Cómo la biología cuántica podría explicar las mayores preguntas de la vida

¿Cómo sabe un petirrojo volar al sur? La respuesta podría ser más extraña de lo que piensas; la física cuántica puede estar involucrada. Jim Al-Khalili repasa el muy nuevo y muy extraño mundo de la biología cuántica, algo que Einstein una vez llamó "acción fantasmal a distancia" que ayuda a las aves a navegar, y cuyos efectos cuánticos podrían explicar el origen de la vida misma.

Me gustaría presentarles
un área emergente de la ciencia,

que sigue siendo especulativa,
pero muy emocionante, y,

sin duda, un área que está
creciendo muy rápidamente.

La biología cuántica plantea
una pregunta muy simple:

¿Juega la mecánica cuántica

--esa teoría extraña,
maravillosa y potente

del mundo subatómico
de átomos y moléculas

que sustenta gran parte de
la física moderna y la química---

también un papel en el interior
de la célula viva?

En otras palabras: ¿Existen
procesos, mecanismos, fenómenos,

en los organismos vivos
que solo pueden explicarse

con ayuda de la mecánica cuántica?

La biología cuántica no es nueva;

ha estado presente
desde la década de 1930.

Pero solo en la última década más o menos
los experimentos minuciosos,

en laboratorios de bioquímica,
usando espectroscopia,

han mostrado clara y firme evidencia
de que hay ciertos mecanismos específicos

que requieren de la mecánica cuántica
para que puedan explicarse.

La biología cuántica reúne
a los físicos cuánticos, bioquímicos,

biólogos moleculares...
es un campo muy interdisciplinario.

Vengo de la física cuántica,
así que soy físico nuclear.

He pasado más de tres décadas

tratando de entender
la mecánica cuántica.

Uno de los fundadores de
la mecánica cuántica, Niels Bohr,

dijo: Si Ud. no está asombrado por
ella, entonces no la ha entendido.

Así que me satisface estar
todavía asombrado por ella.

Eso es bueno.

Pero significa que estudio estructuras
muy pequeñas del universo,

los bloques de construcción
de la realidad.

Si pensamos en la escala de tamaños,

comienza con un objeto cotidiano
como la pelota de tenis,

y acaba con órdenes de
gran magnitud de tamaño:

desde el ojo de una aguja hasta
la célula, la bacteria y la enzima,

para llegar, finalmente, al nanomundo.

Puede que hayan oído hablar
de la nanotecnología.

Un nanómetro es la mil millonésima
parte de un metro.

Mi área es el núcleo atómico,
el pequeño punto dentro de un átomo.

Es incluso más pequeño en escala.

Este es el dominio
de la mecánica cuántica,

y los físicos y los químicos
han tenido mucho tiempo

para tratar de acostumbrarse a él.

Los biólogos, por el contrario, lo han
tratado a la ligera, en mi opinión.

Ellos están muy contentos con sus
modelos de moléculas de bolas y palillos

(Risas)

Las bolas son los átomos, los palillos
los enlaces entre los átomos.

Y cuando no pueden construirlos
físicamente en el laboratorio,

hoy en día, tienen
computadoras muy potentes

que simularán una molécula enorme.

Esta es una proteína formada
por 100 000 átomos.

No precisa mucho que la mecánica
cuántica se lo explique.

La mecánica cuántica se desarrolló
en la década de 1920.

Es un conjunto de reglas e ideas
matemáticas bellas y poderosas

que explican el mundo de lo muy pequeño.

Y es un mundo muy diferente
a nuestro mundo cotidiano,

compuesto por miles
de millones de átomos.

Es un mundo construido sobre
la probabilidad y posibilidad.

Es un mundo difuso.

Es un mundo de fantasmas, donde

las partículas también se pueden
comportar como ondas de propagación.

Si imaginamos la mecánica cuántica
o la física cuántica,

como la base fundamental
de la realidad misma,

entonces no es extraño
que digamos que

la física cuántica sustenta
la química orgánica.

Después de todo, da las reglas
que dictan

cómo los átomos se unen
para formar moléculas orgánicas.

La química orgánica,
ampliada en la complejidad,

nos da la biología molecular,
que por supuesto lleva a la vida misma.

