Que hay muchas cosas que no se conocen ni se comprenden como el origen y el desarrollo de la vida es cosa sabida, pero el afán de comprender la realidad no cesa como si fuéramos la consciencia del universo.
Pero ahí hay un misterio aún sin resolver: ¿cómo se acuerda esa espina que la señal que ha recibido merece la pena de ser recordada?¿Cómo consigue mantener ese estado potenciado durante horas o incluso años cuando las proteínas que la componen se reciclan continuamente en cuestión de segundos o minutos?¿Quién recuerda los recuerdos en realidad? Bueno, en eso estamos...Modificando genéticamente las proteínas neuronales podemos ver cómo viajan de un lugar a otro en los primeros minutos de la formación de la memoria o cómo flotan frenéticamente en la membrana neuronal mientras tiene lugar la descarga eléctrica. Esto lo hacemos marcándolas con proteínas fluorescentes extraídas de las medusas o bien enganchándolas a pedruscos nanoscópicos luminosos de múltiples colores. Todo esto nos puede llevar a entender un poco más el oscuro funcionamiento de la memoria y el aprendizaje, y aportar soluciones a los casos donde éstos fallan, como en el Alzheimer o el retraso mental.
En este año Darwiniano en muchos aspectos, se hace cada vez más evidente la necesidad de la unicidad del conocimiento, se quiere decir con esto la tendencia al ensamblaje de las diferentes disciplinas de la ciencia, física, biología, neurociencia, química, ciencias política, economía, finanzas, etc.
Se presenta a continuación un articulo del físico y astro biólogo Paúl Davies de la Arizona State University (EEUU) en que se presentan algunos aspectos de la relación entre mecánica quántica y la biología que culmina con una interesante especulación acerca de lo que él llama Q-Vida (Q-LIFE) que deja la puerta abierta a otras tantas y muy interesantes especulaciones.
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el entrelazamiento cuántico
Imagínate un par de electrones como si fueran dos monedas idénticas en las que una marca cara y la otra cruz.
Ahora imagínate que ambas monedas poseen esta peculiar propiedad: van alternando cara y cruz a su aire, pero nunca están ambas en la misma posición. Forman parte de un mismo orbital atómico, y por algo llamado principio de exclusión de Pauli, siempre que una esté en cara, la otra marcará cruz. Si yo voy y giro una, la otra se girará automáticamente a la posición opuesta. Espera, no te vayas, continúa leyendo, valdrá la pena lo prometo. Te voy a explicar uno de los fenómenos más inverosímiles de la naturaleza.
Estábamos con esas monedas-electrones que van cambiando constantemente entre cara y cruz, pero que de alguna manera están entrelazadas: Según las leyes de la cuántica, nunca pueden estar ambas en cara o en cruz a la vez. Es físicamente imposible.
Imaginemos un poco más: Coges con delicadez ambas monedas-electrones, las metes en sendas cajitas sin mirar todavía qué marca cada una, y sin romper su entrelazamiento cuántico te las llevas una a Nueva York y la otra a Bangkok. ¿Qué tendrás entonces? Dos monedas, una en NY y la otra en Bangkok, que en teoría van pasando de una posición a otra, pero continúan conectadas entre ellas. Si en un momento determinado abres la caja de Nueva York y ves la moneda en cruz, la de Bangkok se paraliza de golpe en cara. Y si hubieras abierto la misma caja unos milisegundos más tarde y te hubiera salido cara, la otra se habría colapsado en cruz inmediatamente (recalquemos el inmediatamente). Esto, en teoría cuántica. A la práctica… ¿creéis que esto podría llegar a suceder?
Vayamos ahora a ese apasionante primer tercio del siglo XX, en el que la relatividad de Einstein y la mecánica cuántica competían para ver quien explicaba mejor la realidad del mundo que nos contiene.
Einstein no se tragaba algunas de las asunciones de la cuántica, sobre todo ese principio de indeterminación de un tal Heisenberg, según el cual en el mundo subatómico no había certezas y resultaba físicamente imposible conocer la posición y movimiento exactos de una partícula en un instante determinado. O esas atroces ecuaciones de su estrambótico colega Schrödinger, implicando que las partículas estaban dispersas en varios lugares a la vez y su estado sólo quedaba definido en el momento que alguien las observaba. "¡Claro que estaban definidas! ", pensaba Einstein, "y si la cuántica tenía indeterminaciones, debía ser porque todavía no estaba desarrollada del todo…". Y para demostrarlo, en 1935 Einstein propuso junto con Podolsky y Rosen el experimento mental EPR, que reflejaba una situación análoga a las cajitas con monedas cara – cruz separadas miles de kilómetros de distancia.
