COHERENCIA BIOLÓGICA por el Prof. Dr. D. Alberto Requena Rodríguez, académico de número

La coherencia es una propiedad de las ondas que hace referencia a la fase, con las consecuencias que implica cuando coinciden espacial y/o temporalmente o las derivadas cuando no coincide. Cuando la fase coincide para dos campos generados por diferentes conjuntos clásicos o cuánticos se tiene la interferencia constructiva que se mantiene un intervalo en el espacio y/o tiempo. Clásicamente, son reconocibles fenómenos donde interviene la interferencia, como es el tono de la luz de ciertas superficies que varía en función del ángulo desde el que se observa, como se puede reparar en las manchas de aceite, en las burbujas de jabón o las alas de una mariposa u otros insectos, por ejemplo, dado que las múltiples reflexiones en los múltiples planos superficiales, conllevan cambios en la fase y desencadenan la producción de interferencias de las ondas procedentes de reflexiones distintas, con la consecuencia de que amplifican o atenúan diferentes longitudes de onda. Todo ello conlleva que, en función de la posición de observación o de iluminación de la superficie, se contemplarán colores diferentes. Este fenómeno es el que se denomina iridiscencia y es muy común de forma natural en insectos, aves, peces y plantas. Las interferencias de las diferentes ondas producidas en la reflexión en las distintas superficies, caso de estar en fase, producen interferencia constructiva y es la iridiscencia, mientras que si no están en fase, la interferencia será destructiva y, como mínimo, producirá una disminución de la intensidad del color. Dado que la intensidad de la luz reflejada es función de la longitud de onda, cuando la luz que incide es blanca, producirá distintos efectos para as diferentes longitudes de onda que la componen, ocasionando la iridiscencia. En las hojas vegetales las distintas capas reflejan más y mejor unos colores que otros.

En contraste, la coherencia cuántica es consecuencia de la superposición de estados, es decir, de la adición de las amplitudes. Al igual que en la coherencia clásica, la fase define la relación entre los distintos componentes de la función de onda, dando lugar a interferencia constructiva que permite medir la coherencia cuántica. Los elementos no diagonales de la matriz densidad, correspondiente al conjunto bajo estudio, indican la coherencia. La evolución en el tiempo de la coherencia cuántica es una descripción íntima y profunda de las interacciones entre el sistema y el entorno que le rodea. Esta coherencia cuántica se manifiesta como oscilaciones, que se denominan baño cuántico, observables mediante espectroscopía ultrarrápida en los procesos fotosintéticos, al implicar complejos proteína-pigmento constituidos por cromóforos acoplados y embebidos en la proteína. Como se manifiestan como oscilaciones a frecuencias que coinciden con las diferencias entre los estados excitados de los cromóforos, se atribuyeron a coherencias electrónicas e incluso se conjeturó durante mucho tiempo que la decoherencia acontecía a unos 100 femtosegundos, aunque posteriormente se ha comprobado que la coherencia llega a alcanzar hasta unos 5 picosegundos, lo que es comparable a los tiempos de desfase de los modos vibracionales. Resulta de mucho interés el trabajo que se está desarrollando para lograr explicar el origen de la coherencia cuántica en los sistemas biológicos, dado que la coherencia observada en los experimentos de femtoquímica tienen implicaciones en la transferencia de energía en la fotosíntesis, implicada, por tanto, en la eficiencia cuántica. Es una puerta abierta a lograr una mayor eficiencia optimizando las propiedades optoelectrónicas de los sistemas biológicos.

