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Biología cuántica

La biología cuántica es el estudio de las aplicaciones de la mecánica cuántica y la química teórica a aspectos de la biología que no pueden describirse con precisión mediante las leyes clásicas de la física. [1] La comprensión de las interacciones cuánticas fundamentales es importante porque determinan las propiedades del siguiente nivel de organización en los sistemas biológicos.

Muchos procesos biológicos implican la conversión de energía en formas que se pueden utilizar para transformaciones químicas y son de naturaleza mecánica cuántica. Dichos procesos implican reacciones químicas , absorción de luz , formación de estados electrónicos excitados , transferencia de energía de excitación y transferencia de electrones y protones ( iones de hidrógeno ) en procesos químicos, como la fotosíntesis , el olfato y la respiración celular . [2] Además, la biología cuántica puede utilizar cálculos para modelar interacciones biológicas a la luz de los efectos de la mecánica cuántica. [3] La biología cuántica se ocupa de la influencia de fenómenos cuánticos no triviales, [4] que pueden explicarse reduciendo el proceso biológico a la física fundamental , aunque estos efectos son difíciles de estudiar y pueden ser especulativos. [5]

Actualmente, existen cuatro procesos vitales principales que se han identificado como influenciados por efectos cuánticos: catálisis enzimática, procesos sensoriales, transferencia de energía y codificación de información. [6]

Historia

La biología cuántica es un campo emergente, en el sentido de que la mayor parte de la investigación actual es teórica y está sujeta a preguntas que requieren mayor experimentación. Aunque el campo ha recibido recientemente una afluencia de atención, ha sido conceptualizado por los físicos a lo largo del siglo XX. Se ha sugerido que la biología cuántica podría desempeñar un papel crítico en el futuro del mundo médico. [7] Los primeros pioneros de la física cuántica vieron aplicaciones de la mecánica cuántica en problemas biológicos. El libro de Erwin Schrödinger de 1944 ¿Qué es la vida? analizó las aplicaciones de la mecánica cuántica en biología. [8] Schrödinger introdujo la idea de un " cristal aperiódico " que contenía información genética en su configuración de enlaces químicos covalentes . Sugirió además que las mutaciones se introducen mediante "saltos cuánticos". Otros pioneros, Niels Bohr , Pascual Jordan y Max Delbrück, argumentaron que la idea cuántica de complementariedad era fundamental para las ciencias de la vida. [9] En 1963, Per-Olov Löwdin publicó el efecto túnel de protones como otro mecanismo de mutación del ADN . En su artículo, afirmó que existe un nuevo campo de estudio llamado "biología cuántica". [10] En 1979, el físico soviético y ucraniano Alexander Davydov publicó el primer libro de texto sobre biología cuántica titulado Biología y mecánica cuántica . [11] [12]

Catálisis enzimática

Se ha postulado que las enzimas utilizan la tunelización cuántica para transferir electrones en cadenas de transporte de electrones . [13] [14] [15] Es posible que las arquitecturas cuaternarias de proteínas se hayan adaptado para permitir el entrelazamiento y la coherencia cuánticos sostenidos , que son dos de los factores limitantes para la tunelización cuántica en entidades biológicas. [16] Estas arquitecturas podrían explicar un mayor porcentaje de transferencia de energía cuántica, que ocurre a través del transporte de electrones y la tunelización de protones (generalmente en forma de iones de hidrógeno, H + ). [17] [18] La tunelización se refiere a la capacidad de una partícula subatómica de viajar a través de barreras de energía potencial. [19] Esta capacidad se debe, en parte, al principio de complementariedad , que sostiene que ciertas sustancias tienen pares de propiedades que no se pueden medir por separado sin cambiar el resultado de la medición. Las partículas, como los electrones y los protones, tienen dualidad onda-partícula ; pueden atravesar barreras de energía debido a sus características de onda sin violar las leyes de la física. Para cuantificar cómo se utiliza el efecto túnel cuántico en muchas actividades enzimáticas, muchos biofísicos utilizan la observación de iones de hidrógeno. Cuando se transfieren iones de hidrógeno, esto se considera un elemento básico en la red de procesamiento de energía primaria de un orgánulo; en otras palabras, los efectos cuánticos suelen actuar en los sitios de distribución de protones a distancias del orden de un angstrom (1 Å). [20] [21] En física, un enfoque semiclásico (SC) es más útil para definir este proceso debido a la transferencia de elementos cuánticos (por ejemplo, partículas) a fenómenos macroscópicos (por ejemplo, bioquímicos ). Aparte del efecto túnel de hidrógeno, los estudios también muestran que la transferencia de electrones entre centros redox a través del efecto túnel cuántico desempeña un papel importante en la actividad enzimática de la fotosíntesis y la respiración celular (véase también la sección Mitocondrias a continuación). [15] [22]

