Francis en Trending Ciencia: La física cuántica de la fotosíntesis

Dibujo20130519 Quantum Secrets of Photosynthesis Revealed

Sigue este enlace si quieres escuchar mi nuevo podcast en Trending Ciencia, que contesta una pregunta/petición formulada por Ces. Como siempre una transcripción del audio.

He elegido como tema para mi nuevo podcast sobre física la respuesta a una pregunta que me ha hecho uno de los lectores de mi blog, Ces, sobre la fotosíntesis y la física cuántica. Ces ha leído que la tasa de conversión de fotones en electrones en la clorofila alcanza el 90% gracias a la física cuántica. En realidad se trata de un mito. Igual que es falso que sólo usemos el 10% de nuestro cerebro, también es falso que la fotosíntesis tenga una eficiencia de más del 90%. La eficiencia máxima de la fotosíntesis como proceso bioquímico que produce biomasa a partir de radiación solar tiene una eficiencia máxima que ronda el 10%. Si sólo tenemos en cuenta los procesos que ocurren en las moléculas de clorofila, la eficiencia de la conversión de la energía de los fotones incidentes en el proceso de transferencia de electrones tiene una eficiencia que ronda el 50%. La eficiencia de más del 90% se refiere al proceso llamado “hopping” por el cual el fotón incidente en una molécula de clorofila produce una onda de tipo excitón que se mueve de forma sucesiva por varias moléculas de clorofila hasta alcanzar la molécula de clorofila “P” que realiza la transferencia de un electrón entre dos moléculas, una dadora de electrones y otra aceptora de electrones. Permíteme que explique todo esto en más detalle.

Dibujo20130519 The distributions of energy density of solar spectrum

La luz del Sol que es activa para la fotosíntesis es la que se encuentra en la banda entre 400 y 700 nm; recuerda que la luz con 400 nm tiene color azul y que la luz con 700 nm tiene color rojo. Como la clorofila absorbe mal en el centro de esta banda, los colores verdes, las hojas de los árboles son verdes (en lugar de negras). Se estima que como mínimos el 5% (y en muchos casos hasta el 10%) de la luz solar en la banda de 400 a 700 nm que incide sobre las hojas de las plantas se refleja y por tanto no es útil para la fotosíntesis.

Los fotones que inciden sobre la molécula de clorofila provocan su transición energética a un estado excitado, cuya relajación posterior se utiliza para producir energía. Los fotones en la banda activa para la fotosíntesis, entre 400 y 700 nm, tienen una energía media por mol de fotones de 205 kJ (kilojulios). La energía necesaria para activar el sistema fotosintético fotosistema II (PSII) es la de un fotón con una longitud de onda de 680 nm, es decir, de unos 176 kJ/mol. Por otro lado, para el sistema fotosintético fotosistema I (PSI) es la energía de un fotón de 700 nm, es decir, 171 kJ/mol. Por tanto, en promedio, el 6,6% de la energía solar incidente se pierde en forma de calor durante la relajación de los estados excitados de la clorofila.

También se pierde energía en el ciclo de Calvin que sintetiza los carbohidratos a partir de CO2 y la energía capturada. En la fotosíntesis C3, el ciclo de Calvin consume tres moléculas de ATP (adenosín trifosfato) y dos de NADPH (nicotinamida-adenina-dinucleótido-fosfato) para asimilar una molécula de CO2 (dióxido de carbono) en un carbohidrato (glucosa) y generar la molécula necesaria para cerrar el ciclo. La síntesis de las tres moléculas de ATP requiere 12 protones (4 cada una) y las dos  moléculas de NADPH requiere absorber 8 fotones.  Todo esto por cada molécula de CO2 asimilada, proceso que requiere una energía de 1388 kJ por mol. Un sexto de un mol de glucosa, es decir, el carbono que le aporta la molécula de CO2, contiene unos 477 kJ. Por ello, en el ciclo de Calvin para la fotosíntesis C3 se pierde el 24,6% de la energía solar incidente. Sumando todos los efectos, en la fotosíntesis C3 la máxima cantidad de energía solar que se transforma en carbohidratos es del 12,6%.

