Respirar también es un fenómeno cuántico

La mecánica cuántica tiene implicaciones incluso sobre procesos tan básicos como los relacionados con la vida misma. Es algo que intento explicar de la manera más sencilla posible en mi reciente libro sobre biología cuántica.

Procesos como la quiralidad, la fotosíntesis, la respiración, la genética y epigenética, la migración aviar y el olfato pueden analizarse desde un enfoque cuántico. Por extensión, la aparición de la conciencia y la mente en las personas. Al final, el objetivo principal del libro es cuestionarnos si la vida, en su sentido más amplio, tiene un origen cuántico o no. Más aún, se invita a reflexionar sobre si la vida tiene un objetivo. Hablaríamos entonces de teleología (en caso afirmativo) o disteleología (en caso negativo).

Hoy no se discute que la materia animada e inanimada está compuesta de moléculas, átomos, electrones, protones y neutrones. En el mundo microscópico, el estudio de estos sistemas físicos y químicos se realiza dentro del marco general de la mecánica cuántica. En este sentido, se habla de efectos cuánticos triviales. No obstante, cuando se tiene que describir procesos microscópicos a partir del llamado efecto túnel, la superposición de estados, la coherencia cuántica y el entrelazamiento pasamos a hablar de efecto cuánticos no triviales.

Este es el origen de la biología cuántica: ver cómo estos efectos no triviales influyen de forma decisiva en todos los procesos biológicos. Algunos fundadores de la mecánica cuántica fueron pioneros en este campo, como como Bohr, Jordan y Schrödinger a lo largo de las primeras décadas del siglo pasado. What´s life?, el excelente ensayo de Schrödinger, cumple sus bodas de diamantes precisamente este año.

Esta disciplina quedó aletargada durante mucho tiempo. Resurgió a partir del año 2007, cuando unos experimentos sobre la fotosíntesis parecieron indicar que la coherencia cuántica estaba detrás de su increíble eficiencia. Observar esa coherencia, o la validez de esta teoría durante períodos de tiempo muy cortos, en un medio caliente, húmedo, turbulento y caótico, fue una gran sorpresa.

Es verdad que los experimentos se realizaron a muy bajas temperaturas, pero abrieron una nueva línea de investigación. A lo largo de los últimos años, la temperatura de los ensayos ha subido sin perderse la coherencia cuántica. Como no podía ser de otra manera, estos trabajos han dado lugar a profundos y acalorados debates entre los especialistas, con algunos que se posicionan a favor y otros, en contra.

Este es el gran problema con el que nos encontramos. En biología cuántica los sistemas son abiertos. Es decir, no podemos olvidarnos de la interacción con el medio que les rodea. Si el gato sería el animal cuánticopor excelencia de los sistemas cerrados (no interaccionan con el medio), el camaleón lo sería en los sistemas abiertos, ya que su comportamiento depende del medio que le rodea en cada instante. En estos sistemas, los efectos cuánticos no triviales dejan de actuar gradualmente hasta llegar a lo que se conoce como decoherencia. Es decir, cuando emerge el mundo clásico o macroscópico.

El efecto túnel en la respiración

La respiración podría tener detrás algún efecto no trivial, el efecto túnel. Este, de naturaleza puramente cuántica, es más ubicuo de lo que pensamos. Por ejemplo, está casi siempre presente cuando existe un transporte de electrones en un dispositivo electrónico.

La imagen clásica más sencilla que se puede dar de este efecto es cuando se oye la música de una habitación en la de al lado. Las ondas sonoras atraviesan la pared. No obstante, una pelota de tenis, no puede atravesarla. Los electrones, que son onda y partícula a la vez, pueden atravesar paredes y encontrarse en las dos habitaciones al mismo tiempo debido a la superposición de estados.

Si los electrones en una habitación son de color azul y en la otra de color amarillo, los electrones, en ese trasiego de una habitación a la otra. serían de color verde. Su tonalidad dependería de la proporción de azul y amarillo que tengamos en cada momento. En la respiración, los electrones dentro de la célula van saltando de una enzima a otra a través del efecto túnel y esto implica de nuevo mantener la coherencia cuántica un cierto tiempo en este proceso vital.

Hacia una nueva biología

Paralelamente, la investigación sobre otros procesos vitales como la mutagénesis, la migración aviar y el olfato ya se estaban desarrollando bajo la misma óptica de intentar suministrar una explicación plausible recurriendo a alguno de los efectos no triviales.

Por ejemplo, la quiralidad, y en concreto la homoquiralidad biológica (por qué los seres vivos solo presentan una conformación de las dos posibles, los aminoácidos son levógiros y los azucares son dextrógiros). Ya se sabía de su origen cuántico por la presencia, entre otras razones, del efecto túnel. En todos los procesos mencionados arriba no existe ninguna explicación definitiva y, por tanto, aceptada por la comunidad científica. Son problemas totalmente abiertos hoy en día.

La biología cuántica aún está en su infancia; su futuro es muy prometedor. Estudiar los procesos vitales en el laboratorio mimetizando el medio y las condiciones iniciales necesarias es una tarea harto difícil, pero no imposible. Por supuesto, nuevos trabajos teóricos son necesarios para su correcta explicación. En este largo camino, no hay ninguna duda que estos estudios mejorarán nuestras vidas al aportar nuevos conocimientos y aplicaciones en medicina, biotecnología, economía, bienestar social, tecnologías cuánticas y un largo etcétera.

Salvador Miret Artés es director del IFF, Instituto de Física Fundamental (IFF – CSIC).

Publicado originalmente por The Conversation.