Así que en cierto modo,
no es una sorpresa.

Es casi trivial: uno dice:

"En última instancia, la vida
depende de la mecánica cuántica".

Pero lo mismo ocurre con todo lo demás.

También lo hace toda
la materia inanimada,

formada por miles
de millones de átomos.

En última instancia,
hay un nivel cuántico

donde tenemos que
profundizar en esta rareza.

Pero en la vida cotidiana,
podemos olvidarlo.

Porque una vez que
juntas billones de átomos,

la rareza cuántica
simplemente se disuelve.

La biología cuántica no trata de esto.

La biología cuántica no es tan obvia.

Claro, la mecánica cuántica sustenta
la vida en algún nivel molecular.

La biología cuántica trata
de buscar lo no trivial,

las ideas contraintuitivas
en la mecánica cuántica...

y al observar si lo hacen, ciertamente,
juegan un papel importante

en la descripción
de los procesos de la vida.

Este es mi ejemplo perfecto
de la contraintuitividad

del mundo cuántico.

Es el esquiador cuántico.

Parece intacto, y perfectamente sano,

y, sin embargo, parece que ha bordeado
ambos lados de ese árbol al mismo tiempo.

Bueno, si vieron pistas como esas

se imaginarán que es un truco,
por supuesto.

Pero en el mundo cuántico,
esto sucede todo el tiempo.

Las partículas pueden ser multitarea,
pueden estar en dos lugares a la vez.

Pueden hacer más
de una cosa a la vez.

Las partículas pueden comportarse
como ondas de propagación.

Es casi como magia.

Los físicos y químicos
han tenido casi un siglo

para acostumbrarse a esta rareza.

No culpo a los biólogos

por no haber podido o querido
aprender mecánica cuántica.

Esta rareza es muy delicada;

y los físicos trabajamos arduamente
para mantenerlo en nuestros laboratorios.

Enfriamos nuestro sistema
hasta cerca del cero absoluto,

llevamos a cabo experimentos
en el vacío,

tratamos de aislarlos de
cualquier perturbación externa.

Muy diferente al ambiente cálido,
desordenado y ruidoso de una célula viva.

La biología en sí misma,
si piensan en la biología molecular,

parece haber funcionado muy bien
describiendo todos los procesos de la vida

en términos químicos,
como reacciones químicas.

Y estas son las reacciones químicas
reduccionistas, deterministas,

que muestran que, en esencia,

la vida está hecha de la misma
materia que todo lo demás,

y si podemos olvidarnos de la
mecánica cuántica en el mundo macro,

entonces deberíamos poder olvidarnos
de él en la biología, también.

Bueno, un hombre no estuvo
de acuerdo con esta idea.

Erwin Schrödinger,
del famoso gato de Schrödinger,

fue un físico austríaco.

Uno de los fundadores de la mecánica
cuántica en la década de 1920.

En 1944, escribió un libro titulado:
"¿Qué es la vida?"

Tuvo una tremenda influencia.

Influyó en Francis Crick
y en James Watson,

descubridores de la estructura
de doble hélice del ADN.

Parafraseando una descripción
en el libro, dice:

A nivel molecular, los organismos vivos
tienen un cierto orden,

una estructura para ellos
que es muy diferente

de los empujones termodinámicos
aleatorios de átomos y moléculas

existente en la materia inanimada
de la misma complejidad.

De hecho, la materia viva parece
comportarse en este orden,

en una estructura,

al igual que la materia inanimada
se enfría hasta cerca del cero absoluto,

donde los efectos cuánticos
juegan un papel muy importante.

Hay algo especial acerca
de la estructura, del orden

en el interior de una célula viva.

Así, Schrödinger especuló con que

la mecánica cuántica, tal vez,
jugara un papel en la vida.

Es una idea muy especulativa
de largo alcance,

y, en realidad, no llegó muy lejos.

Pero, como ya dije al principio,

en los últimos 10 años,
han surgido experimentos,

que evidencian que algunos
fenómenos en biología

parecen requerir
de la mecánica cuántica.

Quiero compartirles algunos
de los más emocionantes.

