La vida encuentra un camino

El investigador del Conicet y de la Facultad de Ciencias Exactas y Naturales de la UNCUYO Cristian Sánchez, explica principios esenciales para captar y desarrollar fuentes de energía natural.

La vida encuentra un camino

Los paneles solares del Parque Solar Fotovoltaico Cañada Honda, en San Juan, poseen una eficiencia del 14 %. Foto: decu3.com.ar.

Sociedad Unidiversidad Física cuántica y arte / por Cristian Sánchez, investigador del Conicet y de la Facultad de Ciencias Exactas y Naturales / Publicado el 10 DE MAYO 2019

Los 7500 millones de humanos que habitamos el planeta Tierra utilizamos cada segundo una cantidad de energía equivalente a 20 000 veces la generada por la central nuclear Atucha II funcionando a plena potencia. Una Atucha II por cada 400 000 de nosotros. La enorme mayoría de esa energía proviene de fuentes no renovables.

La energía solar capturada por todos los ecosistemas planetarios es apenas diez veces superior a la que los humanos consumimos. Con esa energía alcanza para alimentar a todas las formas de vida que habitan nuestro planeta. Podemos considerarnos una especie sumamente glotona, pues apenas representamos el 0,0002 % de la biomasa terrestre. Esta comparación es aún más odiosa si tenemos en cuenta que somos tan solo una especie dentro de la vastísima biodiversidad global, tan vasta que se estima que hemos catalogado nada más que el 0,001 % de las especies que coexisten con nosotros.

La fuente de energía natural del planeta es nuestra estrella más cercana y el mecanismo desarrollado de forma evolutiva para utilizarla se denomina fotosíntesis. La fotosíntesis es el mecanismo por el cual se captura energía solar para ser transformada en sustancias químicas, que luego son utilizadas para llevar a cabo el resto de las funciones biológicas. Los insumos utilizados son agua, dióxido de carbono y luz. El oxígeno es subproducto del proceso.

El proceso fotosintético posee varias etapa. Primero debe captarse la energía solar para luego ser convertida en energía química. La eficiencia del proceso inicial de captación de energía solar en la fotosíntesis es muy cercana al 100 %. En comparación, la eficiencia de las celdas solares utilizadas en satélites de comunicaciones es cercana al 45 %. Los paneles del Parque Solar Fotovoltaico Cañada Honda, en la provincia de San Juan, poseen una eficiencia del 14 %. Existen hoy muchos programas de investigación que intentan inspirarse en la eficiencia fotosintética para generar tecnologías superadoras, pero para poder aprender de la fotosíntesis es necesario entenderla.

Entre la física y la música

Esos son los dos mundos que habitan al científico Alberto Rojo. El martes 14, a las 16, brindará un coloquio con entrada libre y gratuita en la Facultad de Ciencias Exactas y Naturales de la UNCUYO.

 

Un gato vivo y muerto

La extraordinaria eficiencia del proceso fotosintético primario es un enigma. Una de las más fuertes y atrevidas hipótesis para explicarla es que la fotosíntesis echa mano al principio cuántico de superposición para lograr su cometido. La superposición es la base para la paradoja que envuelve al gato en el experimento imaginado por Erwin Schrödinger en 1935. En el experimento imaginado, el gato se encuentra en una superposición de estados correspondientes a "vivo" y "muerto".

Antes de seguir el camino cuántico, necesitamos detenernos un poco más en la biología. A principios de la década del 30, gracias a los experimentos de Emerson y Arnold, se determinó que eran necesarias unas 2500 moléculas de clorofila para generar una única molécula de oxígeno. Hoy, gracias al producto de casi cien años de investigación interdisciplinaria, conocemos con detalle molecular la maquinaria fotosintética. Sabemos que cada centro de reacción capaz de producir energía química está conectado a una antena fotosintética. Esta antena es un andamio hecho de proteína que sostiene miles de moléculas de clorofila en las inmediaciones del centro de reacción.

Cada molécula de clorofila captura unos diez fotones por segundo de la luz solar que recibe. Cada fotón es una unidad indivisible de energía lumínica. Todos y cada uno de esos diez fotones captados por cada una de las miles de moléculas de clorofila en la antena son capturados en el centro de reacción con una eficiencia del 100 %. Si pensamos que la energía atrapada por una molécula de clorofila salta al azar entre ellas y encuentra así su camino al centro de reacción, es imposible explicar la eficiencia del sistema. Aún si suponemos que existe un "embudo" energético que lleve la energía al centro de reacción, resulta muy difícil dar cuenta de su eficiencia. Es ahí donde los misteriosos mecanismos cuánticos pueden ser la llave para develar el secreto de la fotosíntesis.

Si nos permitimos pensar que cada porción de energía capturada en una clorofila del complejo antena puede recorrer no uno, sino todos los caminos posibles al centro de reacción, entonces la eficiencia del 100 % resulta plausible. Si al entrar a la puerta de un laberinto soy capaz de recorrer todos los caminos posibles al mismo tiempo, entonces con seguridad encontraré la salida. ¿Pero cómo es posible recorrer todos los caminos al mismo tiempo? De la misma manera en que el gato de Erwin puede estar vivo y muerto al mismo tiempo.

El principio de superposición de la mecánica cuántica enuncia que si "vivo" y "muerto" son estados posibles para un sistema, entonces también lo es su "suma" o superposición. Esa superposición es un estado nuevo y distinto a cada uno de sus componentes. Es una consecuencia del mismo principio que cuando algo se mueve de un lugar a otro lo haga recorriendo absolutamente todos los caminos posibles. En la práctica, las superposiciones de objetos como gatos son extremadamente frágiles, tan frágiles que son imposibles, y es por eso que el mundo de los objetos grandes luce como luce y no como una colección de monstruos. ¿Será posible que la antena fotosintética se encuentre en un estado superpuesto? Existe evidencia experimental de que esto es así.

Cuando un afinador de pianos usa un diapasón para encontrar una cuerda desafinada, escucha un ulular, un ritmo que es más rápido cuanto más desafinada esté la cuerda respecto del diapasón. Cuando un sistema cuántico se halla en un estado superpuesto, algunas de sus propiedades pulsan rítmicamente en el tiempo. Esos ritmos son la "huella dactilar" cuántica de los sistemas que se hallan en estados superpuestos. Podríamos decir que cada camino de los que el sistema recorre en paralelo tiene una "nota" característica: las leves diferencias de afinación entre los distintos caminos producen ritmos que pueden medirse. Esos ritmos se llaman "oscilaciones de Rabi" en honor al físico Isidor Isaac Rabi (quien recibió el premio Nobel de física en 1944 por su descubrimiento de la resonancia magnética nuclear).

En 2007, un equipo de biólogos, físicos y químicos norteamericanos publicó la primera evidencia de la existencia de oscilaciones de Rabi en una proteína parte del complejo antena de una bacteria que vive a grandes profundidades en el Mar Negro. Desde entonces, se han encontrado estas oscilaciones en otras proteínas fotosintéticas de otros organismos, incluidas plantas superiores. Esta evidencia parece indicar que las antenas fotosintéticas pueden encontrarse en estados superpuestos en los que los "muchos caminos" pueden explorarse en paralelo. Citando al personaje Ian Malcom, encarnado por Jeff Goldblum en la película Parque Jurásico: "La vida, uh, encuentra un camino".

ciencias | naturales | exactas | uncuyo | mecánica | cuántica | física | solar | energía