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Trayectorias

La biología cuántica

Es un campo emergente del conocimiento que requiere colaboración interdisciplinaria y conocimientos de química y física

Joana Velozo

Con base en el uso de herramientas de la teoría cuántica para el estudio de fenómenos que involucran a los organismos vivos, la biología cuántica se ha constituido como un campo de investigación esencialmente interdisciplinario. El sostén de sus estudios se basa, sobre todo, en la cooperación que establecieron profesionales de la biología, la química y la física, con la mecánica cuántica y la química teórica como elementos centrales de su producción científica.

“El intento de entender y controlar aspectos estructurales de los sistemas biológicos ha llamado la atención de los científicos hacia el estudio de los fenómenos cuánticos, esto es, eventos que no pueden explicarse basándose en la física clásica del mundo macroscópico”, explica Fernando Semião, del Laboratorio de Ciencia y Tecnología en Información Cuántica de la Universidad Federal del ABC (UFABC), donde además de la biología cuántica, también se llevan a cabo estudios sobre información cuántica pura, termodinámica cuántica e investigación experimental en óptica cuántica. En Brasil, sin embargo, los estudiantes de posgrado que deciden realizar investigaciones en el área no disponen de trayectos institucionales, lo que hace necesario un mayor esfuerzo para la obtención, generalmente en forma autónoma, de dichos conocimientos. “Si bien es un campo de investigación prometedor, aquí aún son pocas las instituciones que desarrollan ese tipo de estudios”, analiza Semião.

Las primeras menciones a la biología cuántica se remontan a mediados del siglo XX. En el libro intitulado O que é a vida? O aspecto físico da célula viva [¿Qué es la vida?] (editorial Unesp, 1997),publicado originalmente en 1944 por el físico austríaco Erwin Schrödinger (1887-1961), se introducen conceptos importantes para la constitución de la biología cuántica como campo de estudio, basado principalmente en la complejidad de la materia viva. “Sin embargo, los científicos de aquella época no estaban preparados para enfrentarse a ese reto”, dice Carlos Alberto dos Santos, del Instituto de Física de la Universidad Federal de Alagoas (IF-Ufal). Al exponer las posibilidades de estudio de la termodinámica de sistemas biológicos, la obra comenzó gradualmente a movilizar a los físicos y biólogos.

En la base Web of Science, el primer trabajo con las palabras quantum biology se remonta a 1956. La producción seguiría siendo pequeña hasta principios de este siglo. El cambio de rumbo sobrevino en 2007, con la publicación del artículo intitulado “Evidence for wavelike energy transfer through quantum coherence in photosynthetic systems”, en la revista Nature. En ese trabajo, un grupo de científicos encabezados por el químico británico Graham Fleming, de la Universidad de California en Berkeley, Estados Unidos, obtuvo pruebas de que las macromoléculas involucradas en la fotosíntesis presentan oscilaciones electrónicas que sólo pueden describirse a través de la física cuántica. Desde entonces, el número de artículos científicos se ha disparado. “Es cierto que el campo de estudios comienza a consolidarse a partir de este período”, añade Dos Santos.

Vías de acercamiento

  • Comience por perfeccionar sus conocimientos de las funciones matemáticas
  • Busque programas de posgrado en las áreas de mecánica cuántica o química teórica
  • Intercambie información con investigadores de otras áreas relacionadas, tales como biología, física y química, por ejemplo
  • Manténgase informado de los estudios publicados por centros internacionales especializados en la materia
  • Participe en congresos sobre el tema

Desde la publicación de los estudios del grupo Fleming, la fotosíntesis se ha convertido en el primer fenómeno biológico considerado como un resultado legítimo de la mecánica cuántica. Este fenómeno se describe como un proceso biológico en el que ciertas bacterias, algas y plantas obtienen energía, a partir de los fotones, con absorción de energía, que es transportada por diversas proteínas y transformada en energía química. “El transporte de esta energía ocurre por medio de un efecto denominado coherencia cuántica”, explica Guilherme Menegon Arantes, del Instituto de Química de la Universidad de São Paulo (IQ-USP), quien recurre a la simulación por computadora para investigar los fenómenos cuánticos que involucran biomoléculas. La eficiencia de la conversión de la energía solar en energía química durante el proceso de la fotosíntesis es algo que siempre ha desconcertado a los científicos. Hasta entonces, los efectos cuánticos se caracterizaban por ser fenómenos ultrarrápidos que sólo se producen en entornos controlados y a temperaturas muy bajas.

