¿Qué estudia la Biología Cuántica?
Con base en el uso de herramientas de la teoría cuántica para el estudio de fenómenos que involucran a los organismos vivos, la biología cuántica se ha constituido como un campo de investigación esencialmente interdisciplinario. El sostén de sus estudios se basa, sobre todo, en la cooperación que establecieron profesionales de la biología, la química y la física, con la mecánica cuántica y la química teórica como elementos centrales de su producción científica.
“El intento de entender y controlar aspectos estructurales de los sistemas biológicos ha llamado la atención de los científicos hacia el estudio de los fenómenos cuánticos, esto es, eventos que no pueden explicarse basándose en la física clásica del mundo macroscópico”, explica Fernando Semião, del Laboratorio de Ciencia y Tecnología en Información Cuántica de la Universidad Federal del ABC (UFABC), donde además de la biología cuántica, también se llevan a cabo estudios sobre información cuántica pura, termodinámica cuántica e investigación experimental en óptica cuántica.
Las primeras menciones a la biología cuántica se remontan a mediados del siglo XX. En el libro titulado¿Qué es la vida? (editorial Unesp, 1997),publicado originalmente en 1944 por el físico austríaco Erwin Schrödinger (1887-1961), se introducen conceptos importantes para la constitución de la biología cuántica como campo de estudio, basado principalmente en la complejidad de la materia viva. “Sin embargo, los científicos de aquella época no estaban preparados para enfrentarse a ese reto”, dice Carlos Alberto dos Santos, del Instituto de Física de la Universidad Federal de Alagoas (IF-Ufal). Al exponer las posibilidades de estudio de la termodinámica de sistemas biológicos, la obra comenzó gradualmente a movilizar a los físicos y biólogos.
En la base Web of Science, el primer trabajo con las palabras quantum biology se remonta a 1956. La producción seguiría siendo pequeña hasta principios de este siglo. El cambio de rumbo sobrevino en 2007, con la publicación del artículo intitulado “Evidence for wavelike energy transfer through quantum coherence in photosynthetic systems”, en la revista Nature. En ese trabajo, un grupo de científicos encabezados por el químico británico Graham Fleming, de la Universidad de California en Berkeley, Estados Unidos, obtuvo pruebas de que las macromoléculas involucradas en la fotosíntesis presentan oscilaciones electrónicas que sólo pueden describirse a través de la física cuántica. Desde entonces, el número de artículos científicos se ha disparado. “Es cierto que el campo de estudios comienza a consolidarse a partir de este período”, añade Dos Santos.
La biología cuántica ha cobrado importancia en el campo de la biomedicina. “El hecho de entender mejor cómo ocurren los fenómenos cuánticos puede impactar e influir en nuestra comprensión de los mecanismos de las enfermedades”, afirma Francisco Laurindo, del Instituto del Corazón de la Facultad de Medicina de la Universidad de São Paulo (InCor-FMUSP), quien ve la posibilidad, de momento todavía teórica, de una integración de conocimientos entre la biología cuántica y la biología redox, un área de estudio ya consolidada y dedicada al estudio de los procesos biológicos que implican reacciones de intercambio de electrones en las biomoléculas de los seres vivos. “Nuestras investigaciones en biomedicina redox se han centrado en el estudio de cómo responden las células vasculares ante distintos tipos de lesiones y cómo los procesos de oxirreducción, es decir, de transferencia de electrones, pueden configurar estos procesos”, explica Laurindo.
Entre las hipótesis aportadas por los preceptos de la biología cuántica se encuentra la que estipula que la alteración del espín –una propiedad intrínseca de las partículas microscópicas, tales como los electrones, protones y átomos– puede estar relacionada con los procesos redox. Laurindo destaca dos hipótesis que surgen de esa perspectiva. La primera está relacionada con los procesos celulares habituales que generan minicampos magnéticos en el interior de la célula y pueden afectar su reacción ante determinados estímulos. En este caso, el fenómeno cuántico sería un mediador de las respuestas celulares. La segunda sería que los campos magnéticos externos, como los que generan las antenas de telefonía, los teléfonos celulares y la televisión, entre otros, podrían interferir en las respuestas adaptativas intracelulares.
