Jim Al-Khalili: How quantum biology might explain life’s biggest questions | TED Talk | TED.com

[cita] Jim Al-Khalili: Cómo la biología cuántica podría explicar las preguntas más importantes de la vida.

¿Cómo sabe un petirrojo volar hacia el sur? La respuesta podría ser más extraña de lo que piensas: la física cuántica puede estar involucrada. Jim Al-Khalili redondea el mundo extremadamente extraño de la biología cuántica, donde algo que Einstein llamó “acción espeluznante a distancia” ayuda a los pájaros a navegar, y los efectos cuánticos podrían explicar el origen de la vida misma.

Me gustaría presentarles un área emergente de la ciencia, que sigue siendo especulativa, pero muy emocionante, y, sin duda, un área que está creciendo muy rápidamente. La biología cuántica plantea una pregunta muy simple: ¿Juega la mecánica cuántica –esa teoría extraña, maravillosa y potente del mundo subatómico de átomos y moléculas que sustenta gran parte de la física moderna y la química— también un papel en el interior de la célula viva? En otras palabras: ¿Existen procesos, mecanismos, fenómenos, en los organismos vivos que solo pueden explicarse con ayuda de la mecánica cuántica? La biología cuántica no es nueva; ha estado presente desde la década de 1930. Pero solo en la última década más o menos los experimentos minuciosos, en laboratorios de bioquímica, usando espectroscopia, han mostrado clara y firme evidencia de que hay ciertos mecanismos específicos que requieren de la mecánica cuántica para que puedan explicarse.

La biología cuántica reúne a los físicos cuánticos, bioquímicos, biólogos moleculares… es un campo muy interdisciplinario. Vengo de la física cuántica, así que soy físico nuclear.

He pasado más de tres décadas tratando de entender la mecánica cuántica. Uno de los fundadores de la mecánica cuántica, Niels Bohr, dijo: Si Ud. no está asombrado por ella, entonces no la ha entendido. Así que me satisface estar todavía asombrado por ella. Eso es bueno. Pero significa que estudio estructuras muy pequeñas del universo, los bloques de construcción de la realidad. Si pensamos en la escala de tamaños, comienza con un objeto cotidiano como la pelota de tenis, y acaba con órdenes de gran magnitud de tamaño: desde el ojo de una aguja hasta la célula, la bacteria y la enzima, para llegar, finalmente, al nanomundo.

Puede que hayan oído hablar de la nanotecnología. Un nanómetro es la mil millonésima parte de un metro. Mi área es el núcleo atómico, el pequeño punto dentro de un átomo. Es incluso más pequeño en escala. Este es el dominio de la mecánica cuántica, y los físicos y los químicos han tenido mucho tiempo para tratar de acostumbrarse a él. Los biólogos, por el contrario, lo han tratado a la ligera, en mi opinión. Ellos están muy contentos con sus modelos de moléculas de bolas y palillos

(Risas)

Las bolas son los átomos, los palillos los enlaces entre los átomos. Y cuando no pueden construirlos físicamente en el laboratorio, hoy en día, tienen computadoras muy potentes que simularán una molécula enorme. Esta es una proteína formada por 100 000 átomos. No precisa mucho que la mecánica cuántica se lo explique. La mecánica cuántica se desarrolló en la década de 1920. Es un conjunto de reglas e ideas matemáticas bellas y poderosas que explican el mundo de lo muy pequeño. Y es un mundo muy diferente a nuestro mundo cotidiano, compuesto por miles de millones de átomos. Es un mundo construido sobre la probabilidad y posibilidad. Es un mundo difuso. Es un mundo de fantasmas, donde las partículas también se pueden comportar como ondas de propagación.

