El entrelazamiento cuántico y la orientación de los pájaros

Un tema de rabiosa actualidad en el mundillo de la física cuántica es la existencia de fenómenos propios de de esta en los seres vivos. Por un lado es evidente que la cuántica afecta a los seres vivos en tanto que estamos formados por átomos, que a su vez forman moléculas y el comportamiento de estas está determinado por esta teoría. Sin embargo de lo que vamos a hablar aquí es de otro tema, se trata de fenómenos propios del mundo de la física cuántica, como la coherencia, el entrelazamiento o el efecto túnel, que aparentemente juegan un importante papel en ciertos procesos biológicos. 

En tres post diferentes voy a describir los tres procesos principales que se estudian actualmente sobre el tema. La brújula de los pájaros, la fotosíntesis y el sentido del olfato. Este post trata sobre el primero de todos.  

La brújula aviar y el entanglement 

Una pregunta que ha habido desde hace mucho tiempo es como funciona la brújula de los pájaros. De hecho se conocen más de 50 especies que pueden detectar el norte de manera innata, entre ellos hay aves, mamíferos, reptiles, peces, anfibios e insectos. El caso de los pájaros es el más estudiado y aún así no podemos decir que el efecto esté totalmente comprendido. El principal problema para comprenderlo es que el campo magnético terrestre es muy pequeño, de unos 50 microteslas, y no es fácil fabricar una brújula en miniatura para detectarlo. Tampoco en la mayoría de las reacciones químicas se suele detectar su efecto, aunque como veremos ahora hay algunas que pueden.

Un momento revolucionario al respecto fue la publicación de dos artículos, basados en experimentos dirigidos por el profesor P.J. Hore, uno de ellos  en la revista Nature titulado Chemical compass model of avían magnetoreception y el segundo en la revista Procceding of National Academy of Sciences titulado Chemical magnetoreception in birds: The radical pair mechanism. Estos dos artículos proponen y estudian un procedimiento llamado radical pair mecanism (RPM a partir de ahora) que se puede dar en la retina de un pájaro específico el petirrojo europeo. Según estos investigadores este proceso depende del campo magnético terrestre y permite a los pájaros "ver" el norte. Como dato curioso mencionar que el hecho de que la brújula de estos pájaros se encuentran en sus ojos se probó haciendo experimentos en los cuales se les cerraba uno de los ojos, en ese caso podían volar pero perdían totalmente el sentido de la orientación por lo que se ve que la brújula se encuentra en ambos ojos (referencia). 

El petirrojo europeo protagonista de toda esta historia. Vía Wikipedia.

¿En qué consiste este mecanismo entonces? Básicamente se basa en lo siguiente. Como sabemos los electrones tienen una cualidad llamada espín, que es un campo magnético intrínseco a la partícula. Con "campo magnético" queremos decir que los electrones son como pequeñas brújulas y con "intrínseco" queremos decir que no tiene origen en ningún otro aspecto de la partícula en sí. Como curiosidad mencionar que el término espín, viene del inglés spin que significa "giro" porque sus descubridores pensaban que lo producía el electrón al girar, aunque ahora sabemos que no es así. Una propiedad importante del espín es que si lo mides sólo encontrarás dos valores, $\uparrow$ o $\downarrow$ o como los quieras llamar, pero sólo dos. Eso se puede demostrar fácilmente con el experimento de Stern-Gerlach. 

Esquema del experimento de Stern-Gerlach, que dio pie al descubrimiento del espín. Vía Wikipedia. 

Lo que ocurre ahora es que nosotros no estamos formados por electrones libres, sino por átomos. ¿Qué pinta entonces el espín? La cuestión es que muchas reacciones químicas se dan cuando se encuentran un átomo o molécula al que le sobra un electrón con un átomo o molécula al que le falta uno, entonces el espín será el del electrón que sobra o del que falta (también hay que tener en cuenta el efecto de los electrones al moverse, pero eso no lo tendremos en cuenta por no liar). 