Hay instituciones europeas y estadounidenses que ya ofrecen asignaturas que propician la profundización en ese campo. En la Universidad de Surrey, en Inglaterra, por ejemplo, un programa de posgrado en el Leverhulme Quantum Biology Doctoral Training Centre (QB-DTC) permite la formación en temas tales como magnetorrecepción, biofotónica cuántica, tunelaje cuántico en el ADN, efectos cuánticos en la fotosíntesis y decoherencia y ruidos en los sistemas biológicos. En el Center for Quantum Bio-Sciences del Instituto de Física Teórica de la Universidad de Ulm, en Alemania, los estudios de biología cuántica incluyen la fotosíntesis y el transporte de electrones y están entrelazados con las investigaciones sobre las tecnologías cuánticas y la ciencia de la información cuántica, tales como la mecánica estadística cuántica y el procesamiento de señales cuánticas.
En su 12ª edición, la conferencia intitulada Quantum Effects in Biological Systems Workshops (QuEBS) congrega anualmente a los interesados en los estudios de los fenómenos de la mecánica cuántica en sistemas biológicos en áreas tales como física, química, biología, ciencia de materiales y ciencia de la información cuántica. La edición de este año (2020), que estaba prevista para llevarse a cabo en el mes de septiembre, en Grecia, tuvo que ser reprogramada debido a la pandemia de covid-19. Al reunir un promedio de cien investigadores en torno a esos temas, la biología cuántica pone de manifiesto que, aunque pequeña, viene afianzándose como un campo de estudios emergente [1]
Por muchos años, la comunidad científica fue tajante: la biología era una ciencia tan compleja que no tenía nada que ver con el mundo cuántico.
Una idea que hoy es vista como errónea. En realidad, la mecánica cuántica juega un papel tan importante en los procesos biológicos que es vital para la fotosíntesis de las plantas o la respiración celular. A esta rama de la ciencia se le conoce como biología cuántica.
Entenderla abriría las puertas a innumerables respuestas y conocimientos que todavía no manejamos en su totalidad, desde entender cómo funcionan las mutaciones hasta la creación de nuevos medicamentos o mejoras en la computación cuántica.
«En cierta parte estamos resolviendo un misterio importante», le dice a BBC Mundo Vladimiro Mujica, químico de la Universidad Central de Venezuela y doctor en Química Cuántica por la Universidad de Uppsala, Suecia.
Recientemente, la Universidad Estatal de Arizona, donde actualmente trabaja Mujica, recibió una financiación por la Fundación Keck en conjunto con la Universidad de California en Los Ángeles y la Universidad Northwestern en Chicago para estudiar la biología cuántica por los próximos tres años.
La idea es entender lo más posible el alcance de esta rama, que está revolucionando la manera como entendemos la relación entre procesos cuánticos y la vida misma.
La física moderna se nutre principalmente de dos ramas que estudian la relatividad y el mundo cuántico. La primera estudia campos como el movimiento de las galaxias y los planetas; y la segunda los sistemas atómicos y subatómicos que son tan pequeños que no los podemos ver a simple vista. Un mundo gigante y otro diminuto.
El lado obvio es que la química, la biología y la bioquímica son parte de la materia. Y esta materia está conformada por átomos y moléculas. Entonces, si la física cuántica estudia este mundo atómico, estaría describiendo también a la biología.
«Los procesos biológicos son en realidad sistemas cuánticos porque la física (cuántica) describe el comportamiento de la materia a nivel microscópico», explica Mujica. Es una conclusión que se lee de forma muy sencilla. Pero no siempre fue así tan obvio. Hay una razón de peso: en realidad los procesos biológicos son muy complejos. Y los sistemas cuánticos, por otro lado, necesitan de una «estabilidad», algo que los científicos conocen como coherencia de onda.
La conclusión de la comunidad científica era entonces que los procesos biológicos eran tan «ruidosos» que no tenían esta estabilidad. Básicamente, destruían la coherencia. Y era por eso que a lo largo del siglo XX, los científicos separaron la mecánica cuántica de la biología. No le dieron mayor interés.
Pero quizás estaba faltando algo que los científicos no terminaban de entender o que no encajaba del todo. Quizás había un método donde se aplicase todo esto dentro de los procesos biológicos.
Ya se sabe que la materia está conformada por partículas. Algunas son los protones y los neutrones, y otras son conocidas como partículas elementales, como los electrones y fotones.
Estas partículas funcionan a nivel biológico. Por ejemplo, la fotosíntesis de las plantas es impulsada por la transferencia de electrones en las moléculas.
La fotosíntesis es uno de los mejores ejemplos de la física cuántica en procesos biológicos.