En resumidas cuentas, lo que venía a decir Einstein era que si al abrir la caja de Nueva York ves a la moneda en cara, y de golpe la de Bangkok aparece en cruz, será que… ¡siempre habían sido cara y cruz respectivamente!!! ¿Qué historia era esa de que las partículas van cambiando de estado y comunicándose misteriosamente? Si al abrir la caja te hubiera salido cruz, pues esa moneda contenía la propiedad cruz. Y la otra cara. Y punto. ¿Por qué lo tenía tan claro Einstein? Porque siendo de otra manera se rompía un principio fundamental de las leyes de la naturaleza: "Si con la paradoja EPR coges dos partículas entrelazadas cuánticamente y te llevas una al otro extremo del sistema solar… físicos cuánticos locos; ¿me estáis diciendo que al observar una colapso inmediatamente la otra? Imposible! ¿pero no os dais cuenta que esto es una barbaridad?". Este inmediatamente rompe con el principio relativista de que nada puede viajar más rápido que la luz. Ni siquiera la información. "¿O acaso tenéis alguna explicación coherente al experimento EPR?", planteaba Einstein. En realidad, no la tenían. A lo único que podían aferrarse Schrödinger y Heisenberg era a sus ecuaciones matemáticas. La lógica en este caso estaba de parte de Einstein: Si le dices a un tipo en Bangkok que abra una caja y ve una moneda en cruz, no le hagas creer que segundos antes era cara. Bueno… eso quizás podría ser… pero lo que no cuela de ninguna manera es que otra moneda en New York vaya cambiando simultáneamente con la primera.
Lógico el planteamiento de Einstein, no?... Ja! Muerte a la lógica!!! Que le den al sentido común!!! Viva ciencia!!! Por muy inverosímil que os parezca, los físicos cuánticos tenían razón!!! Einstein andaba equivocado, y se hubiera comido su paradoja EPR si hubiera vivido más tiempo.
En 1964 el irlandés John Bell publicó un teorema que escondía un posible experimento para poner a prueba la paradoja EPR, y comprobar si la información podía viajar de manera inmediata entre dos partículas entrelazadas cuánticamente. Bell construyó su teorema con la idea de dar la razón a Einstein, y probar que dos partículas no podían estar correlacionadas hasta el grado que aseguraba la cuántica. Bell no llegó a realizar su experimento, pero en 1982 sí pudo hacerlo el francés Alain Aspect. ¿Y sabéis qué? Exacto!!! Contrariamente a lo que Bell y Einstein suponían, cuando por fin se pudo realizar el experimento EPR, quedó demostrado que dos fotones entrelazados cuánticamente sí podían comunicarse sus propiedades de manera instantánea a pesar de estar separados largas distancias. La paradoja EPR dio la razón a la cuántica, demostrando de nuevo que la realidad es más insólita de lo que podemos llegar a imaginar: Si tienes dos electrones entrelazados uno en NY y el otro en Bangkok, y al mirar a uno ves que es cara, el otro inmediatamente será cruz. Y si te hubieras esperado unos instantes y hubiera salido cruz, el otro sería cara. Fantástico!
Ah!, y no hay truco. Esto se ha corroborado en muchísimas otras ocasiones.
Si te sientes incrédulo, perplejo, piensá que algo no encaja, o creéis que no has terminado de entender el fenómeno en profundidad… no te preocupes; a la mayoría de físicos también les ocurre.
Quizás por eso, mientras unos intentan aprovechar las propiedades de este misterioso entrelazamiento cuántico en criptografía, computación cuántica, o teletransportación, otros nos quedamos simplemente ensimismados con las fabulosas elucubraciones filosóficas que el entanglement implica sobre la estructura de la naturaleza, fascinados con las viejas-nuevas historias, y expectantes de qué nuevas sorpresas nos irá deparando esta maravilla que es la comprensión científica del mundo.
La idea de que la mecánica cuántica puede explicar muchos aspectos fundamentales de la vida está resurgiendo, como lo revela Paul Davies.
Mecánica Quántica y Biología
Para un físico, la vida parece poco menos que milagrosa – ¡todos esos estúpidos átomos reuniéndose para la realización de esos ingeniosos trucos! Durante siglos, los organismos vivos fueron considerados como una especie de materia mágica. Hoy en día, que ninguna "fuerza vital" trabaja en biología; solo hay materia ordinaria haciendo cosas extraordinarias, todo el tiempo obedeciendo las leyes de la física familiar sabemos. ¿Cuál es entonces el secreto de las notables propiedades de la vida?
LA VIDA QUANTICA
A finales de los años 1940 y 1950 estaba de moda suponer que la mecánica cuántica – o tal vez algo pronto a ser formulado como " mecánica post-cuántica" – asía la clave del misterio de la vida. Empapados con su éxito en la explicación de las propiedades de la materia no viva, los fundadores de la mecánica cuántica esperaban que su teoría era bastante especial y lo suficientemente potente como para explicar la peculiar situación la materia viviente también. , published in 1944, paved the way for the birth of molecular biology in the 1950s. Niels Bohr, Werner Heisenberg y Eugene Wigner ofrecieron todos especulaciones, mientras que Erwin Schrödinger en el famoso libro ¿Qué es la Vida?, publicado en 1944, allanó el camino para el nacimiento de la biología molecular en la década de 1950.
Medio siglo más tarde, el sueño de que la mecánica cuántica podría explicar de algún modo la vida "de un plumazo" – como ha explicado otros estados de la materia tan claramente y de forma global – no se ha cumplido. Sin duda, la mecánica cuántica es necesaria para explicar las formas y tamaños de las moléculas y los detalles de su enlace químico, pero no ha emergido un corte claro del "principio de la vida" de la realidad cuántica de ninguna manera especial. Además, los modelos clásicos de bola y bastón (classical ball-and-stick models) parecieron suficientes para la mayoría de las explicaciones de la biología molecular.
