El mundo subatómico de la biología: Biología cuántica

Los seres vivos no somos más que un conjunto de átomos maravillosamente organizados, así que estamos gobernados por sus leyes y principios.

Sin embargo, el mundo subatómico no se parece en nada al que los biólogos están acostumbrados estudiar. En el presente artículo trataré de ver en qué medida puede afectar el comportamiento de las partículas subatómicas al mundo vivo que conocemos, sin adentrarnos en conceptos ni ecuaciones complicadas (no soy físico y sería muy difícil para mí explicarlos), tratando de que al menos les quede una idea —algo reduccionista—  de cómo ciertos aspectos complejos de la vida pueden llegar a ser netamente físicos.

Los orígenes

Hace un poco más de 80 años, el físico alemán Werner Heisenberg propuso los conceptos centrales de la física cuántica que buscaba explicar ese misterioso mundo de los átomos, donde los fotones y los electrones se comportan de una manera realmente extraña, a veces lo hacen como onda y otras como partícula, fenómenos que no pueden ser explicados usando las leyes de la mecánica clásica de Newton.

Heisenberg dio una brillante salida a este problema planteando su famoso principio de la incertidumbre. En él decía que es imposible determinar el estado de una partícula. En otras palabras, no podemos cuantificar exactamente la masa, energía, posición y momento lineal (cantidad de movimiento), en un determinado instante porque los valores no son fijos sino que están dentro de un rango, donde habrán valores que serán más probables de obtener que otros. El problema es que cuanto más nos acercamos a un valor probable para una propiedad, más nos alejamos del valor probable para otra propiedad.

Tal vez este concepto nos parezca extraño —lo fue hasta para el propio Albert Einstein— porque vivimos en un mundo macro, donde las cosas pueden ser medidas con facilidad y casi de manera “exacta”, la única limitante es la precisión del equipo que usemos. Sin embargo, a nivel atómico, el impacto de la incertidumbre es muy grande.

Pero no sólo la incertidumbre es significativa en dimensiones espaciales pequeñas sino también en dimensiones temporales pequeñas y esto es relevante para la biología, donde muchos procesos moleculares (Ej.: reacciones enzimáticas, excitación de fotorreceptores o transporte de electrones) se dan en periodos de tiempo extremadamente cortos, a nivel de los femtosegundos (1fs = 0.000000000001s).

Entonces, si no podemos determinar la posición exacta de un electrón o el nivel de energía que tenga, cómo podemos estudiar las reacciones bioquímicas a nivel molecular. La respuesta la dio el físico austriaco Erwin Schrödinger —sí, aquel que perdió su gato y ofrecía una jugosa recompensa por quien lo encontrara vivo y muerto—. Él desarrolló una ecuación en la que consideraba a la incertidumbre, en cualquier sistema, como la probabilidad de encontrar una partícula en un lugar y momento determinado.

Cuando un electrón interactúa con otro —tal como se da en una reacción química— deja de tener una posición incierta (descrita por una función de onda) para adquirir una posición definida. A esto los físicos llaman colapso de la función de onda, un concepto que vimos en el video anterior.

Por si no lo sabías, Schrödinger fue considerado el padre de la biología cuántica tras publicar su libro “What is life?” (“¿Qué es la vida?”) en 1944.

Sin embargo, una solución alternativa y sencilla de la ecuación de Schrödinger fue planteada por Walter Kohn en la década de 1960’s llamada Teoría del Funcional de la Densidad (DFT). En vez de analizar cada electrón del sistema en base a su función de onda, se combinó a todos los electrones en una única función de densidad. Esto simplificaba enormemente los cálculos porque ya no había que determinar la posición de cada electrón en una molécula, el cual nos da 3N variables (donde N es el número de electrones), sino todos eran analizados a la vez en función a su densidad electrónica que depende sólo de 3 variables.

La DFT no pudo ser aprovechada hasta entrada la década de 1990’s, cuando el poder computacional se incrementó considerablemente permitiendo hacer todos estos cálculos de manera más rápida. No obstante, a pesar de las supercomputadoras que tenemos en la actualidad, pocos átomos pueden ser analizados de manera simultánea (hasta 100 por vez).

