Física cuántica y Fotosíntesis IV: La importancia de ser coherente

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Como ya vimos en el primer post de esta serie, recientes experimentos en espectroscopía muestran oscilaciones en el transporte de energía en sistemas fotosintéticos. Esto se interpreta como una señal de que hay efectos cuánticos en este transporte, y eso dio el pistoletazo de salida a analizar la eficiencia de este tipo de sistemas. Sin embargo, en temas de actualidad es normal que haya voces discrepantes, y que surjan continuamente nuevas preguntas. Una muy importante la plantearon dos peces gordos de la ciencia mundial, Paul Brumer y Moshe Shapiro: ¿Son estos resultados relevantes para el proceso fotosintético?

Empecemos recordando algunos detalles comunes de los experimentos [1]. 

1. Los experimentos de espectroscopía muestran oscilaciones en la energía del sistema, indicando que el transporte de energía puede ser cuántico.

2. La luz usada en los experimentos consiste en pulsos laser ultracortos. 

3. Este complejo pertenece a bacterias que viven en unas condiciones muy precarias, recibiendo un fotón de luz por minuto o incluso por hora. Como el proceso fotosintético dura unos cuantos femtosegundos (10−5s) la probabilidad de recibir un fotón cuando el proceso aún no ha terminado es nula. 

Como los experimentos se realizan con pulsos de láser ultracortos, que tienen un solo fotón en la mayoría de los casos, y estos organismos se encuentran en condiciones en las que reciben un fotón cada varios minutos, la mayoría de los investigadores pensaron que ambos escenarios son suficientemente similares como para extrapolar los resultados de los experimentos al proceso real. Sin embargo, como ya hemos dicho, dos peces gordos sacaron una pregunta a la luz. ¿Es lo mismo un fotón de un láser, que uno que viene del sol? Estos peces gordos publicaron un artículo en una de las revistas más importante de ciencia, Proceedings of the National Academy of Science [2].  

Datos interesantes. Uno de los autores, Paul Brumer, es también autor de los primeros experimentos. El artículo fue enviado primero a otra revista, Journal of Chemical Physics. Allí lo rechazaron en base a tres refereatos, uno decía que el artículo era muy bueno y que había que publicarlo, otro que lo que decía era cierto pero trivial y el último decía que estaba mal. Tanto Brumer como Shapiro han dedicado bastante tiempo a hablar de estos temas en conferencias y seminarios. Shapiro dio su último seminario al respecto en Harvard el año pasado, y poco después falleció por cáncer. Fue bastante chocante, ya que vino a visitar mi grupo, estuvimos comiendo juntos y al mes me enteré de que se había muerto casi de golpe. A Brumer hace ya tiempo que no lo veo por los congresos de biología cuántica, pero es de esperar que vuelva. 

¿Cuál es el tema del artículo? Bien, los autores afirman que aunque estos sistemas reciban un fotón cada mucho tiempo, al no haber un sistema de medida que determine cuando el fotón llega o no el sistema debe evolucionar a un estado estacionario junto con la radiación. En este estado estacionario, la diferencia entre la luz de un láser y la luz del sol es enorme. 

Esta diferencia se basa en el hecho de que la luz de un laser es coherente. Esto significa que se propaga por el espacio de una manera "ordenada", con los máximos y los mínimos siempre en los mismos sitios.

Fuente: http://www.laserfx.com/Works/Works2.html

La luz incoherente, por su parte, está formada por la mezcla de distintas luces coherentes, y tiene los máximos y los mínimos mezclados. (Ver más información).

Fuente: http://www.laserfx.com/Works/Works2.html

Realmente esto hace que el efecto en sistemas que están en equilibrio con la luz sea muy diferente. ¿Invalida esto los resultados de los experimentos? No realmente. Por un lado, la hipótesis de Brumer y Shapiro no está aceptada por la mayoría de la comunidad, y hacer experimentos con luz incoherente es muy complicado. Tristemente, la misma comunidad que no acepta la hipótesis a veces se niega a discutir con los autores, dando lugar a un estado en el que no está muy claro qué ocurre. Por otra parte, los efectos cuánticos también aparecen en sistemas en un estado estacionario. 

El trabajo de Brumer y Shapiro me inspiró a estudiar el transporte en sistemas fotosintéticos en un estado estacionario [3]. Los resultados fueron muy similares a los que se habían encontrado en sistemas no estacionarios. La eficiencia de los sistemas aumenta cuando se introduce algo de decoherencia, pero esta mejora es más importante en sistemas con baja eficiencia, al igual que ocurre en el caso no estacionario (ver post anterior). 

Eficiencia de los sistemas con decoherencia (vertical) y sin decoherencia (horizontal). Cada punto representa un  sistema aleatorio.

Es esperable que los sistemas que son eficientes en un marco lo sean también en el otro. Hay excepciones, por supuesto, pero no son muchas. Esa correlación entre la eficiencia en el estado estacionario y en el estado transitorio fue analizada poco después por Witt y Mintert [4]. 

Eficiencia en el estado transitorio (vertical) con respecto a la eficiencia en el estado estacionario (horizontal)

Queda la pregunta de si hay o no efectos cuánticos en este caso. Eso es difícil de responder, porque hay que ver a que nos referimos con "efectos cuánticos". Brumer y Shapiro lo definían como las oscilaciones, y en ese caso está claro que no los hay. Un sistema que está en un estado estacionario no oscila. Sin embargo, esa es una definición bastante pobre. De nuevo, Witt y Mintert estudiaron si existían superposiciones de la posición en sistemas en el estado estacionario. No sólo encontraron las superposiciones, sino que además vieron que estaban correlacionadas con la eficiencia, mostrando que cuando más se deslocaliza el estado, más eficiente es el sistema. 

Deslocalización en función de la eficiencia del sistema

En conclusión. Si el proceso fotosintético ocurre o no como los experimentos, todavía no está claro. Hay distintas opiniones, y es difícil hacer experimentos que no saquen de dudas. Por otro lado, la mayoría de las conclusiones que hemos obtenido de los experimentos siguen ahí si cambiamos a estados estacionarios. 

Edición: Se me olvidó añadir una última referencia, aún sin publicar [5]. Se trata de un preprint que han hecho algunos compañeros de mi grupo, incluyendo mi supervisor. Ahí explican como la luz incoherente también puede dar lugar a ciertas oscilaciones cuánticas, de una manera similar a la luz del láser. Estos efectos cuánticos pueden perdurar incluso si se tiende a un estado estacionario.

Referencias

[|] G.S. Engel, et al. Evidence for wavelike energy transfer through quantum coherence in photosynthetic systems. Nature 446, 782 (2007). Lee, Y-C Cheng, and GR Fleming. Dynamics in Photosynthesis: Protein Protection of Excitonic Coherence, Science 316, 1462 (2007). E. Collini, et al. Coherently wired light-harvesting in photosynthetic marine algae at ambient temperature. Nature 463, 644 (2010). 

[2] P. Brumer and M. Shapiro. Molecular response in one-photon absoption via natural thermal light vs. pulsed laser excitation. PNAS 109, 19575 (2012).

[3] D. Manzano. Quantum Transport in Networks and Photosynthetic Complexes at the Steady State.  PLoS ONE 8, e57041 (2013).

[4] B Witt, and F. Mintert. Stationary quantum coherence and transport in disordered networks. New Journal of Physics 15, 093020 (2013).

[5] Jan Olsina, et al. Can Natural Sunlight Induce Coherent Exciton Dynamics? ArXiv:1408.5385 (2014).