¿Podemos responder ya a la pregunta "qué es un RPM"? Pues es sencillo, como ya he dicho los espines sólo tienen dos posibilidades, $\uparrow$ o $\downarrow$, así que si dos espines se encuentran tenemos cuatro posibilidades: $\uparrow\uparrow$, $\uparrow\downarrow$, $\downarrow\uparrow$ y $\downarrow\downarrow$. Lo bueno es que la física cuántica es muy rara y transforma estas cuatro obvias posibilidades en otras cuatro, menos obvias: mantenemos $\uparrow\uparrow$, $\downarrow\downarrow$, pero debido al Principio de exclusión de Pauli las otras dos están prohibidas. En su lugar aparecen dos nuevas $\frac{\uparrow\downarrow+\downarrow\uparrow}{\sqrt{2}}$ y $\frac{\uparrow\downarrow-\downarrow\uparrow}{\sqrt{2}}$, que vienen a indicar que cada espín está en dos estados al mismo tiempo y conectados (que es lo que llamamos coherencia y entrelazamiento, como bien sabéis). 

La cuestión que nos interesa ahora es que estos cuatro estados se pueden agrupar de dos maneras, como singletes ($\uparrow\uparrow$,  $\downarrow\downarrow$ y $\frac{\uparrow\downarrow+\downarrow\uparrow}{\sqrt{2}}$) y como triplete ($\frac{\uparrow\downarrow-\downarrow\uparrow}{\sqrt{2}}$). Cada uno de estos grupos tiene un espín total diferente (cero el triple, uno el singlete). "¿Qué nos importa todo esto?", os preguntaréis. Pues porque cuando dos electrones se encuentran en un estado u otro pueden dar lugar a reacciones químicas diferentes y midiendo el resultado se puede saber si estaban en un estado u otro. "¿Y qué demonios tiene que ver esto con la brújula aviar?", os volveréis a preguntar. Pues la cuestión es que como he dicho los espines son campos magnéticos, por lo tanto se ven afectados por un campo magnético como el de la tierra.  

En resumen en la retina de los pájaros se da una reacción química, que se basa en el siguiente mecanismo: Un fotón (la luz) excita una molécula de la retina y esta pierde un electrón (la llamaremos donante), este electrón se lo queda otra molécula (a esta la llamaremos receptora, originalidad ante todo) y ambos tiene espín. Entonces la moléculas se separan, viven su vida y cuanto se vuelven a encontrar deciden unirse y hacer una reacción química. El resultado de esta reacción química depende del espín de las moléculas y del campo magnético externo, por lo que midiendo el resultado podemos saber si estamos volando hacia el norte o no. 

Resumen de la reacción que se da en la retina de las aves. * significa excitado, + con un electrón más, - con un electrón menos, S significa singlete, T triplete, A es la donante y B la receptora. Fuente.

Esta reacción se refleja como ya hemos dicho antes en una sensación visual para el pájaro, de modo que puede "ver" el norte. 

Recreación de la vista de un petirrojo. Fuente.

Otra cosa que os podréis preguntar es: ¿es esto un efecto puramente cuántico? Evidentemente el espín es un fenómeno cuántico, pero todo esto es química al fin y al cabo y ya sabemos que la química está por todas partes. La cuestión que hace esto interesante desde el punto de vista cuántico es ¿qué ocurre cuando las moléculas están separadas? ¿Se mantiene el entrelazamiento entre ellas? Al respecto hay un muy reciente artículo del grupo de Hans Briegel, titulado Quantum Control and Entanglement in a Chemical Compass donde se demuestra que a mayor entrelazamiento en el sistema, mayor sensibilidad. Esto indica que el entrelazamiento juega un importante rol en la brújula aviar y abre la puerta a la invención de dispositivos tan precisos como este. 

Y eso es todo por ahora, espero que haya quedado algo claro y si no para eso están los comentarios. Os dejo con un chiste que sólo entenderá gente muy especializada. 

Fuente

  Y un trozo de una película que explica lo que (no) pasaría si los pájaros dejaran de sentir el campo magnético. Eso sí, para echarse unas risas a su costa la peli es el no va más (de mala). 

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