Aunque originalmente, Schrödinger y sus contemporáneos modelaban el movimiento de sistemas microscópicos, desde electrones a átomos y fotones, en la actualidad la descripción cuántica alcanza a sistemas cada vez de mayor tamaño. La fotosíntesis referida, comporta un sistema de tamaño enorme, comparativamente con los que originalmente se estudiaron. En 2007 Fleming y col., descubrieron la implicación de la coherencia cuántica en la fotosíntesis, haciendo uso de espectroscopía de femtosegundo, genuinamente química, para analizar en directo los sistemas moleculares, al manejar tiempos en los que acontecen las reacciones químicas, por lo que, en lugar de acudir al estudio en diferido, se puede estudiar en tiempo real cómo ocurren las reacciones químicas. La luz solar es absorbida por el clorosoma de una especie bacteriana propia de una bacteria fotosintética verde, siendo aquél un complejo antena fotosintético incluido en las bacterias verdes de azufre y en otras fotótropas anoxígenas, que tienen un gran tamaño como antenas y no tienen matrices de proteínas que porten los pigmentos fotosintéticos. Estos clorosomas incluyen la bacterioclorofila y carotenoides y quinonas en pequeñas proporciones y rodeados por una monocapa lípidica con unas diez proteínas adheridas. Se postula que a través de unas proteínas se unen los clorosomas a los centros de reacción de la membrana celular. Las clorofilas de la bacteria que absorben los fotones que proceden de la luz solar se transfiere al centro reactivo y posteriormente el aceptor primario de electrones lleva a cabo un rastreo de las vías posibles para elegir el camino más corto, con lo que pierde menos energía y maximiza el rendimiento. La cuestión es que este mecanismo pone en entredicho el que la coherencia cuántica requiera temperaturas muy bajas y, de hecho, el experimento se llevó a cabo a 77 K, observando una eficacia similar a 180 K. incluso parecidos a los obtenidos a 0 ºC.

El tiempo de decoherencia se define como el requerido para que los elementos no diagonales de la matriz densidad se anulen y suele ser muy corto, en especial para sistemas macroscópicos, dado que la interacción con otros elementos es mucho más probable, por el elevado número de grados de libertad. Un estado en equilibrio térmico no exhibe coherencia, pero un pulso láser ultracorto puede inducir coherencias cuánticas en un conjunto de sistemas cuyas fases evolucionan a una velocidad de acuerdo con la diferencia de energía entre los dos elementos diagonales. Cuando se mide el decaimiento o desfase de las señales de coherencia cuántica se obtiene una propiedad interna de la dinámica de acoplamiento entre el sistema y el entorno que le rodea. La decoherencia es un proceso que subyace y está ligado al desfase y tiene como consecuencia la pérdida de la coherencia del sistema, ya que no está nunca totalmente desacoplado del entorno, por perfecto que nos parezca. La decoherencia electrónica tiene que ver con el solapamiento del paquete de ondas nucleares correspondiente a los dos estados implicados y tiene un tiempo de ocurrencia típico de 10-100 femtosegundos.  En el caso de la decoherencia vibracional tiene su origen en los grados de libertad nucleares que interactúan con el entorno y tienen un tiempo típico de 1 picosegundo. En el caso de los estados vibrónicos se sitúa en un punto entre los dos anteriores.

Los complejos sistemas de captura de luz han seguido la dirección de optimizar la supervivencia y la velocidad de crecimiento. Esto implica un transporte rápido y eficiente de la energía solar captada. Los sistemas fotosintéticos son capaces de ejercer un control fino de la estructura de los complejos proteína-pigmento para lograr una gran eficiencia cuántica en entorno de escasa iluminación, al igual que un control de la transferencia de energía de largo alcance. La coherencia cuántica que se ha observado en estos sistemas, implica una dinámica de la transferencia de energía y de las interacciones entre el baño y el sistema. El interrogante obvio tiene que ver con la duda de si las coherencias observadas en los sistemas naturales los ha optimizado la selección natural que ha sido capaz de forzar la optimización de la transferencia de energía y de las propiedades optoelectrónicas.

Todo parece indicar que los complejos pigmento proteína operan en una convergencia fortuita de energía en una escala de tiempo que implica un sistema mecano-cuántico robusto en el que la transferencia de energía es altamente eficiente, lo que se traduce en que todos los parámetros que inciden en la transferencia de energía, como son el acoplamiento entre los cromóforos, el acoplamiento entre el sistema y el daño circundante, la escala de tiempo de decoherencia y el tiempo para equilibrar el baño determinan un régimen de acoplamiento que es el responsable último de que la transferencia de energía resulte ser un mecanismo eficientemente optimizado. En todo caso el transporte de energía coherente y las implicaciones biológicas en los sistemas naturales está en debate y demanda la realización de nuevos experimentos. Las técnicas espectroscópicas no lineales aportarán, sin duda, elementos para dilucidar la contribución a la señal a detectar y se podrán llevar a cabo síntesis de compuestos que permitan alterarlas coherencias químicamente. No cabe duda de que es una vía de la que esperar novedades al transferir el conocimiento de los sistemas biológicos al control de la transferencia de energía en sistemas sintéticos y artificiales.