Biología cuántica

Aplicación de la mecánica cuántica y la química teórica a objetos y problemas biológicos.

La biología cuántica es el estudio de aplicaciones de la mecánica cuántica y la química teórica a objetos y problemas biológicos . Muchos procesos biológicos implican la conversión de energía en formas que se pueden utilizar para transformaciones químicas y son de naturaleza mecánica cuántica. Tales procesos involucran reacciones químicas , absorción de luz , formación de estados electrónicos excitados , transferencia de energía de excitación y transferencia de electrones y protones ( iones de hidrógeno ) en procesos químicos, como la fotosíntesis ,olfato y respiración celular . ^[1]

La biología cuántica puede utilizar cálculos para modelar interacciones biológicas a la luz de los efectos de la mecánica cuántica. ^[2] La biología cuántica se ocupa de la influencia de fenómenos cuánticos no triviales, ^[3] que pueden explicarse reduciendo el proceso biológico a la física fundamental , aunque estos efectos son difíciles de estudiar y pueden ser especulativos. ^[4]

Historia

La biología cuántica es un campo emergente; la mayor parte de la investigación actual es teórica y está sujeta a preguntas que requieren mayor experimentación. Aunque el campo ha recibido una gran atención recientemente, los físicos lo han conceptualizado a lo largo del siglo XX. Se ha sugerido que la biología cuántica podría desempeñar un papel fundamental en el futuro del mundo médico. ^{[5] Los} primeros pioneros de la física cuántica vieron aplicaciones de la mecánica cuántica en problemas biológicos. El libro de Erwin Schrödinger de 1944 ¿Qué es la vida? discutió las aplicaciones de la mecánica cuántica en biología. ^[6] Schrödinger introdujo la idea de un "cristal aperiódico" que contenía información genética en su configuración de covalentes.enlaces químicos . Además, sugirió que las mutaciones se introducen mediante "saltos cuánticos". Otros pioneros Niels Bohr , Pascual Jordan y Max Delbruck argumentaron que la idea cuántica de complementariedad era fundamental para las ciencias de la vida. ^[7] En 1963, Per-Olov Löwdin publicó el túnel de protones como otro mecanismo para la mutación del ADN . En su artículo, afirmó que existe un nuevo campo de estudio llamado "biología cuántica". ^[8]

Aplicaciones

Fotosíntesis

Artículo principal: Fotosíntesis

Diagrama del complejo FMO. La luz excita los electrones en una antena. La excitación luego se transfiere a través de varias proteínas en el complejo FMO al centro de reacción para una mayor fotosíntesis.

Los organismos que se someten a la fotosíntesis absorben energía luminosa a través del proceso de excitación de electrones en las antenas. Estas antenas varían entre organismos. Por ejemplo, las bacterias usan antenas en forma de anillo, mientras que las plantas usan pigmentos de clorofila para absorber fotones. La fotosíntesis crea excitones de Frenkel , que proporcionan una separación de carga que las células convierten en energía química utilizable. La energía recolectada en los sitios de reacción debe transferirse rápidamente antes de que se pierda por fluorescencia o movimiento vibratorio térmico.

Varias estructuras, como el complejo FMO en las bacterias verdes de azufre, son responsables de transferir energía desde las antenas a un sitio de reacción. Los estudios de espectroscopia de electrones FT de absorción y transferencia de electrones muestran una eficiencia superior al 99%, ^[9] que no puede explicarse con modelos mecánicos clásicos como el modelo de difusión . En cambio, ya en 1938, los científicos teorizaron que la coherencia cuántica era el mecanismo para la transferencia de energía de excitación.

Los científicos han buscado recientemente evidencia experimental de este mecanismo de transferencia de energía propuesto. Un estudio publicado en 2007 afirmó la identificación de coherencia cuántica electrónica ^[10] a -196 ° C (77 K). Otro estudio teórico de 2010 proporcionó evidencia de que la coherencia cuántica vive hasta 300 femtosegundos a temperaturas biológicamente relevantes (4 ° C o 277 K). En ese mismo año, los experimentos realizados con algas criptofitas fotosintéticas utilizando espectroscopía de eco de fotones bidimensionales arrojaron una confirmación adicional de la coherencia cuántica a largo plazo. ^[11]Estos estudios sugieren que, a través de la evolución, la naturaleza ha desarrollado una forma de proteger la coherencia cuántica para mejorar la eficiencia de la fotosíntesis. Sin embargo, los estudios de seguimiento críticos cuestionan la interpretación de estos resultados. La espectroscopia de molécula única ahora muestra las características cuánticas de la fotosíntesis sin la interferencia del desorden estático, y algunos estudios utilizan este método para asignar firmas informadas de coherencia cuántica electrónica a la dinámica nuclear que ocurre en los cromóforos. ^{[12] [13] [14] [15] [16] [17] [18]}Surgieron una serie de propuestas que intentaban explicar la coherencia inesperadamente larga. Según una propuesta, si cada sitio dentro del complejo siente su propio ruido ambiental, el electrón no permanecerá en ningún mínimo local debido a la coherencia cuántica y al ambiente térmico , sino que procederá al sitio de reacción a través de caminatas cuánticas . ^{[19] [20] [21]} Otra propuesta es que la tasa de coherencia cuántica y el túnel de electrones crean un sumidero de energía que mueve el electrón al sitio de reacción rápidamente. ^[22] Otro trabajo sugirió que las simetrías geométricas en el complejo pueden favorecer la transferencia de energía eficiente al centro de reacción, reflejando la transferencia de estado perfecta en las redes cuánticas. ^[23]Además, los experimentos con moléculas de colorantes artificiales arrojan dudas sobre la interpretación de que los efectos cuánticos duran más de cien femtosegundos. ^[24]

