La Fotosíntesis es un Proceso Cuántico

La coherencia cuántica electrónica ondulatoria

proporciona extrema eficacia a la transferencia energética

El secreto de la eficiencia del proceso de la fotosíntesis, clave para muchas formas de vida, podría hallarse en un mecanismo cuántico que, por primera vez en la historia, ha podido observarse en laboratorio gracias a una técnica denominada de espectroscopia electrónica de dos dimensiones. Investigadores norteamericanos consideran que el descubrimiento de un notable tiempo de vida de la llamada coherencia cuántica proporciona una extrema eficacia a la fotosíntesis, y que capacita al sistema para probar simultáneamente todas las posibilidades de conducción de energía potencial. De esta forma, el sistema elige la más eficiente de ellas en el proceso de convertir, energía solar en energía vital.

La física cuántica, también conocida como mecánica ondulatoria, es la rama de la física que estudia el comportamiento de la materia cuando las dimensiones de ésta son tan pequeñas, en torno a 1.000 átomos, que empiezan a notarse efectos como la imposibilidad de conocer con exactitud la posición de una partícula, o su energía, o conocer simultáneamente su posición y velocidad, sin afectar a la propia partícula.

La fotosíntesis, clave para la vida en la Tierra, consiste en una serie de procesos por los que plantas y las cianobacterias (bacterias acuáticas que producen su alimentación por medio de la fotosíntesis) captan la energía de la luz y la transfieren a los centros de las reacciones moleculares, convirtiéndola así en energía química con una eficiencia del casi el 100% y a una velocidad casi instantánea.
Un estudio realizado por investigadores del Departamento de Energía del Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) y de la Universidad de California en Berkeley (Estados Unidos), ha confirmado que bajo el proceso de la fotosíntesis subyace un mecanismo cuántico.
Según explican estos investigadores en un comunicado del Berkeley Lab, los secretos del funcionamiento de la fotosíntesis y de su alto rendimiento subyacen en el nivel cuántico de la materia, es decir, en los efectos mecánicos de las partículas subatómicas. Los resultados de la investigación han sido publicados en la revista Nature. En este artículo, los investigadores explican que han obtenido evidencias directas de que el notable tiempo de vida de la coherencia cuántica electrónica ondulatoria juega un importante papel en este proceso de transferencia energética que supone la fotosíntesis. Según el líder de esta investigación, Graham Fleming, las características ondulatorias del fenómeno de la coherencia cuántica podrían explicar la extrema eficiencia de la fotosíntesis porque capacita al sistema para probar simultáneamente todos los “caminos” o posibles vías de energía potencial antes de elegir el más eficiente de ellos.

La coherencia cuántica es un término que hace referencia a la condición de un sistema cuántico (es decir, de partículas subatómicas) cuando sus constituyentes reducen una función de onda en un estado físico de partículas concretas. Cuando una función de onda se concreta, estas partículas se relacionan de una determinada manera unas con otras. Sus relaciones están descritas por la mecánica cuántica. Fleming y sus colaboradores han conseguido detectar, por medio de mediciones electrónicas espectroscópicas realizadas a una escala de tiempo de femtosegundos (un femtosegundo es la unidad de tiempo que equivale a la milbillonésima parte de un segundo), señales cuánticas u oscilaciones electrónicas coherentes, tanto en las moléculas donantes como en las receptoras, generadas por excitaciones energéticas inducidas por la luz. Descubrieron, además, que dichas oscilaciones se encuentran y se interfieren unas con otras constructivamente, formando movimientos ondulantes de energía (estados de superposición) que exploran todas las vías de energía potenciales de manera simultánea y reversible, eligiendo aquellas vías de mayor eficiencia energética. Este hallazgo tropieza con la explicación científica tradicional de la fotosíntesis ya que, en palabras de Fleming: “La descripción de salto clásica de los procesos de transferencia de energía es tanto inadecuada como imprecisa. Nos da una imagen incorrecta de cómo funciona en realidad el proceso, y pierde un aspecto crucial de la causa de esta eficiencia extraordinaria”.

Consecuencias:
Según los investigadores, la demostración de que los procesos de transferencia energética implican la coherencia electrónica y que ésta es más intensa de lo que se esperaba, significa que este proceso es mucho más eficiente de lo que imagina la visión clásica. Aún se desconoce con exactitud el grado de beneficio que conllevan para la fotosíntesis estos efectos cuánticos. Los próximos pasos del grupo de investigación se centrarán en analizar la influencia de los cambios de temperatura en dichos procesos de transferencia energética. Por otro lado, también serán investigados los pulsos de luz y la manera de aplicar este funcionamiento de manera artificial a medios útiles.