PAPETS: la física cuántica proporciona una visión sorprendente de los procesos biológicos

La física cuántica ayuda a un grupo de investigadores a comprender mejor la fotosíntesis y el olfato.

¿Es posible que algo esté en dos lugares a la vez? Según la física cuántica, así es. En concreto, según el principio de «superposición», es posible afirmar que una partícula se encuentra en dos estados distintos simultáneamente.

Aunque esto pueda sonar a vudú para los legos en la materia, la superposición se basa en ciencia sólida. Los investigadores del proyecto PAPETS estudian este y otros fenómenos en la frontera entre la biología y la física cuántica. Su objetivo es determinar el papel que desempeña la dinámica vibracional en la fotosíntesis y la olfacción.

La «superposición» cuántica hace que la fotosíntesis sea más eficiente

Los efectos cuánticos en un sistema biológico, esto es, en un complejo fotosintético, fueron observados por primera vez por Greg Engel y sus colaboradores en 2007, en Estados Unidos. Estos efectos se reprodujeron en varios laboratorios a una temperatura de unos -193 grados Celsius y posteriormente a temperatura ambiente.

«Lo sorprendente y fascinante es que estos efectos cuánticos se han observado en complejos biológicos, que son sistemas grandes, húmedos y ruidosos», afirma el coordinador del proyecto PAPETS, el Dr. Yasser Omar, investigador del Instituto de Telecomunicações y profesor de la Universidad de Lisboa. «La superposición es frágil y sería de esperar que se destruyese en el entorno».

La superposición contribuye a que el transporte de energía sea más eficiente. Un excitón, una cuasipartícula cuántica que lleva energía, puede viajar más rápidamente por el complejo fotosintético porque puede existir en dos estados a la vez. En cuanto llega a una bifurcación, no necesita decidirse por la izquierda o la derecha. Puede seguir por ambos caminos simultáneamente.

«Es como un laberinto», asegura el Dr. Omar. «Solo una puerta lleva a la salida, pero el excitón puede probar la de la izquierda y la de la derecha a la vez. Es más eficiente».

El Dr. Omar y sus colegas creen que una suma de factores contribuye a efectuar y mantener la superposición, esto es, la dinámica del entorno vibrante, cuyo papel es, precisamente, lo que pretende comprender y aprovechar el proyecto PAPETS.

La teoría y la experimentación se unen

Las teorías estudiadas en el proyecto PAPETS también se están poniendo a prueba experimentalmente con el fin de validarlas y obtener más información. Para estudiar el transporte cuántico en la fotosíntesis, por ejemplo, los investigadores iluminan sistemas biológicos con pulsos láser rápidos. A continuación, observan las interferencias en la red de transporte, indicadoras de fenómenos ondulatorios.

«Es como lanzar guijarros a un lago», explica el Dr. Omar. «Permite ver si las ondas que se generan se hacen mayores o se neutralizan mutuamente cuando se encuentran».

Aplicaciones: celdas solares más eficientes y detección de olores

Aunque PAPETS es, esencialmente, un proyecto de exploración, está generando información que podría tener aplicaciones prácticas. Los investigadores de PAPETS están logrando conocimientos más fundamentales de cómo funciona la fotosíntesis y esto podría dar como resultado el diseño de celdas solares mucho más eficientes.

El olfato, la capacidad para reconocer y distinguir olores, es otra área prometedora. Los experimentos se centran en el comportamiento de las moscas Drosophila. Por el momento, los investigadores sospechan que el efecto túnel de electrones asociado a las vibraciones internas de una molécula puede ser un indicador de olor. El Dr. Omar compara este efecto túnel a una pelota de ping-pong puesta en un cuenco que atravesara la pared del cuenco y apareciera fuera de él.

Este trabajo podría tener aplicaciones en los sectores de la alimentación, el agua, la cosmética o los productos farmacéuticos. La mejora de la detección artificial de olores se podría utilizar, por ejemplo, para detectar impurezas o contaminación.

«A diferencia de lo que sucede con la vista, el oído o el tacto, el sentido del olfato es difícil de reproducir artificialmente con gran eficacia», apunta el Dr. Omar.

El proyecto PAPETS, en el que participan siete socios, está en marcha de septiembre de 2014 a agosto de 2016 y cuenta con una aportación presupuestada de la Unión Europea de 1,8 millones de euros.

(European Commission, CORDIS)