¿Qué es la biología cuántica?

Es la disciplina que intenta aplicar conceptos de física cuántica para entender qué es la vida, cómo funcionan las células o cómo transcurren los procesos biológicos. Trata de conocer si la mecánica cuántica tiene algún protagonismo en estos procesos.

No es un concepto nuevo, pero ha tenido importantes avances en los últimos treinta años. En este tiempo, las técnicas biofísicas experimentales nos han permitido estudiar procesos en los que los electrones, los átomos, tienen una manera de comportarse muy específica. Aunque el nivel experimental se ha desarrollado con mucha fuerza en estos últimos treinta años, el concepto de biología cuántica es muy anterior: arranca en los años cuarenta del siglo pasado.

Científicos tan importantes dentro de la física cuántica como Erwin Schrödinger ya lo plantearon. Schrödinger escribió, en 1944, un libro titulado ¿Qué es la vida? El libro estaba basado en una serie de conferencias que había impartido el físico un año antes y que respondían a la siguiente pregunta: “¿Cómo pueden la física y la química explicar los acontecimientos en el espacio y el tiempo que tienen lugar dentro de los límites espaciales de un organismo vivo?”.

Es decir, estaban indagando ya en si detrás de la vida podía haber fenómenos cuánticos. En Inglaterra por los mismos años, una serie de investigadores, genetistas, biólogos, bioquímicos, etcétera, también empezaron a debatir y a hacerse preguntas sobre si esta aproximación cuántica tenía relevancia en la química orgánica, la química de la vida, y no solo en la química inorgánica, la de los materiales inertes.

Ahora sabemos que la respuesta es sí. Hay fenómenos cuánticos relacionados con la biología. Por ejemplo, en la fotosíntesis que, de hecho, yo he investigado. Y también en todos los procesos de transferencia de electrones. En el caso de la fotosíntesis, se producen fenómenos cuánticos en las primeras etapas cuando la luz activa las clorofilas y se inicia el transporte de electrones en la membrana interna del cloroplasto —un orgánulo de la célula vegetal—. Las clorofilas forman parte de los complejos de antenas que hay en los cloroplastos de las hojas de las plantas, y son las que les dan el color verde. Estas clorofilas reciben la luz del sol y convierten esa energía lumínica en energía química. Detrás de la transferencia de energía y del transporte de electrones hay procesos regidos por la mecánica cuántica. 

La energía luminosa incide en los pigmentos de las hojas de las plantas. Esos pigmentos (clorofilas) procesan los fotones de luz que reciben y excitan (activan) los electrones de otros pigmentos cercanos. De esta manera, la energía lumínica se convierte en energía electrónica que se trasmite a través de distintas moléculas de las hojas y se almacena en energía química (ATP) que la planta utiliza en todos los procesos del metabolismo vegetal. Esto es extrapolable a cualquier mecanismo de oxidación-reducción en las células donde se producen intercambios de electrones. En estos procesos tienen lugar fenómenos cuánticos. 

Por ejemplo, en la respiración celular que tiene lugar en las mitocondrias hay una cadena de transporte de electrones que está gobernada por principios termodinámicos y principios de mecánica cuántica. O en los receptores de luz, por ejemplo, en la visión, hay moléculas que son las receptoras del estímulo luminoso y ahí también se producen fenómenos cuánticos. E incluso en el olfato en el que también hay procesos de transferencia de electrones en los receptores olfativos. O en la actividad de las enzimas, que son moléculas que funcionan como catalizadores biológicos, también se producen fenómenos cuánticos. 

Muchas veces cuando oímos hablar de física cuántica nos fijamos en que se habla de procesos que tienen lugar a muy bajas temperaturas lo que podría parecer contradictorio con que en el metabolismo de las células, que funciona a temperatura ambiente, se produzcan procesos de física cuántica. Pero es porque no son los procesos de física cuántica los que necesitan temperaturas bajísimas para producirse sino su observación. 

Cuando las investigadoras y los investigadores tenemos que medir experimentalmente esos procesos es cuando necesitamos congelarlos. La razón es que estos procesos son ultrarrápidos y la única forma de verlos es al congelarlos. Por ejemplo, en la fotosíntesis el tiempo de las transferencias de energía y de electrones son del orden de femtosegundos (10^-15) y picosegundos (10^-12), muy por debajo de los milisegundos (10^-3). Es decir, los fenómenos cuánticos se producen a temperatura ambiente, pero para observarlos necesitamos bajar sus temperaturas.

Un área en la que ha habido cierta controversia en estos últimos años es la neurociencia porque algunas de las personas que investigan en biología cuántica defienden que también hay fenómenos cuánticos en las conexiones neuronales, en las sinapsis. Pero otros investigadores que han intentado observar esos procesos cuánticos en el cerebro, no los han encontrado. Aunque el cerebro es muy complejo, tiene muchos mecanismos que funcionan de diferentes maneras así que podría ocurrir que algunos de ellos sí estuvieran sujetos a fenómenos cuánticos y otros, no. Pero esto es un interrogante porque todavía no hay una posición consensuada.

Inmaculada Yruela Guerrero es Investigadora científica en la Estación Experimental de Aula Dei (EEAD), CSIC.

Coordinación y redacción: Victoria Toro.

Pregunta enviada por José Jiménez.

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