En 2017, el primer experimento de control con la proteína FMO original en condiciones ambientales confirmó que los efectos cuánticos electrónicos se eliminan en 60 femtosegundos, mientras que la transferencia general de excitones lleva un tiempo del orden de unos pocos picosegundos. ^[25] En 2020, una revisión basada en una amplia colección de experimentos y teorías de control concluyó que los efectos cuánticos propuestos como coherencias electrónicas de larga duración en el sistema FMO no se mantienen. ^[26] En cambio, la investigación que investiga la dinámica del transporte sugiere que las interacciones entre los modos de excitación electrónicos y vibracionales en los complejos FMO requieren una explicación semiclásica y semicántica para la transferencia de energía excitónica. En otras palabras, mientras que la coherencia cuántica domina a corto plazo, una descripción clásica es más precisa para describir el comportamiento a largo plazo de los excitones. ^[27]

Otro proceso en la fotosíntesis que tiene una eficiencia de casi el 100% es la transferencia de carga , lo que sugiere nuevamente que están en juego fenómenos de la mecánica cuántica. ^[18] En 1966, un estudio sobre la bacteria fotosintética Chromatium encontró que a temperaturas por debajo de 100 K, la oxidación del citocromo es independiente de la temperatura, lenta (del orden de milisegundos) y muy baja en energía de activación. Los autores, Don DeVault y Britton Chase, postularon que estas características de la transferencia de electrones son indicativas de un túnel cuántico , mediante el cual los electrones penetran una barrera potencial a pesar de poseer menos energía de la que es clásicamente necesaria. ^[28]

Seth Lloyd también se destaca por sus contribuciones a esta área de investigación.

Mutación del ADN

El ácido desoxirribonucleico, ADN , actúa como instrucciones para producir proteínas en todo el cuerpo. Consta de 4 nucleótidos guanina, timina, citosina y adenina. ^[29] El orden de estos nucleótidos da la "receta" para las diferentes proteínas.

Siempre que una célula se reproduce, debe copiar estas hebras de ADN. Sin embargo, a veces, durante el proceso de copia de la hebra de ADN, puede ocurrir una mutación o un error en el código de ADN. Una teoría del razonamiento detrás de la mutación del ADN se explica en el modelo de mutación del ADN de Lowdin. ^[30] En este modelo, un nucleótido puede cambiar su forma a través de un proceso de tunelización cuántica . ^[31] Debido a esto, el nucleótido modificado perderá su capacidad de emparejarse con su par de bases original y, en consecuencia, cambiará la estructura y el orden de la cadena de ADN.

La exposición a luces ultravioleta y otros tipos de radiación puede causar mutaciones y daños en el ADN. Las radiaciones también pueden modificar los enlaces a lo largo de la hebra de ADN en las pirimidinas y hacer que se unan a sí mismas creando un dímero. ^[32]

En muchos procariotas y plantas, estos enlaces se reparan a su forma original mediante una enzima fotoliasa reparadora del ADN. Como indica su prefijo, la fotoliasa depende de la luz para reparar la hebra. Photolyase trabaja con su cofactor FADH , flavina adenina dinucleótido, mientras repara el ADN. La fotoliasa es excitada por la luz visible y transfiere un electrón al cofactor FADH-. FADH- ahora en posesión de un electrón extra le da el electrón al dímero para romper el enlace y reparar el ADN. Esta transferencia del electrón se realiza a través del túnel del electrón desde el FADH al dímero.. Aunque el rango de la tunelización es mucho mayor de lo que es factible en el vacío, se dice que la tunelización en este escenario es una "tunelización mediada por superecambio" y es posible debido a la capacidad de la proteína para aumentar las tasas de tunelización del electrón. ^[30]

Teoría de la vibración del olfato

El olfato, el sentido del olfato, se puede dividir en dos partes; la recepción y detección de una sustancia química, y cómo esa detección es enviada y procesada por el cerebro. Este proceso de detección de un olor aún está en duda. Una teoría llamada " teoría de la forma del olfato " sugiere que ciertos receptores olfativos son activados por ciertas formas de sustancias químicas y esos receptores envían un mensaje específico al cerebro. ^[33] Otra teoría (basada en fenómenos cuánticos) sugiere que los receptores olfativos detectan la vibración de las moléculas que los alcanzan y el "olor" se debe a diferentes frecuencias vibratorias, esta teoría se llama acertadamente la "teoría vibratoria del olfato".