Este es uno de los fenómenos
más conocidos en el mundo cuántico,

el túnel cuántico.

A la izquierda de la pared se muestra
el paquete de ondas, que extiende

una entidad cuántica,
una partícula, como un electrón,

que no es una pequeña pelota
que rebota en una pared.

Es una onda que tiene
una cierta probabilidad de permear

a través de una pared sólida,

como un fantasma que la atraviesa
hasta el otro lado.

Se ve una mancha tenue de
luz en la parte derecha.

El túnel cuántico sugiere que

una partícula puede golpear
una barrera impenetrable,

y, sin embargo, de algún modo,
como por arte de magia,

desaparece de un lado
y reaparece en el otro.

La forma más bonita de explicarlo es que
si quieren lanzar una pelota a una pared,

hay que darle
con la energía suficiente

para alcanzar
la parte superior de la pared.

En el mundo cuántico, no hay que
lanzarla por encima del muro,

se puede lanzar a la pared, con una
cierta probabilidad distinta de cero

de que desaparezca de su lado,
y aparezca en el otro.

Esto no es especulación, por cierto.

Estamos felices, bueno "felices"
no es la palabra correcta,

(Risas)

estamos familiarizados con esto.

(Risas)

El túnel cuántico tiene lugar
todo el tiempo;

de hecho, es la razón
de que nuestro Sol brille.

Las partículas se funden,

y el Sol convierte hidrógeno
en helio a través del túnel cuántico.

Ya en los años 70 y 80, se descubrió
que el efecto túnel cuántico también

ocurre en el interior de las células.

Las enzimas, los caballos
de batalla de la vida,

los catalizadores de
las reacciones químicas,

son biomoléculas que aceleran
las reacciones químicas

en las células vivas,

en muchos órdenes de magnitud.

Y siempre ha sido un misterio
cómo lo hacen.

Bueno, se descubrió

que uno de los trucos es que las enzimas
han evolucionado para usarlo

mediante la transferencia
de partículas subatómicas,

como los electrones y,
de hecho, los protones,

de una parte de una molécula
a otra a través del túnel cuántico.

Es eficiente, es rápido,
puede desaparecer,

un protón puede desaparecer
de un lugar y reaparecer en otro.

Las enzimas ayudan a que esto suceda.

Esta es una investigación
llevada a cabo en los 80,

por un grupo de Berkeley, Judith Klinman.

Otros grupos en el Reino Unido
han confirmado ahora también

que las enzimas realmente lo hacen.

La investigación realizada
por mi grupo...

como he dicho, soy físico nuclear,

y sé que tengo estas herramientas
para utilizar la mecánica cuántica

en los núcleos atómicos,

por eso puedo aplicar también
esas herramientas en otras áreas.

Una pregunta que nos hacíamos

es si el túnel cuántico juega un papel
en las mutaciones del ADN.

Esto no es una idea nueva,
se remonta a los años 60.

Las dos hebras de ADN,
la estructura de doble hélice,

se mantienen unidas por travesaños,
como una escalera retorcida.

Y los peldaños de la escalera
son enlaces de hidrógeno,

protones, que actúan como
pegamento entre las dos cadenas.

Si nos acercamos, lo que hacen es
mantener estas grandes moléculas,

nucleótidos, juntas.

Acercándonos un poco más.

Esta una simulación informática.

Las dos bolas blancas del medio
son los protones,

y se ve que se trata de
un enlace de hidrógeno doble.

Uno prefiere sentarse en un lado;
el otro, en el otro lado

de las dos hebras de las líneas de abajo
verticales, que no se pueden ver.

Puede suceder que estos dos protones
puedan saltar por encima.

Miren las dos bolas blancas.

Pueden saltar hacia el otro lado.

Si ambas hebras de ADN se separan,
lo que lleva al proceso de replicación,

y los dos protones están
en posiciones erróneas,

esto puede conducir a una mutación.

Esto se sabe desde hace medio siglo.

La pregunta es:
¿Cuán probable es que lo hagan?

Y si lo hacen, ¿cómo lo hacen?

¿Saltan al otro lado, como la pelota
que va por encima del muro?

¿O pueden traspasarlo por
el efecto de túnel cuántico

incluso si no tienen suficiente energía?