Si imaginamos la mecánica cuántica o la física cuántica, como la base fundamental de la realidad misma, entonces no es extraño que digamos que la física cuántica sustenta la química orgánica. Después de todo, da las reglas que dictan cómo los átomos se unen para formar moléculas orgánicas. La química orgánica, ampliada en la complejidad, nos da la biología molecular, que por supuesto lleva a la vida misma. Así que en cierto modo, no es una sorpresa. Es casi trivial: uno dice: “En última instancia, la vida depende de la mecánica cuántica”. Pero lo mismo ocurre con todo lo demás. También lo hace toda la materia inanimada,

formada por miles de millones de átomos. En última instancia, hay un nivel cuántico donde tenemos que profundizar en esta rareza. Pero en la vida cotidiana, podemos olvidarlo. Porque una vez que juntas billones de átomos, la rareza cuántica simplemente se disuelve. La biología cuántica no trata de esto. La biología cuántica no es tan obvia. Claro, la mecánica cuántica sustenta la vida en algún nivel molecular. La biología cuántica trata de buscar lo no trivial, las ideas contraintuitivas en la mecánica cuántica… y al observar si lo hacen, ciertamente, juegan un papel importante en la descripción de los procesos de la vida.

Este es mi ejemplo perfecto de la contraintuitividad del mundo cuántico. Es el esquiador cuántico. Parece intacto, y perfectamente sano, y, sin embargo, parece que ha bordeado ambos lados de ese árbol al mismo tiempo. Bueno, si vieron pistas como esas se imaginarán que es un truco, por supuesto. Pero en el mundo cuántico, esto sucede todo el tiempo. Las partículas pueden ser multitarea, pueden estar en dos lugares a la vez. Pueden hacer más de una cosa a la vez. Las partículas pueden comportarse como ondas de propagación. Es casi como magia.

Los físicos y químicos han tenido casi un siglo para acostumbrarse a esta rareza. No culpo a los biólogos por no haber podido o querido aprender mecánica cuántica.

Esta rareza es muy delicada; y los físicos trabajamos arduamente para mantenerlo en nuestros laboratorios. Enfriamos nuestro sistema hasta cerca del cero absoluto, llevamos a cabo experimentos en el vacío, tratamos de aislarlos de cualquier perturbación externa. Muy diferente al ambiente cálido, desordenado y ruidoso de una célula viva. La biología en sí misma, si piensan en la biología molecular, parece haber funcionado muy bien describiendo todos los procesos de la vida en términos químicos, como reacciones químicas. Y estas son las reacciones químicas reduccionistas, deterministas, que muestran que, en esencia, la vida está hecha de la misma materia que todo lo demás, y si podemos olvidarnos de la mecánica cuántica en el mundo macro, entonces deberíamos poder olvidarnos de él en la biología, también.

Bueno, un hombre no estuvo de acuerdo con esta idea. Erwin Schrödinger, del famoso gato de Schrödinger, fue un físico austríaco. Uno de los fundadores de la mecánica cuántica en la década de 1920. En 1944, escribió un libro titulado: “¿Qué es la vida?” Tuvo una tremenda influencia. Influyó en Francis Crick y en James Watson, descubridores de la estructura de doble hélice del ADN. Parafraseando una descripción en el libro, dice: A nivel molecular, los organismos vivos tienen un cierto orden, una estructura para ellos que es muy diferente de los empujones termodinámicos aleatorios de átomos y moléculas existente en la materia inanimada de la misma complejidad.

De hecho, la materia viva parece comportarse en este orden, en una estructura, al igual que la materia inanimada se enfría hasta cerca del cero absoluto, donde los efectos cuánticos juegan un papel muy importante. Hay algo especial acerca de la estructura, del orden en el interior de una célula viva. Así, Schrödinger especuló con que la mecánica cuántica, tal vez, jugara un papel en la vida. Es una idea muy especulativa de largo alcance, y, en realidad, no llegó muy lejos.

Pero, como ya dije al principio, en los últimos 10 años, han surgido experimentos, que evidencian que algunos fenómenos en biología parecen requerir de la mecánica cuántica.