Interfaz y colaboración
La biología cuántica ha cobrado importancia en el campo de la biomedicina. “El hecho de entender mejor cómo ocurren los fenómenos cuánticos puede impactar e influir en nuestra comprensión de los mecanismos de las enfermedades”, afirma Francisco Laurindo, del Instituto del Corazón de la Facultad de Medicina de la Universidad de São Paulo (InCor-FMUSP), quien ve la posibilidad, de momento todavía teórica, de una integración de conocimientos entre la biología cuántica y la biología redox, un área de estudio ya consolidada y dedicada al estudio de los procesos biológicos que implican reacciones de intercambio de electrones en las biomoléculas de los seres vivos. “Nuestras investigaciones en biomedicina redox se han centrado en el estudio de cómo responden las células vasculares ante distintos tipos de lesiones y cómo los procesos de oxirreducción, es decir, de transferencia de electrones, pueden configurar estos procesos”, explica Laurindo.

Entre las hipótesis aportadas por los preceptos de la biología cuántica se encuentra la que estipula que la alteración del espín –una propiedad intrínseca de las partículas microscópicas, tales como los electrones, protones y átomos– puede estar relacionada con los procesos redox. Laurindo destaca dos hipótesis que surgen de esa perspectiva. La primera está relacionada con los procesos celulares habituales que generan minicampos magnéticos en el interior de la célula y pueden afectar su reacción ante determinados estímulos. En este caso, el fenómeno cuántico sería un mediador de las respuestas celulares. La segunda sería que los campos magnéticos externos, como los que generan las antenas de telefonía, los teléfonos celulares y la televisión, entre otros, podrían interferir en las respuestas adaptativas intracelulares.

La senda de la investigación
Cuando la investigadora Nicole De March decidió realizar estudios en el campo de la biología cuántica en el Instituto de Física de la Universidad Federal de Río Grande do Sul (IF-UFRGS), tuvo que convencer a sus directores acerca de la pertinencia de sus investigaciones. “Aunque pertenezco al área de la física, para poder avanzar en mi investigación de maestría y doctorado tuve que entender conceptos de la biología”, explica. Los descubrimientos resultantes de los avances en la biología cuántica podrían, en el futuro, aumentar su proximidad con los campos de la física y la química, con la consiguiente instauración de disciplinas que contemplen más específicamente esa temática. “El estudio de los fenómenos cuánticos que surgen como nexo entre estas áreas del conocimiento puede transformar los planes de estudio de las carreras de grado”, dice Sandra Denise Prado, de la IF-UFRGS.

Hay instituciones europeas y estadounidenses que ya ofrecen asignaturas que propician la profundización en ese campo. En la Universidad de Surrey, en Inglaterra, por ejemplo, un programa de posgrado en el Leverhulme Quantum Biology Doctoral Training Centre (QB-DTC) permite la formación en temas tales como magnetorrecepción, biofotónica cuántica, tunelaje cuántico en el ADN, efectos cuánticos en la fotosíntesis y decoherencia y ruidos en los sistemas biológicos. En el Center for Quantum Bio-Sciences del Instituto de Física Teórica de la Universidad de Ulm, en Alemania, los estudios de biología cuántica incluyen la fotosíntesis y el transporte de electrones y están entrelazados con las investigaciones sobre las tecnologías cuánticas y la ciencia de la información cuántica, tales como la mecánica estadística cuántica y el procesamiento de señales cuánticas.

En su 12ª edición, la conferencia intitulada Quantum Effects in Biological Systems Workshops (QuEBS) congrega anualmente a los interesados en los estudios de los fenómenos de la mecánica cuántica en sistemas biológicos en áreas tales como física, química, biología, ciencia de materiales y ciencia de la información cuántica. La edición de este año, que estaba prevista para llevarse a cabo en el mes de septiembre, en Grecia, tuvo que ser reprogramada debido a la pandemia de covid-19. Al reunir un promedio de cien investigadores en torno a esos temas, la biología cuántica pone de manifiesto que, aunque pequeña, viene afianzándose como un campo de estudios emergente.

Artículo científico
ENGEL, G. y CALHOUN, T. et al. Evidence for wavelike energy transfer through quantum coherence in photosynthetic systems. Nature. v. 446, n. 7137, p. 782-6. 2007.

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