PROTEINA TRAMPOSA
A pesar de ello, han habido persistentes alegaciones de que la mecánica cuántica puede desempeñar un papel fundamental en la biología, por ejemplo a través de superposiciones coherentes y entrelazamientos. Estas afirmaciones van desde ideas plausibles, como el plegado cuántico-asistido de proteínas, a sugerencias más especulativas, tales como la propuesta por Roger Penrose de la Universidad de Oxford y Stuart Hameroff de la Universidad de Arizona que explica la auto conciencia con la mecánica cuántica operando en el cerebro en dimensiones macroscópicas. Lamentablemente, los sistemas biológicos son tan complejos que es difícil separar los efectos cuánticos "puros" de procesos de variaciones esencialmente clásicos que también están presentes. Por lo tanto, hay mucho margen para el desacuerdo sobre la medida en que la vida utiliza procesos cuánticos no triviales.
Pero, ¿por qué la mecánica cuántica debe ser pertinente a la vida, más allá de explicar la estructura básica y la interacción de las moléculas? One general argument is that quantum effects can serve to facilitate processes that are either slow or impossible according to classical physics. Un argumento general es que los efectos cuánticos pueden servir para facilitar los procesos que son lentos o imposibles según la física clásica. Los físicos están familiarizados con el hecho de que la discreteness, los túneles cuánticos, las superposiciones y los entrelazamientos producen nuevos e inesperados fenómenos. Life has had three and a half billion years to solve problems and optimize efficiency. La vida ha tenido tres y medio millones de años para resolver problemas y optimizar la eficiencia. Si la mecánica cuántica puede mejorar su rendimiento, o abrir nuevas posibilidades, es probable que la vida halla descubierto el hecho y explotado las oportunidades. Dado que los procesos básicos de la biología se realizan a nivel molecular, el aprovechamiento de los efectos cuánticos no parecen a priori implausible.
Incluso si la vida no explota activamente los "engaños quánticos ", no podemos ignorar el impacto de la mecánica cuántica en la biología. La incertidumbre cuántica esta fundamentalmente vinculada a la fidelidad de todos los procesos moleculares. Una característica distintiva de la biología es la exquisita coreografía que participan en su muy complejas auto-organización y auto-ensamblaje molecular. La célula para que funcione correctamente, es crítico que las partes correctas estén en el lugar correcto en el momento correcto. La mecánica cuántica establece límites fundamentales a la precisión con que las moléculas pueden cooperar en una forma colectiva y organizada.
Podemos esperar que algunos de los procesos de la vida evolucionen por lo menos en el "borde cuántico ", donde hay un fuerte compromiso entre velocidad y precisión.
El siglo 19 vio la vida como una "cuestión de magia", ejemplificada por el uso del término "química orgánica", que ha sido sustituido por un modelo de la célula vista como un sistema complejo de nanomáquinas relacionados que operan bajo el control de los programas informáticos digitales codificados en ADN. Estos componentes Liliputenses, hechos principalmente de proteínas, incluyen bombas, rotores, ratchets, cables, palancas, sensores y otros mecanismos conocidos por el físico e ingeniero. Su exquisito diseño, afilado por eones de la evolución, exhiben extraordinaria eficiencia y versatilidad, y es una inspiración para nanotecnólogos intuición adquirida a partir de mecanismos macroscópicos y mesoscópicos que pueden inducir a error en una escala nanométrica, donde los fenómenos cuánticos, como el efecto Casimir podría entrar en juego y cambiar radicalmente la naturaleza de las fuerzas involucradas.
Primeras especulaciones
Una primera idea acerca de los efectos cuánticos en biología fue propuesta por el Herbert Fröhlich de la Universidad de Liverpool, que en 1968 sugirió que los modos de vibración de las membranas de la célula podría exponer el fenómeno del condensado de Bose-Einstein, en el que muchos cuantos se resuelven en un único estado cuántico con coherencia de largo alcance. Los condensados de Bose-Einstein se asocian normalmente a temperaturas muy bajas, Fröhlich propuso que acoplamientos no lineales entre una colección de osciladores dipolo excitados por un entorno térmico podría frecuentemente generar un canal único y coherente de energía, incluso a temperaturas biológicas. Las ventajas exactas que podría obtener un organismo de este modo de almacenamiento de energía no son claras, aunque tal vez podría ser utilizado para el control de reacciones químicas.
La base genética de la vida está escrita en las cuatro letras del alfabeto de los nucleótidos A, G, C y T que se parean para hacer los peldaños de la estructura en escalera retorcida del ADN. Lo normal es que la asignación de pares sea tal que T pareada con la A y G pareada con C, los pares se mantienen unidos por dos o tres enlaces de hidrógeno, respectivamente. Sin embargo, la base de nucleótidos también puede existir en alternativa, en forma químicamente relacionada, conocida como tautómero, de acuerdo con la posición de un protón. La mecánica cuántica predice que un protón puede actuar según efecto túnel atravesando la barrera potencial que separa ambos estados con una probabilidad finita potencial, lo que lleva a un des apareamiento, por ejemplo, de T pareado con G en lugar de A. Las mutaciones son las conductoras de la evolución, de manera limitada en este sentido, la mecánica quántica es sin duda un factor contribuyente al cambio evolutivo. El físico Johnjoe McFadden de la Universidad de Surrey se ha basado en este proceso para sugerir un modelo cuántico de adaptación, en el cual bacterias estresadas ambientalmente parecen se capaces de seleccionar mutaciones favorables que aumentan su supervivencia.