Mecánica cuántica en sistemas biológicos

La biología cuántica puede considerarse como la evolución natural de la biofísica, esa rama que estudia el comportamiento y la dinámica de las moléculas y estructuras más elementales de los seres vivos (Ej.: el plegamiento de las proteínas, la elasticidad del ADN, la fuerza protón motora, las cadenas transportadora de electrones, la fluidez de la membrana celular, la naturaleza de los impulsos eléctricos, la percepción de los colores, etc.).

Se dice que es una evolución natural porque la biofísica actual aún se basa en los principios establecidos por la mecánica newtoniana, algo que como vimos párrafos atrás ya no puede ser aplicado a un nivel tan elemental como es el mundo de las moléculas y los átomos.

Brújula biológica

Un ejemplo del efecto cuántico en los sistemas biológicos se da en el sistema de navegación de ciertas aves, tortugas y hasta en la mosca de la fruta (magnetorrecepción). Los criptocromos son unos fotorreceptores que capturan la luz de longitudes de onda que van de 380 a 450nm (entre la UV y la azul). Por un mecanismo aún desconocido, cada vez que un fotón de esta longitud de onda golpea los criptocromos se genera un par de electrones con espines (momento angular o rotación) entrelazados, una propiedad típica de la mecánica cuántica.

El entrelazamiento cuántico se da cuando dos partículas comparten una propiedad mutuamente dependiente, de manera instantánea y sin importar la distancia a la que se encuentren.

Por ejemplo (tomado y adaptado de Cuentos Cuánticos), tenemos una partícula verde, la cual está conformada por dos componentes: una subpartícula amarilla y una azul. Si desintegramos la partícula verde en sus dos componentes esenciales y uno lo guardamos en  nuestra casa y el otro lo mandamos a Júpiter, hasta no observar el color del componente que nos tocó, no sabremos el color del otro, ¿cierto?.

En este caso podemos afirmar que nuestro componente —y el que está en Júpiter— es amarillo y azul a la vez (estado de coherencia), pero en el momento que observemos uno de los dos, y por azar me da azul, puedo afirmar rotundamente que el otro es amarillo (estado entrelazado). Esto quiere decir que la información viajó de manera instantánea desde mi casa hacia el gigante gaseoso o viceversa.

Entonces, ¿qué pasaría si los productos de reacción de un sistema son dependientes del espín?. Como el campo magnético tiene la capacidad de alterar el espín del electrón, entonces, ejercerá un efecto sobre los productos de reacción alterando la respuesta de los fotorreceptores, así que el ave tendrá la capacidad de ‘ver’ las líneas del campo geomagnético.

Fotosíntesis cuántica

En el 2007, se descubrieron los primeros indicios del efecto cuántico en la fotosíntesis. Cuando dispararon brevísimos pulsos de rayos láser al complejo Fenna-Matthews-Olson (FMO) —un proteína presente en bacterias verdes del azufre como Chlorobium tepidum que se encarga de recolectar la energía de los fotones de luz y transferirlos a los centros de reacción fotosintética— se observó que la energía se transfería por coherencia cuántica.

Por extraño que parezca, la energía colectada de los fotones viaja a los centros de reacción usando el camino más eficiente. Pero para lograr esto tuvo que probar todos los caminos posibles simultáneamente, ¿cómo pudo lograr esto?. La energía se encuentra en múltiples estados al mismo tiempo (coherencia), una vez que explora todas las rutas posibles y encuentra la más eficiente colapsa y pasa a formar un estado simple.

Cómo analogía imagínense que tienen tres rutas para ir al trabajo y salen de casa en plena hora punta. Ustedes pueden tomar sólo una ruta a la vez y no sabrán si por las otras habrá mayor o menor tráfico. Sin embargo, si estuvieran en un estado de coherencia cuántica, podrían tomar las tres rutas al mismo tiempo y ver cuál de ellas es la más rápida. En ese preciso momento en que determinan la ruta más rápida, colapsará su estado de coherencia para pasar a un estado simple. Al final habrán tomado una sola ruta pero probando las tres simultáneamente.