La teoría vibratoria del olfato , creada en 1938 por Malcolm Dyson ^[34] pero revitalizada por Luca Turin en 1996, ^[35] propone que el mecanismo del sentido del olfato se debe a los receptores de proteína G que detectan vibraciones moleculares debidas a electrones inelásticos. tunelización, tunelización donde el electrón pierde energía, a través de moléculas. ^[35] En este proceso, una molécula llenaría un sitio de unión con una proteína Greceptor. Después de la unión de la sustancia química al receptor, la sustancia química actuaría como un puente que permitiría que el electrón se transfiriera a través de la proteína. A medida que el electrón se transfiere, eso normalmente sería una barrera para los electrones y perdería su energía debido a la vibración de la molécula unida recientemente al receptor, lo que daría como resultado la capacidad de oler la molécula. (Esta "oración" no tiene sujeto; alguien, por favor, corrija esta cláusula). ^{[35] [36]}

Si bien la teoría de la vibración tiene alguna prueba de concepto experimental, ^{[37] [38]} ha habido múltiples resultados controvertidos en experimentos. En algunos experimentos, los animales pueden distinguir olores entre moléculas de diferentes frecuencias y la misma estructura, ^[39] mientras que otros experimentos muestran que las personas no son conscientes de distinguir los olores debido a distintas frecuencias moleculares. ^[40] Sin embargo, no ha sido refutado, e incluso se ha demostrado que tiene un efecto en el olfato de otros animales además de los humanos, como moscas, abejas y peces. ^{[ cita requerida ]}

Visión

Artículo principal: Fototransducción visual

La visión se basa en la energía cuantificada para convertir las señales de luz en un potencial de acción en un proceso llamado fototransducción . En la fototransducción, un fotón interactúa con un cromóforo en un receptor de luz. El cromóforo absorbe el fotón y sufre una fotoisomerización . Este cambio en la estructura induce un cambio en la estructura del fotorreceptor y las vías de transducción de señales resultantes conducen a una señal visual. Sin embargo, la reacción de fotoisomerización ocurre a una velocidad rápida, en menos de 200 femtosegundos , ^[41] con un alto rendimiento. Los modelos sugieren el uso de efectos cuánticos para dar forma al estado fundamental y al estado excitado.potenciales para lograr esta eficiencia. ^[42]

Implicaciones de la visión cuántica

Los experimentos han demostrado que los sensores de la retina del ojo humano son lo suficientemente sensibles como para detectar un solo fotón. ^[43] La detección de un solo fotón podría dar lugar a múltiples tecnologías diferentes. Un área de desarrollo es la comunicación cuántica y la criptografía . La idea es usar un sistema biométrico para medir el ojo usando solo una pequeña cantidad de puntos a través de la retina con destellos aleatorios de fotones que "leen" la retina e identifican al individuo. ^[44]Este sistema biométrico solo permitiría a una determinada persona con un mapa retiniano específico decodificar el mensaje. Este mensaje no puede ser decodificado por nadie más a menos que el interlocutor adivine el mapa correcto o pueda leer la retina del destinatario del mensaje. ^[45]

Actividad enzimática (bioquímica cuántica)

Las enzimas pueden utilizar el túnel cuántico para transferir electrones a largas distancias. Es posible que la arquitectura cuaternaria de proteínas haya evolucionado para permitir el entrelazamiento cuántico sostenido y la coherencia. ^[46] Más específicamente, pueden aumentar el porcentaje de la reacción que ocurre a través del túnel de hidrógeno. ^{[47] La} construcción de túneles se refiere a la capacidad de una partícula de masa pequeña para viajar a través de barreras de energía. Esta capacidad se debe al principio de complementariedad , que sostiene que ciertos objetos tienen pares de propiedades que no pueden medirse por separado sin cambiar el resultado de la medición. Los electrones tienen ondas y partículas.propiedades, por lo que pueden atravesar barreras físicas como una onda sin violar las leyes de la física. Los estudios muestran que las transferencias de electrones a larga distancia entre los centros redox a través del túnel cuántico desempeñan un papel importante en la actividad enzimática de la fotosíntesis y la respiración celular . ^{[48] [49]} Por ejemplo, los estudios muestran que el túnel de electrones de largo alcance del orden de 15-30 Å juega un papel en las reacciones redox en las enzimas de la respiración celular. ^[50]Sin el túnel cuántico, los organismos no podrían convertir la energía con la suficiente rapidez para mantener el crecimiento. Aunque existen separaciones tan grandes entre los sitios redox dentro de las enzimas, los electrones se transfieren con éxito de una manera generalmente independiente de la temperatura (aparte de las condiciones extremas) y dependiente de la distancia. ^[47] Esto sugiere la capacidad de los electrones para hacer un túnel en condiciones fisiológicas. Se necesita más investigación para determinar si este túnel específico también es coherente .