Las primeras indicaciones sugieren que

el efecto túnel cuántico
puede jugar un papel aquí.

Todavía no sabemos cuán importante es;

esto es todavía una cuestión abierta.

Es especulativa,

pero es una de esas preguntas
muy importantes, pues

si la mecánica cuántica desempeña
un papel en las mutaciones,

sin duda esto tiene
grandes implicaciones,

para entender
ciertos tipos de mutaciones,

posiblemente, incluso las que llevan
a convertir a una célula en cancerosa.

Otro ejemplo de la mecánica cuántica
en la biología es la coherencia cuántica,

en uno de los procesos
más importantes en la biología,

la fotosíntesis: plantas y bacterias
que obtienen luz solar,

y usan esa energía para crear biomasa.

la coherencia cuántica es la idea de que
las entidades cuánticas son multitarea.

Es el esquiador cuántico.

Es un objeto que se comporta
como una onda,

de modo que no solo se mueve
en una dirección u otra,

sino que puede seguir
múltiples caminos al mismo tiempo.

Hace algunos años, el mundo
de la ciencia se sorprendió

cuando se publicó un artículo que
muestra la evidencia experimental

de que la coherencia cuántica
sucede dentro de las bacterias,

cuando ocurre la fotosíntesis.

La idea es que el fotón,
la partícula de la luz, la luz del sol,

el quantum de luz es captado
por una molécula de clorofila,

para luego dar lo que se llama
el centro de reacción,

donde puede convertirse
en energía química.

Y llegando ahí, no solo sigue una vía;

sino múltiples vías a la vez,

para optimizar la forma más eficaz
de alcanzar el centro de reacción

sin disiparse como calor residual.

La coherencia cuántica ocurre
dentro de una célula viva.

Una idea notable y, además,

la evidencia crece cada semana,
con nuevos documentos

que confirman que esto es así.

Mi tercer y último ejemplo es
la idea más hermosa y maravillosa.

También es todavía muy especulativa,
pero quiero compartirla con Uds.

El petirrojo europeo migra
desde Escandinavia

hasta el Mediterráneo, cada otoño,

y como muchos animales marinos
e incluso insectos,

navegan al detectar
el campo magnético de la Tierra.

El campo magnético
de la Tierra es muy, muy débil;

100 veces más débil
que un imán de refrigerador,

pero afecta a la química, de alguna
manera, dentro de un organismo vivo.

Eso no se cuestiona. Una pareja
de alemanes ornitólogos,

Wolfgang y Roswitha Wiltschko,
en los 70, confirmaron que

el petirrojo encuentra su camino

mediante una forma de detección
del campo magnético de la Tierra,

que les da información direccional...
una brújula incorporada.

El enigma, el misterio era:
¿Cómo lo hace?

Bueno, la única teoría,

no sabemos si es la teoría correcta,
pero es la única teoría,

es que lo hace a través
del entrelazamiento cuántico.

Dentro de la retina del petirrojo,
no bromeo,

dentro de la retina del petirrojo
hay una proteína llamada criptocromo

sensible a la luz.

Dentro del criptocromo, unos electrones
están enredados cuánticamente.

El entrelazamiento cuántico es cuando
dos partículas están muy separadas,

y sin embargo permanecen
en contacto entre sí.

Incluso Einstein odiaba esta idea;

la llamó "acción fantasmal a distancia".

(Risas)

Y si a Einstein no le gustaba,
todos podemos estar incómodos con ello.

Dos electrones cuánticos entrelazados
dentro de una sola molécula

bailan una danza delicada

muy sensible a la dirección
en la que vuelan las aves

en el campo magnético de la Tierra.

No sabemos si es la
explicación correcta, pero guau,

¿no sería emocionante si la mecánica
cuántica ayudara a las aves a navegar?

La biología cuántica
está todavía en pañales.

Sigue siendo especulativa.

Pero creo que se basa en un
fundamento científico sólido.

También creo que en la próxima década,

empezaremos a ver, en realidad,
lo que impregna la vida,

que la vida ha desarrollado trucos
que utiliza del mundo cuántico.

Miren este espacio.

Gracias.

(Aplausos)