Algo parecido ocurre en el caso de la fotosíntesis C4. Hay tres subtipos para el ciclo de Calvin en este caso. Sin entrar en detalles, se pierde el 28,7%  de la energía contenida en la radiación solar incidente. Por tanto la eficiencia máxima de conversión de energía en la fotosíntesis C4 se estima en un 8,5%. Pero no queda todo ahí, también hay pérdidas adicionales en la respiración que se produce en la mitocondria. Estas pérdidas dependen de varios factores. De nuevo sin entrar en detalles, se estima que entre el 30% y el 60% del a energía se pierde.

Dibujo20130519 Minimum energy losses calculated for 1000 kJ of incident solar radiation at each discrete step of the plant photosynthetic process

En resumen, tomando el porcentaje mínimo para todas las pérdidas de energía que hemos indicado, la eficiencia máxima de conversión de energía del Sol en biomasa en la fotosíntesis C3 es del 4,6% (de cada 1000 kJ de energía incidente sólo se transforma en biomasa 46 kJ) y en la fotosíntesis C4 es del 6,0% (de cada 1000 kJ de energía solar incidente sólo se transforma en biomasa 60 kJ).

Artículo técnico para los interesados en los detalles de estos cálculos: X.G. Zhu, S.P. Long, D.R. Ort, “What is the maximum efficiency with which photosynthesis can convert solar energy into biomass?,” Curr. Opin. Biotechnol. 19: 153-159, 2008.

Por supuesto, los oyentes me dirán que he tenido en cuenta demasiados efectos y que Ces en mi blog sólo estaba interesado en la eficiencia de la conversión de fotones en electrones en la clorofila. Permíteme considerar este proceso en detalle.

Dibujo20130519 Three representative pigment protein complexes involved in natural photosynthesis

Un fotón incide sobre una “antena” molecular, un complejo proteíco formado por varias proteínas que contiene los pigmentos fotosintéticos (pongamos que sean moléculas de clorofila) y es absorbido excitando una molécula de clorofila, es decir, un electrón pasa desde un estado HOMO (siglas de orbital molecular ocupado de mayor energía) hasta un estado excitado no ocupado de mayor energía. Pocos picosegundos más tarde, esta molécula excitada decae, es decir, el electrón pasa desde el estado excitado a un estado LUMO (siglas de orbital molecular desocupado de menor energía) emitiendo un nuevo fotón. En este proceso la molécula vibra y pierde energía disipando calor. Obviando esta disipación térmica, la diferencia de energía entre los estados HOMO y LUMO debe corresponder a la energía del fotón absorbido por la molécula y a la energía del fotón emitido.

En las antenas moleculares fotosintéticas hay varias moléculas de clorofila que se excitan en secuencia a saltos (en inglés se habla de “hops” y al proceso se le llama “hopping” [también se utiliza el término “transferencian del excitón”]. Estos saltos acaban en una molécula de clorofila especial llamada clorofila “P” cuyo papel es la conversión del fotón en un electrón. La clorofila P está cerca de dos moléculas, una aceptora de electrones y otra dadora de electrones (DPA). Cuando la clorofila P se excita con un fotón (DP*A), decae en un proceso con dos etapas separadas: en la primera etapa transfiere un electrón a la molécula aceptora de electrones (DP+A-) y en la segunda etapa recibe un electrón de la molécula dadora de electrones (D+PA-), quedando en un estado no excitado tras este proceso.

La eficiencia energética de este proceso de conversión de energía la de un fotón en la transferencia de un electrón se puede calcular usando las leyes de la termodinámica. Podemos suponer que se trata de un ciclo de Carnot con un foco caliente, la energía de la molécula excitada, y un foco frío, la energía de la molécula en su estado fundamental. Asumiendo que la molécula de clorofila se comporta como una molécula en un gas, el cálculo resulta en una eficiencia máxima del 75%. Sin embargo, la clorofila in vivo no está en un gas y se encuentra acoplada a proteínas, lo que reduce la eficiencia a un valor entre el 57% y el 67%. Y en estos cálculos se ha omitido el trabajo requerido en las transiciones en las moléculas aceptora y dadora de electrones, lo que reduce la eficiencia de este ciclo de Carnot en como mínimo un 7% adicional.

En resumen, la eficiencia de la conversión de energía de un fotón a la de un electrón ronda el 60% en el mejor caso, siendo lo habitual que no supere el 50%. Pero entonces, ¿por qué comenta Ces en mi blog que ha leído que la eficiencia cuántica de la conversión de un fotón en un electrón en la fotosíntesis supera el 90%?

