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La catástrofe de la física que benefició a la biología La catástrofe de la física que benefició a la biología

La catástrofe de la física que benefició a la biología

Escrito por  Viernes, 14 Julio 2017 06:03

Un nuevo campo de estudio está cobrando fuerza. Se trata de explicar procesos biológicos mediante el estudio de los fenómenos cuánticos. La fotosíntesis que realizan las plantas, el proceso de visión, la generación de energía en las células, el sentido del olfato o la orientación magnética de las aves migratorias podrían entenderse mejor, si se toman en cuenta los fenómenos cuánticos. La física que habían descrito Isaac Newton y otros grandes científicos antes del siglo xx no puede dar una explicación satisfactoria. Viajamos de la mecánica clásica a la mecánica cuántica.

La mecánica cuántica comenzó con una catástrofe. Cuando calientas un objeto, este emite luz de diferentes colores dependiendo de su temperatura. Los mismo pasa en las estrellas. Las más calientes brillan de color azul, mientras que las más frías son rojas. La diferencia en el color depende de una propiedad de las ondas electromagnéticas: la frecuencia. Un rayo de luz azul o violeta tiene una mayor frecuencia que un rayo de luz amarillo o rojo. Según los físicos clásicos, si calentabas un objeto a una temperatura muy alta, emitiría una gran cantidad de luz de alta frecuencia. Sin embargo, se dieron cuenta de que en la región del ultravioleta la intensidad de la radiación era mucho más baja de lo esperado. A esto se le conoció como catástrofe del ultravioleta.

Max Planck, físico alemán, logró explicar este fenómeno al suponer que la energía podía tomar solo ciertos valores discretos (por ejemplo, un valor discreto es el resultado de tirar un dado), en lugar de cualquier otro valor, y que estos estaban uniformemente espaciados. Con el dado puedes obtener cualquier número entero entre el 1 y el 6, pero es imposible obtener 1.5 o 4.3, sino solamente los valores permitidos (valores discretos). Así nació el concepto de la energía “cuantizada”.   

Después de la idea de Planck, Albert Einstein propuso que lo que se cuantiza es la radiación misma, es decir, la luz, la cual se propaga en “paquetes” que ahora conocemos como fotones. Esto sirvió para explicar el efecto fotoeléctrico que ocurre cuando la luz que incide en un metal provoca la expulsión de electrones. Lo cual constituye la base de una gran cantidad de tecnología utilizada actualmente, como los paneles solares. Otros experimentos demostraron que también las partículas como los electrones podían tener un comportamiento dual, onda-partícula, y esto formó la base de la mecánica cuántica.

Con la física clásica podemos predecir la trayectoria de un cohete o la posición de un planeta en cierto tiempo, pero algo peculiar de la mecánica cuántica es que solamente podemos hablar de probabilidades. Por ejemplo, a nivel atómico solo podemos predecir que un electrón tiene más probabilidad de encontrarse en una región que en otra, pero no podemos decir con exactitud dónde se encontrará en un momento dado.

La mecánica cuántica en la biología

Uno de los objetos más complicados y que menos se entienden es el cerebro. Se cree que la conciencia no puede ser explicada mediante la mecánica clásica, y que lo más probable es que estén en juego efectos cuánticos. Además, es posible que nuestro cerebro sea una computadora cuántica, en la cual los electrones tienen el papel de bits mediante una de sus propiedades cuánticas llamada espín. Éste lo podemos imaginar como el giro del electrón: ya sea hacia la derecha o hacia la izquierda. En términos físicos, se dice que tiene un espín de +½ o -½. Esta propiedad permite guardar información como si los espines fueran los 1 y 0 en un sistema binario, con la ventaja de que la capacidad de almacenamiento es mucho mayor, ya que se utilizarían electrones individuales para guardar la información, lo cual podría explicar cómo es que nuestro cerebro tiene una capacidad de memoria tan extraordinaria. 
El fenómeno de la visión también involucra conceptos de la mecánica cuántica. En el interior de nuestros ojos existen células con pigmentos especializados capaces de aprovechar la energía de los fotones para cambiar de forma. Son extremadamente sensibles a la acción de unos cuantos fotones para transmitir una señal. Estos cambios en la configuración de las moléculas se convierten en impulsos nerviosos que llegan a nuestro cerebro. Las imágenes que crea nuestra mente provienen de un procesamiento del número de fotones que llegan y la frecuencia o energía asociada a ellos. Este maravilloso proceso es el resultado de millones de años de evolución para poder interpretar útilmente nuestro entorno.

Uno de los usos más prolíficos de la mecánica cuántica en procesos biológicos es el estudio de las enzimas. En las mitocondrias de nuestras células existen proteínas que transfieren electrones entre sí, como una papa caliente. En el proceso, se libera energía y ésta se aprovecha para capturarla en forma de enlaces químicos en una molécula conocida como ATP. Muchas veces los electrones se transfieren por un fenómeno cuántico llamado efecto túnel, en el que el electrón viaja largas distancias sin necesidad de pasar por cada uno de los átomos de una molécula. Se pueden modelar computacionalmente a estas enzimas y se resuelven las ecuaciones para explicar el comportamiento de los electrones. Con esta técnica, podemos identificar regiones de la proteína que tienen una mayor probabilidad de poseer electrones y con ello dilucidar qué partes de la molécula son importantes para su función. Gracias a estos métodos, se han logrado diseñar racionalmente enzimas con capacidades mejoradas, como una mayor estabilidad y capacidad para catalizar eficientemente reacciones químicas de interés industrial y farmacéutico.
    
Entender cómo se llevan a cabo todos estos procesos a nivel atómico nos dará la capacidad de poder reproducir estos comportamientos y aplicarlos a tecnologías de frontera, como el diseño de sensores o computadoras más eficientes, que, sin duda, facilitarán nuestra vida.

Fís. Rodrigo Ramírez Ramírez / Esta dirección de correo electrónico está siendo protegida contra los robots de spam. Necesita tener JavaScript habilitado para poder verlo.
Instituto de Astronomía de la Universidad Nacional Autónoma de México, campus Ensenada
M. en C. Joaquín Ramírez Ramírez / Esta dirección de correo electrónico está siendo protegida contra los robots de spam. Necesita tener JavaScript habilitado para poder verlo. 
Instituto de Biotecnología de la Universidad Nacional Autónoma de México, campus Morelos.