Otro ejemplo de efecto túnel cuántico con relevancia biológica se refiere a la química de las proteínas – las moléculas grandes que se doblan en formas complejas en 3D (tres dimensiones). Algunas proteínas contienen sitios activos que enlazan al hidrógeno, y para llegar a esos sitios, el átomo de hidrógeno tiene que elaborar y negociar un cambio en el paisaje de energía potencial. La tunelización cuántica puede acelerar este proceso. Estudiar la importancia de túneles podría ser muy difícil, porque se producen interacciones complejas mientras la molécula de proteína se agita alrededor y cambia de forma como consecuencia de la agitación térmica. Un enfoque adoptado por el químico Judith Klinman de la Universidad de California, Berkeley, es trabajar con el deuterio en lugar de hidrógeno. Como el deuterón es groseramente dos veces más pesado que el protón, al usarlo se hace una gran diferencia en la tasa de ocurrencia de túneles. La comparación de la relación de las tasas de reacción de hidrógeno y deuterio comprende un amplio rango de temperatura, por lo tanto, ha permitido a los experimentadores separar los la importancia relativa de los efectos cuánticos. Los resultados parecen confirmar que la cuantía de túneles es realmente significativa, lo que plantea la fascinante cuestión de si algunas proteínas han evolucionado para tomar ventaja de esto, haciendo de ellas "realzadoras de túneles". . En la evolución, incluso una pequeña ventaja en la velocidad o la precisión, pueden impulsar en un éxito abrumador, ya que la selección natural exponencian la proporción relativa de los ganadores durante muchas generaciones.
La fotosíntesis y la ornitología
Aunque los ejemplos anteriores han estado en la literatura desde hace muchos años, no han conducido a una aceptación generalizada de que la física cuántica es importante para la biología.Sin embargo, el tema es lo suficientemente rico que he tenido todo un taller sobre biología cuántica en el Centro Beyond de Conceptos Fundamentales de la Ciencia en la Universidad Estatal de Arizona en diciembre de 2007, que fue seguido por otro, organizado por los físicos Vlatko Vedral y Elisabeth Rieper en la Universidad Nacional de Singapur en enero de 2009. Este aluvión de actividad fue impulsado por dos nuevas y más bien dramáticas evoluciones experimentales.
El primero de ellos involucra un estudio de la fotosíntesis por el químico de Berkeley Graham Fleming y su grupo. La fotosíntesis es mecanismo muy complicado y sofisticado de la luz que cosecha la energía de la luz para dividir el agua mediante el uso de fotones individuales para crear una cascada de reacciones. El proceso es extraordinariamente eficaz, y representa un ejemplo clásico de cómo la evolución ha sintonizado finamente el diseño de un sistema físico apara alcanzar un rendimiento casi óptimo
El principal receptor de la energía de la luz es un complejo de moléculas pigmentadas conocido como cromóforos. These can become excited and pass on the energy of excitation in a multistage process to the final reaction centre where charge separation occurs. Estos pueden ser excitados y transmitir la energía en un proceso multi etapas hasta el centro de reacción final donde se produce separación de cargas. Debido a que la longitud de onda del fotón es mucho mayor que el ensamblaje molecular, inicialmente es creado un estado de superposición de muchas moléculas pigmentadas excitadas, y este procede a evolucionar en un plazo de algunos cientos de femtosegundos. Fleming y su grupo utilizó excitación láser y pulsos de prueba para estudiar las trayectorias de relajación de esos cosechadores de luz complejos, y observó que un tipo de efecto "golpes cuánticos" en el que la máxima amplitud de la excitación visita y revisita coherentemente diferentes moléculas en el sistema. Fleming afirma que, con el debido manejo de los tiempos (timing), el sistema puede "capturar" la excitación coherente (que persiste durante unos pocos cientos de femtosegundos) con una mayor probabilidad de que si estuviera distribuida de acuerdo a la mecánica estadística clásica. En su opinión, esto podría conducir a un aumento de varias-veces la velocidad de la transferencia de energía. Los resultados han sido complementados por la labor de Elisabetta Collini y Gregory Scholes en la Universidad de Toronto, quienes demostraron una coherencia a temperatura ambiente en transferencia en electrones excitados a lo largo de las cadenas de polímeros. Una característica importante de la fotosíntesis es que la arquitectura molecular de que se trata es estructurada de una manera altamente inusual y compacta, lo que sugiere que se ha "personalizado" para explotar a largo plazo los efectos cuánticos. Podría ser que la configuración sea eficiente para preservar coherencia de sorprendentemente larga duración, lo que permite al sistema "explorar" muchos caminos al mismo tiempo y, por tanto, acelerar una "solución" (es decir, la entrega de energía a la reacción del centro)
TRAYECTORIA DE VUELO
El segundo reciente desarrollo que sugiere que la física cuántica es relevante para la biología concierne a la navegación de las aves. Es bien sabido que algunas aves realizan increíbles hazañas de navegación utilizando una variedad de señales que incluyen la dirección del campo magnético terrestre. La naturaleza de este sensor magnético, sin embargo, sigue siendo un misterio y el problema es especialmente agudo debido a que el campo magnético penetra en el organismo completo. Nacional de Singapur ha realizado un caso plausible, al menos para el petirrojo, en que la clave reside en una clase de proteínas encontrada se encuentra en la retina del ave.
