La fotosíntesis es un proceso biológico extremadamente eficiente en plantas, algas y algunos tipos de bacterias, que utiliza la energía luminosa y el dióxido de carbono (CO2) para producir oxígeno (O2) y energía química almacenada en la glucosa (un azúcar).
Las simulaciones numéricas están demostrando que los condensados de Bose Einstein pueden ser la clave de la alta eficiencia, y este fenómeno desafía lo que la física moderna define como posible en cuanto a mecanismos fundamentales en sistemas biológicos, ya que implica un proceso cuántico que no se espera que ocurra a temperatura ambiente y en condiciones desordenadas (ruidosas) que potencialmente degradan cualquier comportamiento cuántico.
Los condensados de Bose Einstein -abreviados como BEC- se consideran un quinto estado de la materia; se trata de estados muy exóticos de la materia que suelen formarse cuando una colección de átomos o partículas subatómicas separadas a densidades muy bajas se enfría a temperaturas muy cercanas al cero absoluto (-273,15 °C), condición en la que una gran fracción de estas entidades ocupa simultáneamente el estado cuántico más bajo. Al hacerlo, sus funciones de onda se solapan y se comportan macroscópicamente como una sola entidad. Es como si se convirtieran en un único átomo; todas comparten el mismo estado cuántico y se comportan como una única entidad.
Es decir, estas partículas inicialmente distinguibles -también llamadas fermiones- que obedecen al principio de exclusión de Pauli (lo que significa que tienden a rechazarse mutuamente y, por tanto, no pueden ocupar el mismo estado cuántico) se vuelven indistinguibles cuando todas ocupan el mismo estado cuántico, comportándose entonces como bosones en lugar de fermiones. La diferencia entre fermiones y bosones radica en su espín, las partículas bosónicas (como los fotones) tienen espín entero (0,1,2,…), mientras que los fermiones tienen espín fraccionado (1/2, 3/2…). Las partículas bosónicas pueden solaparse, ya que no se rechazan entre sí. Pueden ocupar el mismo estado cuántico y, al hacerlo, se vuelven indistinguibles entre sí.
Los BEC presentan una característica muy especial; fricción nula, y esto último está relacionado con dos fenómenos sobresalientes: la superfluidez (que implica cero viscosidad) y la superconductividad (que implica cero resistencia eléctrica en la transferencia de carga). Un superfluido puede, por ejemplo, trepar por las paredes de un recipiente, mientras que un superconductor puede transferir electricidad sin pérdida de energía en forma de calor.
Como sabemos, la biología se compone de formas vivas a temperatura ambiente. En esas condiciones, los científicos no esperarían que se produjera superconductividad o superfluidez en tales sistemas biológicos, porque las partículas fundamentales que componen la biomasa -átomos / partículas subatómicas como electrones y protones- son fermiones en condiciones ambientales.
La investigación de Schouten et al. demuestra que la naturaleza tiene formas inteligentes de eludir estas limitaciones. En este caso, mediante el emparejamiento o entrelazamiento de dos partículas subatómicas implicadas en la fotosíntesis -electrones y huecos- que crean una cuasipartícula llamada excitón con espín neto cero (es decir, un bosón) a partir de las dos partículas inicialmente fermiónicas. Esto ocurre porque los electrones y los huecos (vacantes que denotan la falta de electrones en los lugares donde se encontraban antes de la excitación por absorción de luz, y que actúan como cargas positivas) tienen espines opuestos, de modo que cuando se combinan, el excitón resultante tiene espín cero.
El equipo de investigación descubrió que estos excitones pueden convertirse en un BEC a temperatura ambiente. Al igual que otros fenómenos de condensación, la condensación de excitones conduce a la superfluidez de los excitones y, dado que los excitones transportan energía en lugar de carga o masa, esta transferencia de energía es superfluida o sin fricción. Por eso la transferencia de energía en la fotosíntesis es tan eficaz.
Los complejos moleculares captadores de luz implicados en la fotosíntesis transfieren energía en forma de excitones creados por la fotoexcitación de un electrón por la luz solar. Un electrón absorbe un fotón de la luz y se excita en un estado cuántico diferente, dejando una vacante en ese lugar anterior, que ahora está entrelazado con el electrón original. Estos pares enredados o excitones se transportan a través de una serie de regiones sensibles a la luz de las moléculas -llamadas cromóforos- que actúan como cables moleculares para transportar esta energía a un centro de reacción donde se recoge esta energía para diversas funciones biológicas, como la producción de azúcar. Un cromóforo es la parte de una molécula responsable de su color.
Utilizando un modelo teórico que introduce explícitamente fuertes correlaciones electrónicas en forma de acoplamiento intracromóforo, los autores de esta investigación exploran la transferencia de energía y la condensación de excitones en sistemas biológicos microscópicos en condiciones ambientales. Amplían el modelo habitual de sitio único utilizado para el cromóforo, y que sólo puede abordar los acoplamientos intercromóforos, a un modelo con múltiples sitios de electrones en cada cromóforo, lo que permite acoplamientos intracromóforos y crea canales adicionales para la transferencia de excitones, donde el acoplamiento entre los sitios de los cromóforos puede ajustarse utilizando un parámetro de acoplamiento.
