que será el último post antes del parón de navidad. Veremos las críticas a la extrapolación de los resultados experimentales, que se obtienen con luz coherente, al proceso fotosintético en sí, donde la luz es incoherente.

    En cuanto al tema del ruido y los estados estacionarios lo tengo que mencionar sí o sí, ya que es la contribución que yo he hecho :D

    ResponderEliminar
    Respuestas
    1. Antonio (AKA "Un físico")18 de diciembre de 2014, 8:24

      Pues espero ansioso ese sí o sí (llevo hecho un lío, desde finales de Octubre de este año, por culpa de Kassal).
      Otra duda (ya para 2015): el aplicar ruido decoherente a los estados estacionarios de futuras células solares fotosintéticas artificiales, ¿mejoraría su rendimiento?.

      Eliminar

Agradecemos mucho tu opinión, pero comentarios difamatorios, insultantes o con ánimo de ofender, trollear o spamear serán eliminados. Tampoco se aceptan comentarios anónimos.