Los científicos llevan décadas estudiando la fotosíntesis, ese proceso que permite a las plantas transformar la luz solar en energía química. Sabemos que intervienen pigmentos como la clorofila, que absorben la luz, y que la energía viaja hasta los centros de reacción, donde se convierte en electricidad biológica. Pero lo que no siempre se menciona es que este proceso no puede explicarse completamente con la física clásica. De hecho, en su etapa inicial, la fotosíntesis parece obedecer reglas propias de la mecánica cuántica, ese extraño mundo donde las partículas pueden estar en varios lugares a la vez o atravesar barreras como si fueran auténticos fantasmas.
Un nuevo estudio, publicado en Chemical Science por Jürgen Hauer y su equipo, ha reexaminado uno de los aspectos más debatidos de la fotosíntesis: la forma en que la energía viaja dentro de la clorofila. La investigación muestra que el estado Qx de la clorofila a, aunque apenas dura 30 femtosegundos, desempeña un papel crucial en la transferencia de energía. Esto sugiere que la fotosíntesis aprovecha fenómenos cuánticos para optimizar la eficiencia energética. Pero, ¿qué significa realmente esto y por qué es tan importante?
La clorofila y sus estados electrónicos
Para entender el hallazgo, primero hay que conocer mejor cómo la clorofila absorbe y distribuye la energía lumínica. Cuando un fotón golpea una molécula de clorofila, la energía se captura en forma de excitaciones electrónicas. Estas excitaciones no permanecen en un único estado, sino que se distribuyen en diferentes niveles de energía, conocidos como los estados B y Q.
El estado B tiene mayor energía y es responsable de la absorción en la región azul y verde del espectro. Por otro lado, el estado Q, más bajo en energía, absorbe luz roja y amarilla. Este estado se divide en dos subniveles: Qx y Qy. Según el estudio, el estado Qx es extremadamente efímero—su existencia es tan fugaz que apenas se detecta experimentalmente—pero, a pesar de ello, juega un papel clave en la transferencia energética dentro de la molécula.
Un punto crucial es que estos estados no funcionan como compartimentos estancos, sino que están acoplados cuánticamente. Esto significa que la energía puede desplazarse entre ellos de forma extremadamente rápida y sin pérdidas, algo difícil de explicar desde la física clásica.
¿Energía sin pérdidas gracias a la mecánica cuántica?
El estudio de Hauer y su equipo demuestra que la transición de energía entre los estados B y Q ocurre en apenas 100 femtosegundos, un tiempo increíblemente corto. Pero lo más sorprendente es que dentro del estado Q, el subestado Qx parece actuar como puente para el paso final de energía hacia Qy.
Este estado existe durante un instante brevísimo, pero su presencia es fundamental para que la energía siga fluyendo sin interrupciones. Se trata de un resultado que desafía estudios anteriores que sugerían que la transferencia entre Qx y Qy ocurría en cientos de femtosegundos y dependía del disolvente. En cambio, los experimentos actuales indican que el Qx desaparece casi instantáneamente, y lo que se había interpretado como su vida útil más larga en estudios previos en realidad podría deberse a efectos de relajación vibracional y disipación de calor.
Más allá de la biología: implicaciones tecnológicas
¿Por qué es tan importante este hallazgo? En primer lugar, nos ayuda a comprender mejor la eficiencia de la fotosíntesis, que sigue siendo una referencia para el desarrollo de tecnologías de conversión de energía. La posibilidad de que la energía se transfiera sin pérdidas a través de un mecanismo cuántico es algo que los científicos han tratado de replicar en paneles solares y dispositivos fotovoltaicos avanzados.
Por otra parte, este conocimiento podría aplicarse en el diseño de sistemas de fotosíntesis artificial, capaces de convertir la luz en electricidad o en productos químicos útiles sin depender de combustibles fósiles. Si logramos reproducir la eficiencia de los procesos naturales, podríamos mejorar enormemente las tecnologías energéticas del futuro.
Finalmente, este estudio también amplía nuestra comprensión de cómo la mecánica cuántica opera a nivel biológico. Durante mucho tiempo, se pensó que los efectos cuánticos eran demasiado frágiles para influir en sistemas vivos, pero investigaciones como esta demuestran que la naturaleza ha encontrado formas de aprovechar estas propiedades en su beneficio.
La física cuántica dentro de las hojas
Este estudio aporta una nueva perspectiva sobre la fotosíntesis. La idea de que las plantas usan mecánica cuántica para maximizar la eficiencia energética puede sonar sorprendente, pero los datos lo respaldan. Los investigadores dicen que sus hallazgos presentan un panorama unificado y coherente de la dinámica de relajación de la clorofila basado en técnicas espectroscópicas ultrarrápidas y modelos teóricos extensos”.
Aún quedan muchas preguntas por responder. ¿Podemos aprovechar estos conocimientos para mejorar la producción de energía renovable? ¿Qué otros procesos biológicos podrían depender de la mecánica cuántica? Lo que está claro es que, en cada hoja verde, la física y la biología se entrelazan de formas que apenas estamos empezando a comprender.
Referencias
- Erika Keil et al, Reassessing the role and lifetime of Qx in the energy transfer dynamics of chlorophyll a, Chemical Science (2024). DOI: 10.1039/D4SC06441K
Cortesía de Muy Interesante
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