Más información sobre estos cálculos en Jérôme Lavergne, Pierre Joliot, “Thermodynamics of the Excited States of Photosynthesis,” BTOL-Bioenergetics, 2000 [pdf gratis].

La razón es sutil, pero sencilla. La eficiencia superior al 95% en la transferencia de energía en la fotosíntesis que mucha gente escribe en artículos de divulgación (yo mismo lo he escrito en mi blog en 2009) se refiere a la transferencia de los fotones entre moléculas de clorofila cercanas. El proceso que lleva los fotones desde la molécula de clorofila que ha capturado el fotón de la luz solar y la molécula de clorofila “P” que realiza la transferencia del electrón. El proceso de “hopping” tiene una eficiencia cercana al 95% gracias a la física cuántica, como se publicó en la revista Nature en el año 2007. Podemos decir que en este proceso de “hopping” se ejecuta un algoritmo cuántico de búsqueda que canaliza el fotón hasta la clorofila “P”.

En mi blog puedes leer “La conexión entre la fotosíntesis y los algoritmos cuánticos,” 2009, y “Publicado en Nature: Biología cuántica y computación cuántica adiabática en la fotosíntesis a temperatura ambiente,” 2010.

En 2007, Gregory S. Engel (de la Universidad de California en Berkeley) y sus colegas estudiaron la fotosíntesis en la bacteria fototrópica verde del azufre (Chlorobium tepidum). Según su estudio experimental mediante espectroscopia bidimensional utilizando la transformada de Fourier, el proceso de “hopping” corresponde a la propagación coherente de una onda cuántica de tipo excitón que transfiere la energía del fotón capturado hasta el centro químico activo donde se realiza la transferencia del electrón [por eso al “hopping” también se le llama transferencian del excitón]. La onda cuántica se propaga por las moléculas de clorofila durante cientos de femtosegundos y se comporta como si “visitara” de forma simultánea varios caminos posibles y eligiera el óptimo para llegar al centro activo. Engel y sus colegas afirmaron en su artículo de 2007 que el proceso es análogo al algoritmo cuántico de Grover, capaz de buscar un elemento dado en un vector de n componentes desordenadas en un número de pasos igual a la raíz cuadrada de n (cuando un algoritmo clásico requiere mirar al menos todos los elementos, es decir, un tiempo proporcional a n). Aunque el estudio experimental publicado en el año 2007 se realizó con a baja temperatura, unos 77 Kelvin, los autores afirmaron que el mismo mecanismo debe ocurrir a temperatura ambiente.

Recomiendo leer a Roseanne J. Sension, “Biophysics: Quantum path to photosynthesis,” News and Views, Nature 446: 740-741, 12 April 2007. El artículo técnico original es Gregory S. Engel et al. “Evidence for wavelike energy transfer through quantum coherence in photosynthetic systems,” Nature 446: 782-786, 12 April 2007.

De hecho, en el año 2010, se publicó en Nature otro artículo que comprobó dicho hipótesis, demostrando que el que dicho mecanismo también se da a temperatura ambiente. Elisabetta Collini (de la Universidad de Padua, Italia, aunque realizó la investigación trabajando en la Universidad de Toronto, Canadá) y sus colegas demostraron en un alga fotosintética que el mecanismo de “hopping” utiliza la coherencia cuántica incluso a temperatura ambiente. Pero repito, estos estudios, no implican que la eficiencia de la conversión de los fotones en electrones sea superior al 90%, como me preguntaba Ces en mi blog.

Recomiendo leer a Rienk van Grondelle, Vladimir I. Novoderezhkin, “Photosynthesis: Quantum design for a light trap,” Nature 463: 614-615, 4 Feb 2010. El artículo técnico es Elisabetta Collini et al., “Coherently wired light-harvesting in photosynthetic marine algae at ambient temperature,” Nature 463: 644-647, 4 Feb 2010.

En resumen, espero haber contestado la pregunta de Ces de forma satisfactoria, aunque haya omitido muchos detalles técnicos. La fotosíntesis como proceso de conversión de energía solar en biomasa tiene una eficiencia máxima alrededor del 10%. El proceso fundamental que ocurre en la clorofila que permite la conversión de la energía de un fotón en la transferencia de un electrón tiene una eficiencia del orden del 50%. Y el proceso cuántico que tiene una eficiencia superior al 90% es el proceso de “hopping” por el que el fotón capturado en una molécula de clorofila recorre varias moléculas hasta llegar a la molécula de clorofila “P” que realiza la transferencia del electrón como tal.