El mecanismo actualmente en fase de investigación hace llamado a la foto-activación por encima del fondo térmico de una matriz 2D de proteínas alineadas, que producen pares de iones radicales que involucra un singlete de electrónes de dos-estados. .Los giros (spin) de estos electrones entrelazados están vinculados entre sí, y en presencia de un campo magnético uniforme se precederían en sincronía, manteniendo la configuración singlete. Sin embargo, si un electrón eyectado se aleja un poco, los dos electrones pueden experimentar diferentes ambientes magnéticos. Aunque los dos electrones se someterán al mismo ambiente de campo de la Tierra, el electrón vinculado al Ion en la proteína será también afectado por campo magnético del núcleo del Ion, lo que produce una perturbación hiper fina. Esta diferencia en los campos magnéticos que experimentan los electrones entrelazados causa que el estado singlet comienza a oscilar con un triplet, con una periodicidad que dependerá en parte de la intensidad y la orientación del campo de la Tierra relativo a la matriz de las proteínas. El sistema puede entonces excitarse en etapas e iniciar una reacción que, en efecto, actúa como una brújula química, porque la proporción relativa de los productos de la reacción puede depender de frecuencia de oscilación en el singlet-triplet.
Siguen habiendo grandes incertidumbres tanto sobre el mecanismo y la identidad precisa de las moléculas implicadas. Sin embargo, en general las pruebas en favor de alguna forma de modelo quántico provienen de experimentos realizados por Wolfgang y Roswitha Wiltschko de la Universidad de Frankfurt, que estudió el comportamiento de los petirrojos, en presencia de un pequeño campo magnético oscilante. Encontraron que para las frecuencias cerca de 1,315 MHz, las cacareadas proezas de navegación de los pájaros se ven seriamente comprometidas. Una posible interpretación de los experimentos es que el campo perturbador produce una "resonancia", causando transiciones singlete-triplete, con lo que se altera el producto químico brújula.
¿Cómo evitar la decoherencia?
Aunque al menos algunos de estos ejemplos se sumen como un caso prima facie del papel que la mecánica cuántica desempeña en la biología, todos confrontan un problema grave y fundamental. Efectos como la coherencia, el entrelazamiento y la superposición pueden mantenerse sólo si el sistema cuántico evita la decoherencia causada por las interacciones con su entorno. En presencia de ruido ambiental, las delicadas relaciones de fase que caracterizan a los efectos cuánticos devienen perturbadas, convirtiendo estados cuánticos puros en mezclas y en efecto provocando transición de una característica de comportamiento cuántico a uno clásico. Sólo mientras la decoherencia se pueda mantener a raya los efectos cuánticos persisten explícitamente. Las reivindicaciones de biología cuántica por lo tanto, se sostienen o caen en la precisa escala de tiempo de la decoherencia. Si un sistema deviene decoherente demasiado rápido, entonces devendrá clásico antes que nada de interés bioquímico o biológico pase.
En los últimos años, se ha prestado mucha atención a la decoherencia, y su evasión, por los físicos que trabajan en el floreciente campo de la computación cuántica y la ciencia de información-cuántica. Un computador cuántico es una forma de procesar la información de manera más eficiente que lo que hace uno basado en la física clásica, permitiendo mediante el uso de estados cuánticos, que estarían autorizados para realizar operaciones lógicas, a través de la evolución coherente de superposiciones cuánticas. La decoherencia representa una fuente de error, por lo que los físicos han estado ocupados diseñando entornos que son teóricamente libres de decoherencia, o que reducen al mínimo su impacto. Un parámetro clave es la temperatura: cuanto más alta sea, más fuerte será la decoherencia. Por esta razón, la mayoría de los intentos de cálculo cuántico emplean ambientes de temperaturas ultra-bajas, como los superconductores o trampas de átomo-frío (Magnetic trap (atoms)).
A primera vista, el cálido y húmedo interior de una célula viva parece muy poco prometedor como medio ambiente de baja decoherencia. Los cálculos prospectivos (Back-of-the-envelope calculations) sugieren tiempos de decoherencia de menos del orden de 10 -13 s para la mayoría de los procesos bioquímicos a la temperatura de la sangre. Sin embargo, hay razones reales por las que los sistemas biológicos pueden ser menos susceptibles a la decoherencia que los modelos simplistas que predicen. Una de ellas es que los organismos biológicos son altamente no lineales, abiertos, sistemas excitados que operan lejos del equilibrio termodinámico. La física de tales sistemas no es bien comprendida y podría ocultar nuevas propiedades cuánticas que la vida ha descubierto antes que nosotros. De hecho, cálculos sofisticados indican que los modelos simples generalmente sobreestiman mucho las tasas de decoherencia. Por ejemplo, Hans Briegel y Jianming Cai de la Universidad de Innsbruck y Sandu Popescu de la Universidad de Bristol han descubierto que un sistema dinámico cuántico de dos-spin excitado fuera del equilibrio puede exhibir coherencia en curso aun cuando esté acoplado a un ambiente caliente y ruidoso que podría sacar de coherencia rápidamente a un sistema estático. Un cálculo basado en los llamados modelos spin-boson por Anthony Leggett, de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign sugiere también tiempos decoherencias dramáticamente extendidos para fonones de baja frecuencia. Leggett también señala que debido a que el modo dominante de decoherencia funciona a través de acoplamiento fonón con el medio ambiente, una desadaptación acústica entre el ambiente inmediato y el amplio del sistema cuántico podría prolongar la coherencia en las bajas frecuencias. Además, no es necesario que todos los grados de libertad disfruten de moderado grados de decoherence: efectos biológicos- cuántico significativos podrían requerir sólo de la protección de un pequeño subconjunto.