Lo más extraño es que este efecto cuántico se dio en un sistema considerado como muy grande, complejo y caliente. Esta es la clave de porqué las plantas son tan eficientes capturando la energía de la luz solar que humillan a nuestros paneles solares más sofisticados.

Sentido del olfato

Nadie podía explicar cómo podemos ser capaces de reconocer miles de olores diferentes con menos de 400 receptores olfatorios. ¿Será que la mecánica cuántica vuelva a tener la respuesta?. De manera sencilla, la principal teoría que explica cómo olemos nos dice que cada molécula o parte de ella (odotipos) es reconocida en base a su forma (disposición de sus átomos) por un receptor en particular, formando un mecanismo del tipo ‘llave-cerradura’. La combinación de receptores activados genera un determinado olor.

Lamentablemente esta hipótesis ‘colapsa’ cuando se le pregunta: ¿por qué diferentes moléculas pueden tener el mismo olor o moléculas similares pueden tener olores diferentes?. Un pequeño grupo de ‘herejes’ piensan que el olor no depende de la forma de la molécula sino de la vibración de sus enlaces, un fenómeno explicado por la mecánica cuántica.

Esta teoría de las vibraciones fue introducido allá por 1930 pero fue reforzada experimentalmente por Luca Turín en 1996. De manera sencilla dice que la vibración de las moléculas se empalman con los estados de energía de los electrones de los receptores olfatorios a través de un fenómeno conocido como túnel de electrón inelástico. La energía cinética del electrón no es lo suficiente como para atravesar un determinado estado de energía, así que excava un ‘túnel’ a través de él permitiendo activar el receptor olfatorio.

Se que es muy difícil entenderlo así que mostraré un ejemplo. A inicios de año Franco et al. demostraron que la teoría vibracional del olfato podría ser cierta ya que las moscas de la fruta tuvieron la capacidad de diferenciar una misma molécula deuterada y no deuterada. Lo que hicieron fue cambiar uno, dos o tres hidrógenos de una molécula de aceptofenona por deuterios (isótopo más pesado del hidrógeno que tiene un neutrón de más y los enlaces presentan una frecuencia de vibración diferente). Las moscas fueron entrenadas para elegir la versión deuteradas y cuando las sometieron a un laberinto donde en una salida estaba la versión normal y en otra la versión deuterada, eligieron la deuterada. Y el mismo comportamiento se observó con otras moléculas deuteradas.

En los últimos años se está investigando este mismo efecto en otros tipos de interacción entre receptores y ligandos, por ejemplo: en la unión de un antígeno a su anticuerpo, o el de una hormona, fármaco o neurotransmisor a su receptor, los cuales originan respuestas biológicas sumamente complejas, por ejemplo, la expresión de los genes y esa extraña sensación a la que llamamos: conciencia humana.

Conclusiones

Entender cómo el mundo subatómico influye en la vida nos puede dar claves de cómo hace la vida para no sucumbir al aumento de la entropía del entorno. Los seres vivos somos átomos estructurados de una manera magistral, que parecería ir en contra de la tercera ley de la termodinámica. Quién sabe, tal vez este estado complejamente estructurado es el que demande menos energía mantener.

Para terminar, hemos visto que muchos procesos importantes para la vida, incluso la propia conciencia humana, pueden verse reducidos a una cuestión de partículas o campos y sus interacciones, algo que a los científicos no les gusta aceptar, pero como dice el premio Nobel Steven Weinberg: “es ese el modo como funciona el mundo”.

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Referencias:

Rinaldi, A. (2011). When life gets physical EMBO reports, 13 (1), 24-27 DOI: 10.1038/embor.2011.236

Breithaupt, H. (2006). The costs of REACH. REACH is largely welcomed, but the requirement to test existing chemicals for adverse effects is not good news for all EMBO reports, 7 (10), 968-971 DOI: 10.1038/sj.embor.7400816

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Esta entrada participa en el VIII Carnaval de Biología albergado en Resistencia Numantina, el X Carnaval de Química alojado en BioUnalm y en el XXVI Carnaval de Física celebrado en Cuentos Cuánticos.