Y esto es todo por hoy. Si te ha gustado la trancripción y quieres oír el podcast, sigue este enlace en Trending Ciencia.

XVII Carnaval Biología: Nuevo avance en la biofísicoquímica de la fotosíntesis en las plantas

Lo primero, te recomiendo ver el Discurshow “Protón” de Xurxo Mariño y Vicente de Souza, aunque no mencionen la fotosíntesis, en la que el protón tiene un papel fundamental. La fotosíntesis transforma la luz del Sol en energía química a partir de dos moléculas de agua, que se descomponen en una molécula de oxígeno O2, junto a cuatro protones (núcleos de hidrógeno o iones H+) y cuatro electrones. La fotosíntesis en cianobacterias, algas y plantas se denomina fotosíntesis oxigénica y se basa en el llamado sistema fotosintético tipo-II, o fotosistema II (PSII); la secuencia de pasos de esta reacción bioquímica se llama ciclo de Kok (1970) y está catalizada por un complejo Mn4Ca, formado por cuatro átomos de manganeso y uno de calcio. Gracias a las técnicas de espectroscopia se conoce bastante bien su funcionamiento en las escalas de picosegundos, con algunos detalles incluso en la escala de femtosegundos. La reacción química global es 4 YZ(ox) + 2 H2O → 4 YZ(red) + 4 H+ + O2, donde la absorción de fotones con una longitud de onda alrededor de 680 nm oxida cuatro moléculas de tirosina, YZ(ox), que actúan a su vez como oxidantes de cuatro moléculas de agua; en este proceso 4 electrones del complejo Mn4Ca se transfieren a las cuatro tirosinas, resultando cuatro YZ(red), mientras que cuatro protones H+ son eliminados del complejo MMn4Ca mediante un proceso de desprotonización (la figura de arriba, parte derecha, muestra los pasos del ciclo de Kok y sus escalas de tiempo). Un nuevo artículo publicado en PNAS ha estudiado en detalle el proceso de transferencia de electrones y protones, rellenando algunos huecos en nuestro conocimiento de esta interesante reacción bioquímica. Hace poco un lector de este blog me pedía que le describiera los detalles cuánticos de la fotosíntesis. Viendo las figuras de esta entrada se puede ver que para entenderlos hay que ser un experto en biofísicoquímica cuántica y yo no lo soy. Aún así, los expertos disfrutarán el artículo de André Klauss, Michael Haumann, Holger Dau, “Alternating electron and proton transfer steps in photosynthetic water oxidation,” PNAS 109: 16035-16040, October 2, 2012.

Entrar en detalles técnicos sería meterme en camisa en once varas, pero quizás conviene poner un ejemplo del nivel de detalle con el que conocemos estas reacciones químicas. Por ello, incluyo aquí esta figura que muestra uno de los pasos del ciclo clásico de Kok de oxidación fotosintética del agua, el paso S2 → S3. Se muestra el complejo Mn4CaO5, la tirosina con actividad redox (Tyr161) y los grupos más importantes que rodean a los enlaces de hidrógeno en esta reacción. Los aminoácidos que se destacan forman parte de la subunidad D1 del PSII, con la excepción e CP43–Arg357. Las moléculas de agua se indican con esferas rojas, los enlaces de hidrógeno con línea a trazos y los protones son esferas grises. La retícula tridimensional en gris representa el complejo de moléculas de agua que incluye 4 HxO en la primera esfera de coordinación del manganeso (Mn4), así como el calcio (Ca) y las tres moléculas de agua de la segunda esfera de coordinación. El primer paso en esta reacción (“1st” en la figura) ocurre cuando han pasado menos de 100 ns tras la absorción del fotón y la oxidación de la clorofila primaria del PSII (P680); en este paso Tyr161 (YZ)  es oxidada por P680+. La formación de YZ(ox) produce un reordenamiento de la red de enlaces de hidrógeno (que se completa en menos de 1 µs), conduciendo a la transferencia de un protón a His190, desprotonizando una molécula de agua en el complejo mostrado en la retícula tridimensional gris. En el segundo paso de esta reacción (“2nd” en la figura), el complejo Mn/YZ pierde un protón en alrededor de 30 µs y se produce la vacante de un protón en el complejo de agua. En el tercer y último paso (“3rd” en la figura), en alrededor de 300 µs, la oxidación del manganeso se acopla al paso de transferencia de un protón que ha creado una vacante en el complejo del agua.

