Una Estructura Nanofotónica para Entrelazar Bacterias Fotosintéticas

Por: William Brown, Biofísico de Resonance Science Foundation

Hay un fallo evidente en el modelo físico actual y predominante sobre el comportamiento fundamental y la naturaleza del universo: la teoría física actual es una amalgama polémica de dos modelos separados que parecen ser incompatibles en la caracterización de un par de propiedades importantes, como la gravedad y el tiempo. Uno de los mayores retos para unificar la descripción de la microescala, descrita por la física cuántica, con la macroescala, descrita por la mecánica Einsteiniana, es delimitar la transición entre lo que se considera no clásico, o comportamiento cuántico, y el comportamiento clásico que parece característico de la macroescala. Si la "materia" se comporta de forma diferente cuando se encuentra en escalas moleculares e inferiores, entonces se necesitan dos modelos diferentes para describir la "materia" que comprende el universo; uno para la escala microscópica y otro para la macroscópica.

Un giro interesante de los acontecimientos en la última década es la indicación de que el sistema vivo puede ser capaz de arrojar luz sobre la cuanticidad de la materia en diferentes condiciones y a diferentes escalas, un paso importante hacia una unificación plenamente acordada de los dos regímenes de la física. Los organismos vivos y sus biomoléculas asociadas constituyen un estado de la materia extremadamente singular y, por tanto, ofrecen una oportunidad única para estudiar el comportamiento mecánico cuántico en grandes sistemas multipartícula en el campo de la biología cuántica.

Ya se ha observado un comportamiento cuántico dentro del sistema biológico en la fotosíntesis, el transporte de electrones, la cinética de las enzimas, la magnetorrecepción y en grandes macromoléculas como los microtúbulos. Además, se ha observado un comportamiento cuántico novedoso, como la estabilización de la coherencia cuántica -a través de la zeno dinámica cuántica- en la importante biomolécula: proteína verde fluorescente de laboratorio (aislada de organismos bioluminiscentes como las medusas). La especial disposición de la materia que componen las proteínas fluorescentes protege los estados cuánticos que contienen de la decoherencia (entrelazamiento con el entorno).

En un significativo "paso adelante" de los grandes sistemas biomacromoleculares, investigadores de la Universidad de Oxford han sorprendido a la comunidad científica con el anuncio del éxito del entrelazamiento de organismos bacterianos enteros con fotones. El estudio, publicado en el Journal of Physics Communications y dirigido por la física cuántica Chiara Marletto, consistió en el encadenamiento de cientos de bacterias verdes de azufre fotosintéticas entre dos espejos separados por unos cientos de nanómetros. De forma similar a la metodología empleada en la tecnología de la luz amplificada por emisión de radiación estimulada (LASER), el equipo de investigación introdujo fotones blancos en la cavidad óptica, haciendo que los fotones rebotaran entre los dos espejos. Al hacer que las bacterias que se encuentran en su interior absorban, emitan y reabsorban continuamente los fotones que rebotan, toda la maquinaria fotosintética de los organismos se acopla fuertemente a la microcavidad fotónica, de tal manera que las bacterias están realmente entrelazadas.

De hecho, los investigadores explican que la firma energética de los fotones que interactúan con los sistemas fotosintéticos de las bacterias indica que existe un fuerte entrelazamiento entre las bacterias y la cavidad óptica. Tristian Farrow, físico de la Universidad de Oxford que revisó el trabajo, comentó que "ciertamente es clave para demostrar que estamos en cierto modo cerca de la idea de una 'bacteria de Schrödinger', si se quiere".

Los experimentos posteriores intentarán poner al organismo multicelular, el  tardígrado en un estado cuántico. El tardígrado es varios cientos de veces mayor que las bacterias utilizadas en anteriores experimentos de entrelazamiento, y los indicios de un estado cuántico en un organismo de este tipo serían la mayor cantidad de "cosas" que se ha demostrado que están entrelazadas cuánticamente. Dice Farrow. "Se trata de entender la naturaleza de la realidad, y de saber si los efectos cuánticos tienen una utilidad en las funciones biológicas. En el fondo, todo es cuántico". Y es indudable que, tras 3.800 millones de años de evolución (o incluso 8.000 millones de años o más si se consideran las posibilidades de la panspermia), el ingenio del sistema viviente ha permitido a la vida utilizar las propiedades intrínsecas de la materia que caracterizamos como "cuánticas", perfeccionando siempre la adaptabilidad del sistema viviente y su capacidad para crecer y prosperar.

Informe original: A Nanophotonic Structure Containing Living Photosynthetic Bacteria