Efectos cuánticos observados en la fotosíntesis

Las moléculas que participan en la fotosíntesis exhiben los mismos efectos cuánticos que la materia no viva, según un estudio que aprecia mecánica cuántica en los sistemas biológicos de este proceso.

La interpretación de estos efectos cuánticos en la fotosíntesis, una primicia científica, puede ayudar en el desarrollo de dispositivos de recolección de luz inspirados en la naturaleza, según los autores. Los resultados se publicaron en Nature Chemistry el 21 de mayo.

Desde hace varios años, ha habido un debate sobre los efectos cuánticos en los sistemas biológicos. La idea básica es que los electrones pueden estar en dos estados a la vez, hasta que se observen. Esto se puede comparar con el experimento mental conocido como el Gato de Schrödinger. El gato está encerrado en una caja con un vial de una sustancia tóxica. Si el tapón del vial está bloqueado con un sistema cuántico, puede abrirse o cerrarse simultáneamente, por lo que el gato está en una mezcla de los estados "muerto" y "vivo", hasta que abrimos la caja y observamos el sistema. Este es precisamente el comportamiento aparente de los electrones.

En investigaciones anteriores, los científicos ya habían encontrado señales que sugerían que las moléculas de recolección de luz en las bacterias se pueden excitar en dos estados simultáneamente. En sí mismo, esto demostró la participación de los efectos mecánicos cuánticos, sin embargo, en esos experimentos, ese estado excitado supuestamente duró más de 1 picosegundo (0,000 000 000 001 segundos). Esto es mucho más largo de lo que cabría esperar sobre la base de la teoría mecánica cuántica.

Thomas la Cour Jansen, de la Universidad de Groningen, y sus colegas muestran en su publicación que esta observación anterior es incorrecta: "Hemos demostrado que los efectos cuánticos que informaron fueron simplemente vibraciones regulares de las moléculas". Por lo tanto, el equipo continuó la búsqueda. "Nos preguntamos si podríamos ser capaces de observar la situación del gato Schrödinger".

Usaron diferentes polarizaciones de luz para realizar mediciones en la recolección de luz de bacterias verdes de azufre. Las bacterias tienen un complejo fotosintético, formado por siete moléculas sensibles a la luz. Un fotón excitará dos de esas moléculas, pero la energía se superpone a ambas. Así que al igual que el gato está vivo o muerto, el fotón excita una u otra molécula. "En el caso de tal superposición, la espectroscopia debería mostrar una señal de oscilación específica", explica Jansen.

"Y eso es, de hecho, lo que vimos. Además, encontramos efectos cuánticos que duraron exactamente tanto como cabría esperar basados ?en la teoría y demostraron que estos pertenecen a la energía superpuesta en dos moléculas simultáneamente". Jansen concluye que los sistemas biológicos exhiben los mismos efectos cuánticos que los sistemas no biológicos.

Las técnicas de observación desarrolladas para este proyecto de investigación pueden aplicarse a diferentes sistemas, tanto biológicos como no biológicos.

Jansen está feliz con los resultados. "Esta es una observación interesante para cualquiera que esté interesado en el fascinante mundo de la mecánica cuántica. Además, los resultados pueden desempeñar un papel en el desarrollo de nuevos sistemas, como el almacenamiento de energía solar o el desarrollo de computadoras cuánticas", dijo.