MANTENIENDO LA COHERENCIA
El origen de la vida
Un siglo y medio después que Charles Darwin publicó El origen de las especies, el origen de la vida en sí misma sigue siendo un misterio obstinado, y es profundamente problemático. El organismo vivo más simple conocido es ya estupendamente complejo, y es inconcebible que esa entidad se produzca espontáneamente por la casualidad del auto-ensamblaje. La mayoría de los investigadores suponen que la vida comenzó ya sea con una serie auto-replicante, de información digital transportada por moléculas mucho más sencillas que el ADN, ya sea con un ciclo químico auto-catalizador que almacenado no precisa información genética, pero que fue capaz de producir cantidades adicionales de la misma mezcla química. Ambos enfoques se concentran en la reproducción de sustancias materiales, lo que es natural porque, después de todo, la vida conocida se reproduce por la copia del material genético. . Sin embargo, las propiedades claves de la vida – la replicación con variación y la selección natural - no requieren lógicamente de las estructuras materiales en sí mismas, para a ser replicada. . Es suficiente que la información se replique. Esto abre la posibilidad de que la vida puede haber empezado con algún tipo de replicador cuántico: Q-vida, si le gusta.
Es bien sabido que la función de onda como tal no puede ser clonada, pero información cuántica discreta, por ejemplo, el sentido de giro del spin o la posición de mínima energía potencial energy-well, se puede copiar. La ventaja de limitarse a copiar la información a nivel cuántico, con respecto a duplicación de estructuras moleculares ya construidas, es la velocidad. . Un evento copia puede suceder en escala temporal química o tunelizacion de femtoseconds. Esto debe compararse con los 10 ms que se necesita para replicar un par de bases de ADN. La Q-la vida puede evolucionar, por lo tanto, muchos órdenes de magnitud más rápido que la vida química. Además, las fluctuaciones cuánticas proporcionan un mecanismo natural de variación, mientras que permitirá a Q superposiciones coherentes de vida evolucionando rápidamente mediante la exploración de todo un paisaje de posibilidades de adaptación al mismo tiempo. Por supuesto, el medio ambiente de esta hipotética Q-vida es desconocido, pero la superficie de un grano interestelar o en el interior de un cometa en la nube de Oort ofrecen ambientes de baja temperatura con un rico potencial físico y químico.
¿Cómo podría evolucionar la vida Q-vida en la química familiar? Un posible escenario es que las moléculas orgánicas fueran comandadas por Q-vida con información almacenada en más robusta de copia de respaldo. Una buena analogía es una computadora. El procesador es increíblemente pequeño y rápido, pero delicado: apagar el ordenador y los datos se pierden. Por lo tanto, los equipos utilizan discos duros para copias de seguridad y almacenar la información digital. Los discos duros son relativamente grandes y muy lentos, pero son robustos y fiables, y retienen la información en una amplia gama de agresiones del medio ambiente. La vida orgánica podría haber comenzado como el lento pero fiable "disco duro" de Q-vida. Debido a su mayor versatilidad y dureza, fue eventualmente capaz de, literalmente, "asumir una vida propia", desconectarse de su progenitora Q-vida y se extendió a medio ambientes menos especializados y restrictivos – como la Tierra. Nuestro planeta recibe una lluvia continua de cometas y granos de polvo interestelares, por lo que la entrega no es problema. En cuanto al destino de la Q-vida, lamentablemente sería completamente destruida por la entrada en la atmósfera de la Tierra.
Hay tentadoras y acumulativas pruebas de que la mecánica cuántica desempeña un papel fundamental aquí y allá en la biología. Lo que esta faltando falta es un claro caso de un "principio quántico de vida ", que podría ofrecer un nuevo marco conceptual en el que las notables propiedades de los sistemas vivos puedan se comprendidos, como Schrödinger y otros lo esperaron. Sin embargo, la física de los sistemas complejos cuánticos alejados del equilibrio con acoplamientos no lineales está en su infancia, y más sorpresas, sin duda, se encuentran en la tienda.Mientras tanto, los investigadores en ciencias de la información cuántica, intentando reducir la decoherencia pueden encontrar el estudio de las nanomáquinas biológicas sorprendentemente gratificante.