Pero aquí hay un problema: cómo viaja este electrón. Si tuviésemos un bombillo, el electrón atravesaría un alambre de cobre que se calienta mucho y hace que «se encienda» la luz. Pero las plantas no tienen este alambre de cobre. De hecho, la biología tiene «pésimos» conductores de energía, en palabras de Mujica, y aumentar la temperatura de forma brusca haría que la célula simplemente muriese.
Entonces el electrón necesitaría ese algo que a los científicos les estaba faltando entender. Un proceso que fuese simple y que no requiriese de mucha energía como para permitirle a la partícula viajar sin matar la célula. Ese proceso de hecho existe, y se llama el efecto túnel.
Un ejemplo: si tenemos una pelota de tenis en un lado de una cancha y tenemos que hacerla pasar hacia el otro lado, bastaría con lanzarla de un extremo al otro.
Pero si la cancha tuviese una pared muy alta en el medio, entonces se tendría que lanzar la pelota muy alto y por encima de la pared o de lo contrario rebotaría. Así es como funciona la física clásica.
Pero es distinto en la física cuántica. Si la pelota de tenis fuese en realidad un electrón, hay una forma de que este pase a través de la pared y no por encima. Y esto ocurre porque las partículas se mueven en forma de onda.
El efecto túnel es como «si abrieras un hueco en la barrera y te colaras por él». Y la ventaja es que es tan sencillo y barato que es el utilizado por los sistemas biológicos para utilizar la menor cantidad de energía posible.
Los científicos llaman a este tipo de eventos» no triviales». Es, básicamente, cómo la mecánica cuántica altera los procesos biológicos.
Pero el efecto túnel no es el único mecanismo cuántico que actúa dentro de los procesos biológicos.
Los hay otros, como la dirección en la que gira la partícula, algo conocido como el espín. Y todos estos efectos actúan de distintas formas en las diferentes etapas de los procesos biológicos.
Por ejemplo, la fotosíntesis consta de tres pasos. El primero es la captura del fotón (la partícula portadora de la radiación electromagnética, como la luz solar) por parte de la planta.
El segundo es cuando los electrones absorben la energía de los fotones y pasan a un estado de mayor energía, viajando por las moléculas y basándose en el efecto túnel.
Finalmente, el electrón es empleado para una reacción química que se traduce en la liberación de oxígeno. Y eso es lo que permite que seres como los humanos podamos respirar. En todo estos pasos, la mecánica cuántica está presente.
Pero ahora imagina que el electrón gira en su propio eje (espín), y este movimiento puede ser hacia la derecha o hacia la izquierda. Dependiendo de la dirección de giro, el electrón pasará o no por el túnel.
Para hacerlo más sencillo, piensa que es como un tornillo, que cuando se inserta en la ranura puede atornillarse únicamente en la dirección correcta. Pero si lo intentas de la otra forma, pues no pasa o lo dañas.
Esto es lo que se conoce como quiralidad, del griego kheir, que significa mano. Cuando un objeto es quiral, tiene otro que es el reflejo, como la mano derecha con la izquierda. Esto quiere decir que el espín va de la mano del quiral.
«Entonces tú ahora tienes un mecanismo privilegiado que protege el transporte electrónico de cualquier ruido externo. Por eso, un efecto que se suponía no iba a ser importante, pues ahora sí lo es», resume Mujica.
Y entender esto es muy importante para la ciencia. Ahora se sabe que el efecto tunel, el espín y la quiralidad están relacionados no solo con la fotosíntesis, sino también con la síntesis de proteínas, la forma cómo los organismos respiramos o la conexión entre neuronas.
Los científicos apenas están intentando entender la verdadera dimensión de la biología cuántica. Al fin y al cabo, fue considerada poco importante por mucho tiempo y no fue sino hasta hace aproximadamente una década que este campo de la ciencia empezó a surgir otra vez.
Una rama que se puede beneficiar es el de la farmacología, donde la quiralidad juega un papel importante.
Otra es la computación cuántica. «En este punto estamos, en el que se está tratando de buscar buenos sistemas para hacer procesamientos cuánticos», dice Mujica. «Ya hay computadores cuánticos, pero son muy limitados. Son juguetes muy avanzados y extremadamente caros» [2]
[1] https://revistapesquisa.fapesp.br/es/La biología cuántica Revista Pesquisa Fapesp
[2] https://www.bbc.com/mundo/Qué es la poco explorada biología cuántica (y cómo puede dar pistas sobre por qué estamos vivos) – BBC News Mundo