Quiero compartirles algunos de los más emocionantes. Este es uno de los fenómenos más conocidos en el mundo cuántico, el túnel cuántico. A la izquierda de la pared se muestra el paquete de ondas, que extiende una entidad cuántica, una partícula, como un electrón, que no es una pequeña pelota que rebota en una pared. Es una onda que tiene una cierta probabilidad de permear a través de una pared sólida, como un fantasma que la atraviesa hasta el otro lado. Se ve una mancha tenue de luz en la parte derecha. El túnel cuántico sugiere que una partícula puede golpear una barrera impenetrable, y, sin embargo, de algún modo, como por arte de magia, desaparece de un lado y reaparece en el otro. La forma más bonita de explicarlo es que si quieren lanzar una pelota a una pared, hay que darle con la energía suficiente para alcanzar la parte superior de la pared. En el mundo cuántico, no hay que lanzarla por encima del muro, se puede lanzar a la pared, con una cierta probabilidad distinta de cero de que desaparezca de su lado, y aparezca en el otro.

Esto no es especulación, por cierto. Estamos felices, bueno “felices” no es la palabra correcta,

(Risas) estamos familiarizados con esto.

(Risas)

El túnel cuántico tiene lugar todo el tiempo; de hecho, es la razón de que nuestro Sol brille. Las partículas se funden, y el Sol convierte hidrógeno en helio a través del túnel cuántico. Ya en los años 70 y 80, se descubrió que el efecto túnel cuántico también ocurre en el interior de las células. Las enzimas, los caballos de batalla de la vida, los catalizadores de las reacciones químicas, son biomoléculas que aceleran las reacciones químicas en las células vivas, en muchos órdenes de magnitud. Y siempre ha sido un misterio cómo lo hacen.

Bueno, se descubrió que uno de los trucos es que las enzimas han evolucionado para usarlo mediante la transferencia de partículas subatómicas, como los electrones y, de hecho, los protones, de una parte de una molécula a otra a través del túnel cuántico. Es eficiente, es rápido, puede desaparecer, un protón puede desaparecer de un lugar y reaparecer en otro. Las enzimas ayudan a que esto suceda.

Esta es una investigación llevada a cabo en los 80, por un grupo de Berkeley, Judith Klinman. Otros grupos en el Reino Unido han confirmado ahora también que las enzimas realmente lo hacen.

La investigación realizada por mi grupo… como he dicho, soy físico nuclear, y sé que tengo estas herramientas para utilizar la mecánica cuántica en los núcleos atómicos, por eso puedo aplicar también esas herramientas en otras áreas. Una pregunta que nos hacíamos es si el túnel cuántico juega un papel en las mutaciones del ADN. Esto no es una idea nueva, se remonta a los años 60. Las dos hebras de ADN, la estructura de doble hélice, se mantienen unidas por travesaños, como una escalera retorcida. Y los peldaños de la escalera son enlaces de hidrógeno, protones, que actúan como pegamento entre las dos cadenas. Si nos acercamos, lo que hacen es mantener estas grandes moléculas, nucleótidos, juntas. Acercándonos un poco más. Esta una simulación informática. Las dos bolas blancas del medio son los protones, y se ve que se trata de un enlace de hidrógeno doble. Uno prefiere sentarse en un lado; el otro, en el otro lado de las dos hebras de las líneas de abajo verticales, que no se pueden ver. Puede suceder que estos dos protones puedan saltar por encima. Miren las dos bolas blancas. Pueden saltar hacia el otro lado. Si ambas hebras de ADN se separan, lo que lleva al proceso de replicación, y los dos protones están en posiciones erróneas, esto puede conducir a una mutación.

