La física cuántica y la biología parecen dos ramas de la ciencia que no podrían ser más diferentes, pero, sorprendéntemente, pueden estar de hecho ligadas entre sí.
Investigadores de los EE.UU. pertenecientes al Departamento de Energía (DOE) del Laboratorio Nacional de Argonne y el Laboratorio de Radiación de Notre Dame de la Universidad de Notre Dame, utilizaron la espectroscopía ultrarrápida para ver lo que sucede a nivel subatómico durante la primera etapa de la fotosíntesis. «Si la fotosíntesis es como un maratón, estamos recibiendo una instantánea de lo que un corredor ve justo cuando arranca», dijo el bioquímico David Tiede . «Estamos intuyendo la posibilidad de una interacción mucho más fundamental que un montón de gente antes no consideraba».
Mientras que diferentes especies de plantas, algas y bacterias han desarrollado una variedad de distintos mecanismos para recoger energía de la luz, todos ellos comparten una característica conocida como centro de reacción fotosintética. Pigmentos y proteínas que se encuentran en ese centro y ayudan a los organismos a realizar la etapa inicial de conversión de energía.
Estas moléculas de pigmento, o cromóforos, son responsables de la absorción de la energía transportada por la luz entrante. Después de que un fotón llegue a la célula, excita uno de los electrones en el interior del cromóforo. A medida que se observa el paso inicial del proceso, los científicos de Argonne vieron algo que nadie había observado antes: un solo fotón parecía excitar cromóforos diferentes al mismo tiempo.
«El comportamiento que fuimos capaces de ver a estas escalas de tiempo tan rápidas implica una mezcla mucho más sofisticada de estados electrónicos», dijo Tiede. «Esto nos muestra que el alto nivel de los sistemas biológicos podría ser usados en la física de modo fundamental de una manera que no parece probable o posible.»
Los efectos cuánticos observados en el curso de los experimentos, sugieren que los captadores de luz natural implicados en la fotosíntesis pueden ser más eficientes de lo que indicaba la biofísica clásica, dice el químico Gary Wiederrecht del Centro de Materiales a Nanoescala de Argonne. «Esto nos hace cuestionarnos cómo la madre naturaleza creó una solución tan increíblemente elegante».
El resultado del estudio podría influir significativamente en los esfuerzos de los químicos y nanocientíficos para crear materiales artificiales y dispositivos que puedan imitar los sistemas naturales fotosintéticos. Los investigadores aún tienen un largo camino por recorrer antes de que sean capaces de crear dispositivos que coincidan con la eficiencia de cosecha energética de una planta.
Una razón para esta deficiencia, explica Tiede, es que los experimentos artificiales de fotosíntesis no han sido capaces de replicar la matriz molecular que contiene los cromóforos. «Al nivel que nos encontramos en la fotosíntesis artificial podemos crear pigmentos y pegarlos, pero no podemos duplicar ninguna de las condiciones externas», dijo.«El siguiente paso es construir en este marco, y este tipo de efectos cuánticos pueden ser más evidentes.»
Debido a que el momento en que el efecto cuántico se produce es de tan corta duración (menos de una billonésima de segundo) los científicos tienen dificultades para determinar fundamentos biológicos y físicos de su existencia. «Nos hace preguntarnos si están realmente allí por accidente, o si nos están diciendo algo sutil y único acerca de estos materiales», dice Tiede. «En cualquier caso, estamos llegando a los fundamentos de la primera etapa de conversión de energía durante la fotosíntesis.»
Un artículo basado en el estudio apareció el 12 de marzo en Proceedings of the National Academy of Sciences. La investigación fue apoyada por la Oficina de Ciencia del DOE.
Autor: Jared Sagoff
Enlace original: Scientists uncover a photosynthesic puzzle
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