Los mecanismos moleculares de las reacciones (foto)químicas del fotosistema II (PSII) se ha estudiado desde los años setenta y se conocen con bastante detalle. La estructura del PSII se determinó por difracción de rayos-X en el año 2004 y contiene unas 20 subunidades proteicas, conocidas como PsbA-Z, en función del nombre de los genes que las codifican, además de un conjunto de cofactores como son las clorofilas (Chl), feofitinas (Phe), carotenoides, hierro, plastoquinonas, complejo de iones Mn (Mn4) y los iones Ca, Cl y HCO. La masa molecular aproximada del PSII es de 320 kDa. Los interesados en más detalles técnicos (en español) pueden recurrir, por ejemplo, al capítulo 2 de la tesis doctoral de Mónica Balsera Diéguez, “Análisis estructural de la proteína extrínseca PsbQ del fotosistema II de plantas superiores,” Universidad de Salamanca, 2004.

Esta entrada participa en el XVII Carnaval de Biología, organizado este mes por el blog “Pero esa es otra historia y debe ser contada en otra ocasión,” cuyo autor @Ununcuadio es buen seguidor de mi blog.

La producción fotocatalítica de hidrógeno y las hojas artificiales

El petróleo fue la fuente de energía y el vector energético del siglo XX. Todo apunta a que el hidrógeno será el vector energético del siglo XXI gracias a la energía solar como fuente de energía. Para ello se tendrán que desarrollar sistemas de producción de hidrógeno a gran escala basados en materiales electrocatalíticos y fotoelectrocatalíticos. A partir de haluros de hidrógeno, compuestos HX, se puede generar hidrógeno (H2) por división fotocatalítica; normalmente, X=Cl (cloro) o X=Br (bromo). La reacción química (global) utilizada es 2 HX → H2 + X2, una reacción endotérmica (que necesita de un aporte de energía); para el cloro (X=Cl) se necesita un incremento en la energía libre de Gibbs de ΔG° = 131 kJ/mol y para el bromo (X=Br) ΔG° = 103 kJ/mol. Gracias un fotocatalizador oxidativo [Cat] apropiado se puede utilizar la energía solar como fuente de energía; la producción autosostenida de hidrógeno requiere desarrollar un ciclo cerrado de reacciones químicas. Los avances recientes en este campo han sido muy importantes, destacando los del grupo de investigación del Dr. Nocera en el MIT (Instituto de Tecnología de Massachusetts, Cambridge, EE.UU.). Sin embargo, aún estamos lejos para que estos avances se puedan introducir en la industria de la producción masiva de hidrógeno gracias a la energía solar. Los interesados en más detalles disfrutarán del breve artículo de Thomas S. Teets y Daniel G. Nocera, “Photocatalytic hydrogen production,” Chemical Communications 47: 9268-9274, 06 Jun 2011.

Otra de las líneas más interesantes de trabajo del grupo de Daniel Nocera es el desarrollo de hojas artificiales, reacciones químicas que imitan la fotosíntesis que utilizan las plantas para obtener energía directamente del sol. Lla electrólisis (romper una molécula de agua en hidrógeno y oxígeno) no se puede realizar con células solares fotovoltaicas porque requiere un voltaje más alto del que éstas son capaces de producir. Las hojas artificiales son unos materiales catalíticos que combinan ambas funciones, las de una célula solar y las de un sistema de electrólisis. Las primeras hojas artificiales se desarrollaron en 1998 por John Turner (Laboratorio Nacional de Energías Renovables, Boulder, Colorado), pero utilizaban materiales muy caros y su química era tan compleja que era difícil obtener sistemas estables para producción industrial. El Dr. Nocera y su grupo ha tratado de imitar a las plantas utilizando “ingeniería inversa” y han logrado las primeras hojas artificiales prácticas (baratas y fáciles de fabricar). Una especie de lámina de silicio que introducida en un vaso de agua expuesto al sol empieza a producir burbujas de hidrógenos y oxígeno; no se necesita agua ultrapura lo que permite usar fuentes naturales de agua y pone este dispositivo al alcance de muchas partes del tercer mundo. Nos lo contó Richard A. Lovett, “MIT scientist announces first “practical” artificial leaf,” Nature News Blog, March 28, 2011.

