Excelenciencia

Fenómenos cuánticos inesperados

Xavier Pujol Gebellí

CIENCIA     |    BIOLOGÍA CUÁNTICA    |    06/03/2014

La alta eficiencia de la fotosíntesis es posible gracias a la activación de fenómenos cuánticos. Así lo sugieren los trabajos liderados por Niek van Hulst en el Instituto de Ciencias Fotónicas. Los hallazgos del investigador holandés afincado en Barcelona abren la puerta a futuras aplicaciones en el campo de la energía.

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Los fenómenos cuánticos son extraordinariamente difíciles de identificar y mucho más de reproducir. Para visualizarlos suelen ser necesarias condiciones que raramente se dan en la naturaleza, como bajísimas temperaturas y presiones. De ahí que haya sido normal hasta tiempos recientes descartar este tipo de fenómenos en sistemas vivos, en los que temperatura y presión se combinan a la perfección con el ambiente.

La realidad, sin embargo, parece ser distinta. En la última década diversos estudios han sugerido que la mecánica cuántica no solo existe en el mundo nanoscópico sometido a condiciones extremas. También podría verificarse en sistemas biológicos complejos en condiciones ambientales. Es lo que se denomina biología cuántica. La emergencia de algunas funciones cerebrales superiores, como la conciencia, sería uno de estos casos, aunque nada hay probado al respecto.

La fotosíntesis podría ser otro. Al respecto empiezan a acumularse evidencias. Niek van Hulst, en el Instituto de Ciencias Fotónicas (ICFO), consta como el primero en evidenciar este tipo de fenómenos. A ellos atribuye la altísima eficiencia, superior al 90%, del sistema fotosintético. «La evolución ha perfeccionado un sistema por ahora inimitable», precisa el científico. El mejor sistema que imita a la fotosíntesis apenas supera el 20% en eficiencia.


Cazar moléculas


Los trabajos liderados por van Hulst dieron la vuelta al mundo científico durante el verano de 2013 tras publicar en Science sus observaciones en un sistema fotosintético bacteriano. El planteamiento inicial de su trabajo era tratar de ver una molécula individual en actividad en un sistema biológico «razonablemente complejo» en condiciones ambientales de temperatura y presión. Justo lo contrario de lo que es habitual, es decir, ver una molécula a baja presión y temperatura en un sistema inerte.

Van Hulst escogió la fotosíntesis por ser un sistema bien establecido desde hace años, incluido el nivel molecular. Se sabe, como es conocido, que los fotones son absorbidos por la clorofila, la cual de algún modo los transporta hasta un punto donde la energía solar es transformada –y almacenada– en forma de energía química. Lo que no se había establecido hasta el momento es como se establece ese tránsito «molécula a molécula».

El científico neerlandés, con una larga trayectoria en estudios similares, diseñó una metodología capaz de ver una molécula de clorofila a temperatura y presión ambiente y, lo que es fundamental en este caso, visualizar igualmente, su actividad en tiempo real. Huelga decir que todo ello significa ver moléculas una a una en escala nanométrica y en femtosegundos. Es decir, «ultrapequeño y ultrarrápido». El ICFO se convertía así en el primer centro en el mundo capaz de lograr esa combinación. Y van Hulst en un cazador de moléculas en sistemas vivos.

Escoger una bacteria fotosintética tiene también un punto de practicidad: es un organismo «extraordinariamente manejable» y sus moléculas de clorofila están altamente disponibles. Ello facilita trazar correspondencias, que aún deben verificarse, en plantas superiores.

El caso, no obstante, es que los estudios de van Hulst permiten visualizar como las moléculas ser organizan formando círculos o anillos de distinto tamaño y forma. De acuerdo con las observaciones, los fotones son absorbidos por las moléculas de clorofila, los cuales los van «transfiriendo» a las moléculas vecinas de forma aparentemente caótica hasta que se activa lo que se ha convenido en denominar un «centro de reacción».


La mejor vía


Lo que ocurre en realidad es que el fotón escoge la «mejor vía» para su desplazamiento atendiendo las necesidades del sistema. Ese paso de molécula a molécula «expresa características cuánticas», señala van Hulst, lo mismo que la activación del centro de reacción, donde la energía solar se transforma en energía química.

El sistema aparenta desorden, pero es solo eso, una apariencia. La evolución ha ido refinando el sistema, dice van Hulst, hasta alcanzar una organización molecular altamente eficiente en la que el fotón «es el combustible» para una reacción química que científicos de todo el mundo están tratando de replicar artificialmente.



«Olvídense de las actuales placas solares»


Las placas solares fotovoltaicas convencionales tienen un rendimiento bajísimo. A efectos prácticos, tan solo es posible transformar entre el 10% y el 20% de la energía solar. En casos de extrema sofisticación, lo cual significa también un coste económico elevado, se han logrado células solares que alcanzan el 30%. Con la fotosíntesis se logra ni más ni menos que el 90% de eficiencia.

El rendimiento tan elevado ha animado a numerosos grupos en el mundo a tratar de emular el sistema fotosintético e, incluso, conseguir una hoja artificial capaz de transformar la energía lumínica en química y mantenerla almacenada. Aunque se han dado pasos interesantes en este sentido, todavía no es posible hablar de resultados realmente trascendentes.

Niek van Hulst, aunque no trabaja directamente en este campo, ve factible llegar a obtener una membrana o u a superficie que emule a los sistemas fotosintéticos. Su trabajo, opina, puede contribuir a ello al haber determinado cómo la organización molecular y el transporte de fotones lleva a una reacción química. Si se diera el caso, exclama, «que se olviden de las actuales placas solares».

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Xavier Pujol Gebellí

Periodista

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Excelencia Severo Ochoa

Logos colaboradores julio 2014

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