Sobre el autor
Paul Davies Es físico y astro biólogo, y es director de BEYOND: Center for Fundamental Concepts in Science at Arizona State University, US
* Traducido de: http://physicsworld.com/cws/article/print/39669 PHYSICSWORDL
Hameroff y Penrose propusieron en 1996 la teoría de la reducción objetiva orquestada (Orch OR) para explicar la consciencia en nuestro cerebro como un fenómeno de computación cuántica en el citoesqueleto de las neuronas y sus axones (formado por una red de microtúbulos, cilindros cuyas paredes son cadenas alfa y beta de la proteína llamada tubulina). Proponían que la llamada condensación de Fröhlich (1968) era responsable de la formación de un estado cuántico macroscópico (a escala macromolecular) similar a un estado de la materia llamado condensado de Bose-Einstein. Esta teoría todavía no ha sido demostrada y este año se ha publicado un artículo que le ha propinado un duro varapalo, si bien no la ha refutado definitivamente. La condensación de Frölich, de producirse, no puede explicar la consciencia. Los defensores de la teoría de Hameroff (quien nos la cuenta en inglés en el vídeo de arriba) tendrán que buscar otro fenómeno cuántico para explicar la consciencia. Hameroff en su página web afirma que está en ello. Se siente, caballero, así avanza la ciencia. El artículo técnico es Jeffrey R. Reimers, Laura K. McKemmish, Ross H. McKenzie, Alan E. Mark, Noel S. Hush, "Weak, strong, and coherent regimes of Fröhlich condensation and their applications to terahertz medicine and quantum consciousness," PNAS 106: 4219-4224, March 17, 2009 . Por cierto, los avances en neurobiología indica que los microtúbulos tienen cierto papel en la comunicación sináptica entre neuronas como canales "clásicos" de iones (sin efecto cuántico alguno), como nos cuentan recientemente Cecilia Conde, Alfredo Cáceres, "Microtubule assembly, organization and dynamics in axons and dendrites," Nature Reviews Neuroscience 10: 319-332, 30 April 2009 .
Un estado condensado de Bose-Einstein es un estado de la materia que se produce en un gas de átomos a muy baja temperatura en el que todos los átomos se encuentran en el mismo estado cuántico (el de mínima energía). Es como si todo el gas se comportara como un único objeto cuántico descrito por una macrofunción de onda cuántica. Predicho en 1924, fue objeto del Premio Nobel de Física de 2001, otorgado a Eric A. Cornell, Wolfgang Ketterle, y Carl E. Wieman por observar y caracterizar este estado de forma experimental (se ha logrado condensar hasta decenas de millones de átomos). La condensación de Frölich (1968) es un fenómeno muy parecido pero para un sistema de osciladores cuánticos acoplados, por ejemplo, las vibraciones de una macromolécula. Todas las partes (monómeros) de la macromolécula vibrarán en su estado de mínima energía, conduciendo a que toda la molécula se comporte como un sistema cuántico y esté descrito por una macrofunción de onda cuántica. Todavía no se ha observado experimentalmente un condensado de Frölich.
El artículo de Reimers et al. han determinado mediantes simulaciones por ordenador las características de un estado condensado de Frölich que son experimentalmente observables. Han encontrado 3 posibles tipos de estados condensados de Frölich: débiles, fuertes y coherentes. Solo estos últimos presentan un estado cuántico observable a escala macroscópica, una macrofunción de onda cuántica. Pero hay un problema. Para que se dé un estado de este tipo, coherente, es necesario que el modo fundamental de vibración tenga una energía muy alta, imposible de lograr en un contexto biológico. Más aún, serían estados muy frágiles, metaestables, destruyéndose demasiado rápido. Demasiado rápido para dar sentido a la teoría de la reducción objetiva orquestada de Penrose-Hameroff.
El trabajo de Reimers et al. considera que los estados fuertes y coherentes no se pueden dar en sistemas biológicos vivos, sólo los estados débiles. Este resultado puede interpretarse como un duro varapalo a la teoría de Penrose-Hameroff, aunque el propio Hameroff cree que no, que las conclusiones de Reimers et al. no son definitivas ya que se basan en modelos computacionales y estudios posteriores podrían encontrar alguna alternativa que se les haya pasado por alto. Por otro lado, Reimers et al. proponen que los estados débiles de Frölich podrían haber sido observados experimentalmente en las vibraciones de las microtubulina alrededor de 8′085 MHz observada experimentamlente por Pokorný en 2004. Sin embargo, este hecho tendrá que ser confirmado por estudios posteriores. Para Reimers et al. la computación cuántica de la consciencia es imposible con este tipo de estados. Para Hameroff todo lo contrario, ¿por qué no va a ser posible? ¡Qué si no va a decir este señor! Los padres siempre ven a sus hijos como los más guapos.
Los microtúbulos son para la célula viva como los pilares y las vigas de un edificio, los responsables de su estructura rígida. Los microtúbulos son polímeros formados por dos tipos de monómeros (heterodímeros), llamados formas alfa y beta de la proteína llamada tubulina (tienen una forma de C). Las cadenas de tubilina se autoensamblan en cilindros huecos. En las células vivas, los microtúbulos están comprimidos por filamentos contrátiles de actina con unos esfuerzos de unos 0.1 nN (nanonewtons).
Penrose y Hameroff propusieron que la red de microtúbulos de las neuronas y sus axones funcionan como un computador cuántico responsable de nuestra consciencia. La computación cuántica sería resultado de la sincronización de estados coherentes de Frölich entre microtúbulos, un entrelazamiento cuántico entre sus macrofunciones de onda cuánticas. La decoherencia cuántica provoca la reducción (colapso) de estas macrofunciones de onda, produciendo la señal sináptica que conduce al estado de consciencia. El vídeo de la conferencia que abre esta entrada, aunque se descarga lentamente y hay que tener paciencia, nos aclara bastante bien las ideas de Hameroff.