La luz solar es la fuente más abundante y sostenible de energía que dispone la humanidad. La Tierra recibe de la energía solar unos 120 000 TW (terawattios o billones de wattios), de los que unos 170 W por metro cuadrado llegan al año a la superficie de la Tierra (el número varía dependiendo de la ubicación geográfica). Aprovechar toda esta energía requiere el desarrollo de dispositivos de alta eficiencia similares a los utilizados por los organismos vivos fotosintéticos, que gracias a la mecánica cuántica alcanzan un porcentaje de fotones absorbidos de casi el 100% en condiciones óptimas, pero esto no implica que su eficiencia total sea del 100%. Se estima que las leyes de la termodinámica implican una reducción de la eficiencia a ~ 50%. Para un sistema fotovoltaico artificial se aplica el llamado límite de Shockley-Queisser de ~ 24% (en lugar del 100%),  lo que reduce la eficiencia de producción teórica a solo un ~ 12%.

Comparar la eficiencia de un sistema fotosintético con uno fotovoltaico no es fácil. Ambos procesos recogen la energía de la luz solar, pero funcionan de forma diferente y producen diferentes tipos de productos: fotosíntesis natural produce biomasa y productos químicos, mientras que un sistema fotovoltaico produce una corriente eléctrica. Una posibilidad para comparar ambos sistemas es la generación de hidrógeno (en el caso fotovoltaico mediante electrólisis del agua). El resultado muestra que la fotosíntesis es entre 2 y 3 veces más eficientes que los sistemas fotovoltaicos. Por ello, en la actualidad hay un gran interés en la investigación en la fotosíntesis artificial y en el diseño mediante biología sintética de hojas artificiales. Nos lo contó Robert E. Blankenship et al, “Comparing Photosynthetic and Photovoltaic Efficiencies and Recognizing the Potential for Improvement,” Science 332: 805-809, 13 May 2011.

Publicado en Nature: Biología cuántica y computación cuántica adiabática en la fotosíntesis a temperatura ambiente

La física cuántica parece la parte de la física más alejada de la biología, ya que la coherencia cuántica parece poco importante en macromoléculas bioquímicas. Sin embargo, el estudio de la fotosíntesis en algas indica que su alta eficiencia es debida al uso de la coherencia cuántica. Por primera vez, dicho fenómeno ha sido observado experimentalmente  a temperatura ambiente (antes se había observado por debajo de 77 K). La proteínas fotosintéticas que absorben fotones solares y excitan electrones en moléculas de clorofila actúan como un computador cuántico. Elisabetta Collini et al. han investigado dos tipos de moléculas captadoras de luz solar (antenas) que han excitado usando un par de pulsos láser ultracortos (de 25 fs, femtosegundos) creando una superposición cuántica de sus estados electrónicos excitados, de sus funciones de onda cuánticas. Un tercer pulso láser induce la emisión de un fotón adicional (llamado “eco”) que permite la medida precisa de la evolución del sistema (el método experimental se denomina espectroscopía con fotón-eco en 2D). Las oscilaciones de estos estados excitados observadas corresponden a lo esperado según las simulaciones por ordenador de la mecánica cuántica de este proceso. Más aún, se ha observado que los estados cuánticos coherentes tienen una vida mucho más larga de lo esperado (más de 400 fs). Las algas logran evitar la decoherencia del estado cuántico (que daría una vida media menor de 100 fs) gracias a ciertos enlaces covalentes en las moléculas que actúan como antenas. El problema de optimizar la distribución de la energía solar entre un grupo de moléculas de clorofila evitando los posibles mínimos de energía que degradarían su eficiencia es resuelto en las algas fotosintéticas gracias a un proceso cuántico, una optimización cuántica, que actúa como un ordenador cuántico adiabático. En resumen, un gran artículo que nos indica que los estados cuánticos coherentes en las moléculas fotosintéticas son uno de los grandes responsables de la gran eficiencia energética de la fotosíntesis en algas. Nos lo cuentan Rienk van Grondelle, Vladimir I. Novoderezhkin, “Photosynthesis: Quantum design for a light trap,”News and Views, Nature 463: 614-615, 4 February 2010, haciéndose eco del artículo técnico de Elisabetta Collini et al., “Coherently wired light-harvesting in photosynthetic marine algae at ambient temperature,” Nature 463, 644-647, 4 February 2010.

