COHERENCIA FOTOSINTÉTICA por el Prof. Dr. D. Alberto Requena Rodríguez, académico numerario

Es bien sabido que la radiación láser tiene unas características muy singulares, que la hacen atractiva y convierten el efecto en una herramienta de gran alcance. Estamos ante una dispositivo de propósito general, capaz de encontrar aplicaciones en una gran cantidad de problemas, unos que han tenido solución convencional y otros que se han podido abordar gracias a él. Pero, ciertamente, su intervención en cada vez más numerosas soluciones le acreditan como una de las herramientas poderosas que la Ciencia ha sido capaz de propiciar a la teecnología.

Monocromaticidad, linealidad, brillo y coherencia sos sus signos distintivos. Con demasiado frecuencia nos quedamos en la superficie y referimos el brillo, la cantidad de energía, como su gran aportación, cuando quizás sea la menos interesante de sus propiedades. La guerra de las Galaxias o el corte de chapa de automóvil, no dejan de ser interesantes, pero no es precisamente la aplicación genuina que aporta. Hay que señalar que siendo las cuatro propiedades originales y debidas al proceso físico que genera la emisión estimulada, no lo es menos que alguna de sus propiedades hay que conseguirla creando un dispositivo apropiado. Efectivamente, en la emisión estimulada que Einstein aventuró a principios del siglo XX, proporciona un fotón igual al estimulante, con la misma dirección, frecuencia y ambos en fase. Pero hay que acomodar todos los fotones emergentes, para que lo que proporcione el dispositivo sea un haz lo más próximo a la linealidad, eliminando aquellos fotones que han sido estimulados por fotones diferentes que no mantenían colinealidad. El brillo está impreso en el proceso de emisión estimulada, ya que introducimos un fotón y obtenemos dos, por tanto, amplificamos. Ahora bien, ¿hasta donde somos capaces de multiplicar esta amplificación? Nuevamente, el dispositivo es determinante. Hoy podemos obtener desde un dispositivo con una potencia de milésimas de watio, a potentes láseres con potencias similares a las del Sol, emulando las condiciones requeridas por la fusión nuclear. La monocromaticidad, hay que entenderla en el contexto físico, es decir, la anchura de la banda que corresponde a la radiación láser es muy estrecha y la denominamos, indebidamente, monocromática, cuando debiéramos decir: muy monocromática. Salvando esta pequeña imprecisión, la radiación láser es tan monocrómatica que permite desarrollar una química selectiva, bombeando las moléculas a estados energéticos seleccionados para provocar reacciones específicas a partir de esos estados. La química de estados excitados, no tiene por que responder a la química convencional del estado fundamental. Esto tiene muchas consecuencias, físicas y químicas.

Hay muchos ámbitos en los que las moléculas son protagonistas. La interpretación de los procesos puede cambiar sustancialmente en algunos casos, cuando la radiación implicada corresponde a radiación láser. No hay que pensar que el láser es un dispositivo artificial, porque el proceso se puede desencadenar de forma natural y, de hecho, sucede. Los láseres químicos son una modalidad que evidencian que la Humanidad ha convivido mucho tiempo con la emisión estimulada. Aunque es habitual que se piense que el láser es un desarrollo tecnológico, hoy se han identificado láseres de CO2 sin la intervención humana. Hay una tendencia a pensar que el equilibrio térmico es el estado estándar de la Naturaleza y que la inversión de población, imprescindible para que la acción láser acontezca, como es una condición de no equilibrio, no debiera darse de forma natural. Pero, hay casos concretos en que se da tal situación. Cerca de las nubes de gases calientes de las estrellas se pueden encontrar láseres naturales. Es la luz que procede de las estrellas la que excita a las moléculas de gas pasando a estados metaestables. En cuanto hayan niveles inferiores apropiados, se puede producir la inversión de población y la acción láser está servida. Es cierto que no es de esperar que la radiación emitida en estas nubes calientes sea colimada, sino que, más bien, se emite en todas las direcciones del espacio. Cuando se efectúa una comparación entre las intensidades de las longitudes de onda recibidas de las estrellas y las emitidas por el gas caliente usual, se identifica una inversión de población en las estrellas. Además, también se han identificado características como direccionalidad, anchura de banda espectral o polarización, que vienen a corroborar la generación de emisión láser de forma natural.