Magnetorecepción

Artículo principal: Magnetorecepción

La magnetorrecepción se refiere a la capacidad de los animales para navegar utilizando la inclinación del campo magnético de la tierra. ^[51] Una posible explicación para la magnetorrecepción es el mecanismo de pares de radicales entrelazados . ^{[52] [53]} El mecanismo de pares de radicales está bien establecido en la química de espín , ^{[54] [55] [56]} y se especuló que se aplicaría a la magnetorrecepción en 1978 por Schulten et al .. La relación entre pares singlete y triplete se cambia por la interacción de pares de electrones entrelazados con el campo magnético de la tierra. ^[57] En 2000, criptocromofue propuesto como la "molécula magnética" que podría albergar pares de radicales magnéticamente sensibles. El criptocromo, una flavoproteína que se encuentra en los ojos de los petirrojos europeos y otras especies animales, es la única proteína conocida por formar pares de radicales fotoinducidos en los animales. ^[51] Cuando interactúa con partículas ligeras, el criptocromo pasa por una reacción redox , que produce pares de radicales tanto durante la foto-reducción como durante la oxidación. La función del criptocromo es diversa entre especies, sin embargo, la fotoinducción de pares de radicales se produce por exposición a la luz azul, que excita un electrón en un cromóforo . ^[57] La magnetorrecepción también es posible en la oscuridad, por lo que el mecanismo debe depender más de los pares de radicales generados durante la oxidación independiente de la luz.

Los experimentos en el laboratorio apoyan la teoría básica de que los electrones de pares de radicales pueden verse significativamente influenciados por campos magnéticos muy débiles, es decir, simplemente la dirección de los campos magnéticos débiles puede afectar la reactividad de los pares de radicales y, por lo tanto, pueden "catalizar" la formación de productos químicos. Si este mecanismo se aplica a la magnetorrecepción y / o la biología cuántica, es decir, si el campo magnético de la tierra "cataliza" la formación de productos bioquímicos con la ayuda de pares de radicales, no está determinado por dos razones. La primera es que los pares de radicales no necesitan estar entrelazados, la clave cuánticacaracterística del mecanismo de par de radicales, para desempeñar un papel en estos procesos. Hay pares de radicales entrelazados y no entrelazados. Sin embargo, los investigadores encontraron evidencia del mecanismo de magnetorrecepción de pares de radicales cuando los petirrojos europeos, las cucarachas y las currucas de jardín ya no podían navegar cuando se exponen a una radiofrecuencia que obstruye los campos magnéticos ^[51] y la química de los pares de radicales. Para sugerir empíricamente la implicación del entrelazamiento, sería necesario diseñar un experimento que pudiera alterar los pares de radicales entrelazados sin alterar a otros pares de radicales, o viceversa, lo que primero debería demostrarse en un laboratorio antes de ser aplicado in vivo. pares de radicales.

Otras aplicaciones biológicas

Otros ejemplos de fenómenos cuánticos en sistemas biológicos incluyen la conversión de energía química en movimiento ^[58] y motores brownianos en muchos procesos celulares. ^[59]

Homing biológico.

El homing biológico es una teoría de que existe una fuerza mecánica cuántica de largo alcance entre pares complementarios de moléculas biológicas (60 Meggs WJ. Homing biológico: hipótesis de un efecto cuántico que conduce a la existencia de vida.  Medical Hypotheses 1998; 51: 503.506.

). Ejemplos de pares complementarios de moléculas biológicas son enzimas y sustratos, hormonas y receptores, y anticuerpos y proteínas de superficie en microorganismos. Se ha dado una demostración si las moléculas complementarias tienen distribuciones de carga idénticas, pero con cargas positivas y negativas invertidas en las dos moléculas, la probabilidad de interacción cuántica es proporcional al cuadrado del número de cargas.

Referencias

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enlaces externos

• Philip Ball (2015). "Biología cuántica: una introducción". La Institución Real
• La biología cuántica y la naturaleza oculta de la naturaleza, World Science Festival 2012, video de la discusión en el podio
• Taller de biología cuántica, septiembre de 2012, Universidad de Surrey, Reino Unido: vídeos de las charlas plenarias y entrevistas con los participantes