Dependiendo de la cantidad de acoplamiento, los investigadores descubren que dicho parámetro ajusta la interferencia cuántica a un caso más constructivo o más deconstructivo, lo que a su vez aumenta o disminuye la velocidad de transferencia de excitones, respectivamente. Se muestra el efecto que la naturaleza del estado de excitación inicial -entrelazado o local- y el número de sitios por cromóforo tienen sobre la tasa de transporte de excitones. Aumentar el número de sitios por cromóforo mejora la transferencia de excitones.
Dos vías representadas por los dos sitios de cada cromóforo. Cuando el acoplamiento entre cromóforos ξ = 0, no hay acoplamiento entre cromóforos. Cuando el parámetro de acoplamiento, V > 0, hay acoplamiento, lo que resulta en interferencia cuántica entre los sitios de cada cromóforo. Las ondas demuestran que la interferencia cuántica puede ser constructiva o destructiva, y que la interferencia constructiva aumenta la eficiencia de la transferencia de energía. Pie de foto y figura tomados de [1].
Los autores también descubren que a través de esta mezcla de acoplamientos inter e intra, el modelo muestra una firma para la condensación de excitones en el colector de excitación que evoluciona con la dinámica del transporte de excitones. La firma resulta de una combinación de entrelazamiento excitónico inter e intra cromóforo y depende del estado de excitación inicial y del número de sitios por cromóforo.
Ciencia Unificada en Perspectiva
Estos extraordinarios resultados demuestran la existencia de un vínculo entre la mejora de la transferencia de excitones y el mecanismo equivalente a la condensación de excitones, lo que demuestra que la correlación y el entrelazamiento de electrones dentro de los cromóforos aumentan significativamente la eficiencia de la transferencia de energía mediante la creación de vías o canales adicionales para la transferencia. Esto también apunta al misterio de cómo los sistemas biológicos pueden funcionar tan eficientemente en condiciones ambientales.
Los procesos negentrópicos (es decir, de ordenación) que tienen lugar en entornos aparentemente muy entrópicos, siempre han desafiado nuestra comprensión de la naturaleza, y sigue siendo uno de los principales misterios de la ciencia. Uno se pregunta entonces si lo que consideramos un estado ruidoso o un entorno desordenado es un malentendido, dado nuestro limitado conocimiento de cómo los sistemas biológicos procesan la información/energía para autoorganizarse en estructuras tan altamente ordenadas y extremadamente complejas.
El trabajo de Schouten et al. también muestra que los comportamientos colectivos y altamente coherentes que en general se consideran fenómenos exóticos raros incluso a muy baja temperatura -como el entrelazamiento cuántico y los BEC- en realidad suceden regularmente en los sistemas biológicos, a través de mecanismos que aún estamos lejos de comprender desde el punto de vista de la física moderna.
Desde la perspectiva de la Física Unificada, basada en el modelo del Plasma de Planck de Nassim Haramein y la teoría Holográfica Generalizada [2-5], el entrelazamiento no sólo es posible, sino que es el sustrato de organización de la materia en el universo, ya que el plasma de Planck es una red de entrelazamiento a través de la cual la información fluye a través de las escalas. Las secciones donde se enmascara este flujo establecen condiciones de contorno que llamamos protón, electrón, etc.
La red de agujeros de gusano coordina la organización de la materia en el universo, desde moléculas, células y organismos, hasta sistemas solares, galaxias y supercúmulos. Para más información sobre la teoría del campo unificado de Haramein, no te pierdas el próximo artículo sobre la ley de la escalamiento universal (Universal Scaling law), que explica el mecanismo completo a través del cual la masa, las fuerzas y los campos surgen de la dinámica del plasma del vacío cuántico. La teoría predice todas las constantes fundamentales con al menos 12 cifras significativas y la relación entre ellas se hace explícita.
Referencias
[1] Anna O. Schouten et al. 2023. Exciton-Condensate-Like Amplification of Energy Transport in Light Harvesting. PRX Energy 2 (2): 023002; doi: 10.1103/PRXEnergy.2.023002
[2] Haramein, N., Rauscher, E.A., and Hyson, M. (2008). Scale unification: a universal scaling law. Proceedings of the Unified Theories Conference. ISBN 9780967868776
[3] Haramein, N. (2012). Quantum Gravity and the Holographic Mass, Physical Review & Research International, ISSN: 2231-1815, Page 270-292
[4] Val baker, A.K.F, Haramein, N. and Alirol, O. (2019). The Electron and the Holographic Mass Solution, Physics Essays, Vol 32, Pages 255-262.
[5] Haramein, N & Val Baker, A. K. F. (2019). Resolving the Vacuum Catastrophe: A Generalized Holographic Approach, Journal of High Energy Physics, Gravitation and Cosmology, Vol.05 No.02(2019), Article ID:91083, 13 pages