Esto se sabe desde hace medio siglo. La pregunta es: ¿Cuán probable es que lo hagan? Y si lo hacen, ¿cómo lo hacen? ¿Saltan al otro lado, como la pelota que va por encima del muro? ¿O pueden traspasarlo por el efecto de túnel cuántico incluso si no tienen suficiente energía? Las primeras indicaciones sugieren que el efecto túnel cuántico puede jugar un papel aquí. Todavía no sabemos cuán importante es; esto es todavía una cuestión abierta. Es especulativa, pero es una de esas preguntas muy importantes, pues si la mecánica cuántica desempeña un papel en las mutaciones, sin duda esto tiene grandes implicaciones, para entender ciertos tipos de mutaciones, posiblemente, incluso las que llevan a convertir a una célula en cancerosa.

Otro ejemplo de la mecánica cuántica en la biología es la coherencia cuántica, en uno de los procesos más importantes en la biología, la fotosíntesis: plantas y bacterias que obtienen luz solar, y usan esa energía para crear biomasa. la coherencia cuántica es la idea de que las entidades cuánticas son multitarea. Es el esquiador cuántico. Es un objeto que se comporta como una onda, de modo que no solo se mueve en una dirección u otra, sino que puede seguir múltiples caminos al mismo tiempo.

Hace algunos años, el mundo de la ciencia se sorprendió cuando se publicó un artículo que muestra la evidencia experimental de que la coherencia cuántica sucede dentro de las bacterias, cuando ocurre la fotosíntesis. La idea es que el fotón, la partícula de la luz, la luz del sol, el quantum de luz es captado por una molécula de clorofila, para luego dar lo que se llama el centro de reacción, donde puede convertirse en energía química. Y llegando ahí, no solo sigue una vía; sino múltiples vías a la vez, para optimizar la forma más eficaz de alcanzar el centro de reacción sin disiparse como calor residual. La coherencia cuántica ocurre dentro de una célula viva. Una idea notable y, además, la evidencia crece cada semana, con nuevos documentos que confirman que esto es así.

Mi tercer y último ejemplo es la idea más hermosa y maravillosa. También es todavía muy especulativa, pero quiero compartirla con Uds. El petirrojo europeo migra desde Escandinavia hasta el Mediterráneo, cada otoño, y como muchos animales marinos e incluso insectos, navegan al detectar el campo magnético de la Tierra. El campo magnético de la Tierra es muy, muy débil; 100 veces más débil que un imán de refrigerador, pero afecta a la química, de alguna manera, dentro de un organismo vivo. Eso no se cuestiona. Una pareja de alemanes ornitólogos, Wolfgang y Roswitha Wiltschko, en los 70, confirmaron que el petirrojo encuentra su camino mediante una forma de detección del campo magnético de la Tierra, que les da información direccional… una brújula incorporada.

El enigma, el misterio era: ¿Cómo lo hace? Bueno, la única teoría, no sabemos si es la teoría correcta, pero es la única teoría, es que lo hace a través del entrelazamiento cuántico. Dentro de la retina del petirrojo, no bromeo, dentro de la retina del petirrojo hay una proteína llamada criptocromo sensible a la luz. Dentro del criptocromo, unos electrones están enredados cuánticamente. El entrelazamiento cuántico es cuando dos partículas están muy separadas, y sin embargo permanecen en contacto entre sí. Incluso Einstein odiaba esta idea; la llamó “acción fantasmal a distancia”.

(Risas)

Y si a Einstein no le gustaba, todos podemos estar incómodos con ello. Dos electrones cuánticos entrelazados dentro de una sola molécula bailan una danza delicada muy sensible a la dirección en la que vuelan las aves en el campo magnético de la Tierra.

No sabemos si es la explicación correcta, pero guau, ¿no sería emocionante si la mecánica cuántica ayudara a las aves a navegar? La biología cuántica está todavía en pañales. Sigue siendo especulativa. Pero creo que se basa en un fundamento científico sólido. También creo que en la próxima década, empezaremos a ver, en realidad, lo que impregna la vida, que la vida ha desarrollado trucos que utiliza del mundo cuántico. Miren este espacio.

Gracias.

(Aplausos) [fin de cita]

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