La primera de las "10 curiosidades bioquímicas sobre nuestro cuerpo" me ha llamado especialmente la atención: "El cuerpo humano recambia prácticamente todos los átomos que lo forman en un plazo de unos 5 años. ¡Unos 10^27 átomos! Mírate bien, en unos años no quedará nada de ti."
¿Cómo se calcula esto? El autor del blog (tallcute) confiesa que "creo que han calculado las tasas de recambio: proteínas, lípidos… Por ejemplo, por cada molécula de glucosa se incorporan a nuestro organismos dos átomos de carbono y de igual forma se puede estimar el resto. Yo había leído con anterioridad que se recambia el 98% en sólo un año, aunque me parece mucho."
¿Alguna referencia científica seria al cálculo? La WikiAnswers "Does the human body regenerate every 7 years?," me ha aclarado muchas cosas. Nos remite al artículo de Kirsty L. Spalding, Ratan D. Bhardwaj, Bruce A. Buchholz, Henrik Druid, Jonas Frisén, "Retrospective Birth Dating of Cells in Humans," Cell, 122: 133-143, 2005 , comentado para todos los públicos por Paola Arlotta, Jeffrey D. Macklis, "Archeo-Cell Biology: Carbon Dating Is Not Just for Pots and Dinosaurs," Cell 122: 4-6, 2005 .
Los autores encuentran que la mayoría de las células de los tejidos de nuestros cuerpos son más jóvenes que las persona que las porta, y muy pocas células (neuronas)viven tanto como la propia persona.
Estos resultados se obtienen del estudio del Carbono 14, isótopo radioactivo, en el ADN de diferentes células en diferentes tejidos. El nivel del C-14 en nuestros cuerpos es proporcional al que contienen las plantas, que lo fijan de la atmósfera, es decir, al atmosférico. Los niveles atmosféricos de C-14 han decrecido desde que se prohibieron las pruebas de armas nucleares a cielo abierto (en 1963 fueron las últimas conocidas).
Spalding et al. encuentran que la vida media del tejido intestinal es de unos 11 años, la de los tejidos musculares de unos 15.1 años, siendo los tejidos del cerebro los que más duran (algunos tanto como la propia persona).
En un artículo aparecido en el New York Times, "Your Body Is Younger Than You Think," Nicholas Wade, August 2, 2005 , el autor sugiere que la mayoría de nuestras células tienen 10 años o menos. Por supuesto, esto sería un valor medio, ya que depende del tejido considerado.
Los resultados de Spalding et al. se pueden interpretar como que las moléculas de las que se "fabrican" las nuevas células son obtenidas del exterior (de la atmósfera) y no son recicladas de nuestro propio cuerpo. En promedio, entre 7 y 10 años es la vida media de un átomo en nuestro cuerpo. Incluso las células que más viven, las neuronas en el cortex cerebral, están constantemente fabricando nuevas proteínas y moléculas de ARN, con lo que constantemente consumen carbohidratos y lípidos. Por ello, es bastante plausible que el tiempo medio de renovación de todos los átomos de nuestro cuerpo sea del orden de 7 años.
¿De dónde ha sacado tall & cute ("alto y guapo") su dato de 5 años en lugar del más "científico" de 7 años? En cualquier caso, si os interesa mi opinión de inexperto, a mí no me convence mucho el dato.
Sobre la técnica utilizada en estos estudios AMS (Accelerator mass spectrometry) os recomiendo los artículos breves de revisión J.S. Vogel et al. "Biochemical paths in humans and cells: Frontiers of AMS bioanalysis," 2007, y C. Tuniz, G. Norton, "Accelerator mass spectrometry: New trends and applications," 2007 .
Vemos con el cerebro, no con los ojos." Un nuevo dispositivo permite ver a los invidentes utilizando las terminaciones nerviosas de la superficie de la lengua. Las imágenes de una cámara son enviadas a una matriz de electrodos que se coloca sobre la lengua permitiendo, tras cierto entrenamiento, ver a una persona ciega. BrainPort sustituye los dos millones de nervios ópticos de un ojo por una matriz cuadrada de 400 elecrodos que se coloca sobre la lengua. Cada electrodo genera un pulso eléctrico correspondiente a un promedio de ciertos píxeles en la imagen de una cámara, siendo el blanco un pulso eléctrico fuerte y el negro la ausencia de pulso eléctrico. "Tan fácil como aprender a montar en bicicleta." Los estudios indican que unos 15 minutos de entrenamiento son suficientes para que una persona invidente logre obtener información espacial de su entorno que le permita moverse y evitar obstáculos. Tras una semana, la mayoría de los sujetos aprenden a encontrar puertas y botones de ascensores, a leer letras y números, y a agarrar vasos o tenedores colocados en una mesa. BrainPort es un sistema de visión para invidentes no invasivo que se sometió a evaluación por el gobierno americano (U.S. Food and Drug Administration) a finales de agosto, por lo que podrá comercializarse a inicios del año próximo, con un precio estimado de 10 mil dólares americanos. Nos lo cuenta Mandy Kendrick ,"Tasting the Light. Device lets the visually impaired "see" with their tongues," Scientific American, october 2009, pp. 22-24.
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