Los interesados en más información pueden recurrir a Brandon Keim, “Everywhere in a Flash: The Quantum Physics of Photosynthesis,” Wired Science, February 2, 2010; “Scientists find quantum mechanics at work in photosynthesis,” PhysOrg.com, February 3, 2010; Laura Sanders, “Algae use quantum trick to harvest light. Study detects predicted wavelike properties during photosynthesis,” ScienceNews, February 3, 2010; y “Quantum Mechanics at Work in Photosynthesis: Algae Familiar With These Processes for Nearly Two Billion Years,” ScienceDaily, Feb. 3, 2010.

La conexión entre la fotosíntesis y los algoritmos cuánticos

Dibujo20090518_Sunlight_absorbed_bacteriochlorophyll_generates_wavelike_motion_excitation_energy¿Qué tienen que ver la fotosíntesis de las plantas y la computación cuántica? Hace ya un par de años que se descubrió que la fotosíntesis logra una eficacia de más del 95% gracias a utilizar un algoritmo de búsqueda cuántico para canalizar la energía. Mientras los físicos se afanan en lograr fabricar el primer ordenador cuántico práctico luchando contra la decoherencia, la Naturaleza, como siempre, muy por delante. ¿Podremos algún día desarrollar una tecnología energética renovable que imite la fontosíntesis de las plantas? Sorprendentemente, para ello necesitamos dominar la computación cuántica. El trabajo de investigación fue desarrollado por el químico teórico Graham Fleming de la University of California at Berkeley y sus colaboradores y nos lo contó, como no, Philip Ball, “Photosynthesis works ‘by quantum computing’,” Chemistry World, May, 2007 . La figura está extraída de “Quantum Secrets Of Photosynthesis Revealed,” Science News, ScienceDaily, Apr. 12, 2007 . También son buenas lecturas Roseanne J. Sension, “Biophysics: Quantum path to photosynthesis,” News and Views, Nature 446: 740-741, 12 April 2007 , y el artículo técnico original Gregory S. Engel et al. “Evidence for wavelike energy transfer through quantum coherence in photosynthetic systems,” Nature 446: 782-786, 12 April 2007 . La idea de que la fotosíntesis opera utilizando la computación cuántica es mucho más antigua (Scott M. Hitchcock, “‘Photosynthetic’ Quantum Computers?,” ArXiv, Submitted on 20 Aug 2001 ).

Los investigadores estudiaron la fotosíntesis en la bacteria fototrópica verde del azufre (Chlorobium tepidum). La fotosíntesis se inicia cuando la luz incidente excita los electrones de los cromóforos (moléculas de pigmentos fotosensibles como la clorofila). Este nivel de energía alto desciende generando una onda encadenada (excitón) que lleva esta energía a través del cromóforo hasta alcanzar un centro químico activo donde queda atrapada y más tarde será utilizada para la fabricación de carbohidratos. El cromóforo actúa como una especie de “antena” para la luz. Los investigadores han utilizado espectroscopia bidimensional basada en la transformada de Fourier y han demostrado que la transferencia de energía dentro del cromóforo es coherente y dura muchísimo (cientos de femtosegundos). Es como sí la energía “visitara” simultáneamente varios caminos posibles y eligiera el óptimo para llegar al centro activo. El proceso es análogo al algoritmo cuántico de Grover, capaz de buscar un elemento en un vector de n componentes desordenadas en sólo \sqrt{n} de pasos. La limitación más importante del estudio es que se han estudiado los cromóforos a baja temperatura (77 ºKelvin). Los autores suponen que el mismo mecanismo ocurre a temperatura ambiente (aunque demostrarlo experimentalmente es mucho más difícil).

Otros artículos sobre computación cuántica en este blog:

Lenguajes de alto nivel para la computación cuántica (o computación cuántica para informáticos) (Publicado por emulenews en Mayo 6, 2008)

Fabricado el primer circuito integrado cuántico aunque sólo de 2 cubits (Publicado el Marzo 12, 2009)