Ni que decir tiene que la descripción e interpretación teórica entra en los dominios de la mecánica cuántica. Moléculas y cuántica es un matrimonio no solo bien avenido, sino aparentemente indestructible. No importa clase, tamaño o condición de las moléculas, es la Cuántica quien las describe y permite estudiar los procesos en los que se ven implicadas.  También, las macromoléculas propias de la Bioquímica. Y la fotosíntesis es un proceso físico en el que la luz, con su naturaleza indefectiblemente cuántica, interacciona con las moléculas, insubordinables a la propia cuántica. Se han estudiado las algas en relación al mecanismo fotosintético y al análisis de eficiencia, concluyéndose que es preciso apelar a la coherencia cuántica para interpretarlo. Collini y col. han observado el proceso a temperatura ambiente (hasta ahora se trabajaba a 77K) y al analizar las proteínas que absorben los fotones procedentes de la radiación solar y que son capaces de excitar los electrones en las moléculas de clorofila que los captan, concluyen que media una especie de “computador cuántico”. Ha analizado dos tipos de moléculas actuando a titulo de antenas que han excitado mediante la incidencia de pulsos láser del orden de decenas de femtosegundo y han logrado crear una superposición de estados electrónicos en los que intervienen muchos estados excitados. A continuación hicieron incidir otro pulso láser para inducir la emisión de un fotón adicional, que se denomina eco y que permite medir con precisión la evolución del sistema. Esta configuración es lo que se denomina Espectroscopía con eco fotónico en dos dimensiones (2D). Se observan oscilaciones de estos estados excitados y se corresponden con las simulaciones cuánticas de este proceso. Se han evidenciado estados cuánticos coherentes que tienen una vida  que supera los 400 femtosegundos, mucho más larga de lo esperable. ¿Cómo evitan las algas verdes la decoherencia del estado cuántico, lo que supondría una vida media de unos 100 femtosegundos, que es lo que cabría esperar? Se ha explicado en base a unos enlaces covalentes que actúan a modo de antenas. La energía solar captada, se optimiza entre un grupo de moléculas de clorofila, soslayando los mínimos de energía que propician la degradación de la eficiencia y las algas fotosintéticas lo logran mediante mecanismos cuánticos, optimizando cuánticamente, como si se tratara de un ordenador cuántico adiabático. De esta forma, los estados cuánticos coherentes son los auténticos responsables de la gran eficiencia energética de la fotosíntesis, al menos en las algas. Así que,  la proteína captadora de la luz, tiene que trasladar la energía atrapada lo más rápidamente posible al centro de reacción ubicado en la célula, que es donde se convierte en energía química para la planta. Hasta ahora se suponía que esa energía llegaba a ese centro de reacción de forma aleatoria, pero la propuesta es que la coherencia cuántica es la que permitiría que esa energía ensayara simultáneamente todas las vías posibles, antes de elegir la vía más rápida. El profesor Curmi ha encontrado una clase de criptofitas que tienen el sistema de captación de luz en el que media la coherencia cuántica y en una de las clases de criptofitas está desactivado, como consecuencia de una mutación genética que altera la forma de la proteína que capta la luz. Esto ha revelado el papel de la coherencia cuántica, por comparación.

 

Se ha estudiado por Harrop y col la estructura cristalina de los complejos que captan la luz en especies distintas de criptofitas y en algunos casos se han identificado mutaciones genéticas que resultan en la inserción de un aminoácido que modifica la estructura proteica y altera la coherencia. Seguramente, estos mecanismos pueden justificar la supervivencia en ambientes de escasa luz en donde la coherencia cuántica puede justificar la supervivencia. Recientemente, en la lección de ingreso en la Academia de Ciencias de la Región de Murcia, el Prof. Hernández Córdoba, señalaba la incidencia de las herramientas analíticas y la capacidad de cuantificación que ofrecen, en la creciente eficacia en la determinación de analitos. De forma parecida, conforme crecemos en la acumulación de conocimientos, cada vez nos adentramos con mayor profundidad, desvelando mecanismos que explican más certeramente y con mayor precisión los procesos. Herramientas y conocimiento van de la mano y prometen mayor profundidad de forma gradual y permanente. Las evidencias de la bondad de las interpretaciones cuánticas con cada vez más numerosas, incluyendo procesos conocidos y de alguna forma explicados. A este acúmulo de saber lo llamamos Ciencia.