Ferritina

La ferritina es una proteína de almacenamiento de hierro que se encuentra en plantas y animales. Por lo general, está formada por 24 subunidades que se autoensamblan en una capa esférica de aproximadamente 2 nm de espesor, con un diámetro exterior que varía con la carga de hierro hasta aproximadamente 16 nm. Hasta ~4500 átomos de hierro se pueden almacenar dentro del núcleo de la capa en el estado de oxidación Fe3+ como compuestos insolubles en agua como ferrihidrita y magnetita . [23] La ferritina puede almacenar electrones durante al menos varias horas, lo que reduce el Fe3+ a Fe2+ soluble en agua. [24] La tunelización de electrones como mecanismo por el cual los electrones transitan la capa de proteína de 2 nm de espesor fue propuesta ya en 1988. [25] La tunelización de electrones y otras propiedades mecánicas cuánticas de la ferritina se observaron en 1992, [26] y la tunelización de electrones a temperatura ambiente y condiciones ambientales se observó en 2005. [27] La ​​tunelización de electrones asociada con la ferritina es un proceso biológico cuántico, y la ferritina es un agente biológico cuántico.

La tunelización de electrones a través de la ferritina entre electrodos es independiente de la temperatura, lo que indica que es sustancialmente coherente y sin activación. [28]  La distancia de tunelización de electrones es una función del tamaño de la ferritina. Los eventos de tunelización de electrones individuales pueden ocurrir en distancias de hasta 8 nm a través de la ferritina, y la tunelización de electrones secuencial puede ocurrir hasta 12 nm a través de la ferritina. Se ha propuesto que la tunelización de electrones es asistida por magnones y asociada con microdominios de magnetita en el núcleo de ferritina. [29]

En 2004 se informó de la evidencia temprana de las propiedades mecánicas cuánticas exhibidas por la ferritina in vivo , donde se observó un mayor ordenamiento magnético de las estructuras de ferritina en los macrófagos placentarios utilizando la dispersión de neutrones de ángulo pequeño (SANS). [30] Los sólidos de puntos cuánticos también muestran un mayor ordenamiento magnético en las pruebas SANS, [31] y pueden conducir electrones a largas distancias. [32] También se ha observado un mayor ordenamiento magnético de los núcleos de ferritina dispuestos en una capa ordenada sobre un sustrato de silicio con pruebas SANS. [33] Las estructuras de ferritina como las de los macrófagos placentarios se han probado en configuraciones de estado sólido y exhiben propiedades similares a las de los sólidos de puntos cuánticos de conducción de electrones a distancias de hasta 80 micrones a través de tunelización secuencial y formación de bloqueos de Coulomb. [34] [35] [36]  El transporte de electrones a través de la ferritina en los macrófagos placentarios puede estar asociado con una función antiinflamatoria. [37]

La microscopía de fuerza atómica conductiva del tejido de la pars compacta de la sustancia negra (SNc) demostró evidencia de tunelización de electrones entre los núcleos de ferritina, en estructuras que se correlacionan con capas de ferritina fuera de los orgánulos de neuromelanina . [38] 

También se ha encontrado evidencia de capas de ferritina en los cuerpos celulares de las neuronas dopaminérgicas grandes del SNc y entre esos cuerpos celulares en las células gliales, [39] [40] [41] y se plantea la hipótesis de que está asociada con la función neuronal. [42] La sobreexpresión de ferritina reduce la acumulación de especies reactivas de oxígeno (ROS), [43] y puede actuar como un catalizador al aumentar la capacidad de los electrones de los antioxidantes para neutralizar las ROS a través de la tunelización de electrones. También se ha observado ferritina en configuraciones ordenadas en los lisosomas asociados con la eritropoyesis , [44] donde puede estar asociada con la producción de glóbulos rojos. Si bien aún no se ha obtenido evidencia directa de la tunelización asociada con la ferritina in vivo en células vivas, puede ser posible hacerlo utilizando puntos cuánticos marcados con antiferritina, que deberían emitir fotones si los electrones almacenados en el núcleo de ferritina se tunelizan hacia el punto cuántico. [45]

Procesos sensoriales

Olfato

El olfato, el sentido del olfato, se puede dividir en dos partes: la recepción y detección de una sustancia química, y cómo esa detección se envía al cerebro y se procesa en él. Este proceso de detección de un olor todavía está en tela de juicio. Una teoría llamada " teoría de la forma del olfato " sugiere que ciertos receptores olfativos se activan ante determinadas formas de sustancias químicas y esos receptores envían un mensaje específico al cerebro. [46] Otra teoría (basada en fenómenos cuánticos) sugiere que los receptores olfativos detectan la vibración de las moléculas que los alcanzan y que el "olor" se debe a diferentes frecuencias vibratorias; esta teoría se llama acertadamente "teoría de la vibración del olfato".

La teoría de la vibración del olfato , creada en 1938 por Malcolm Dyson [47] pero revigorizada por Luca Turin en 1996, [48] propone que el mecanismo del sentido del olfato se debe a los receptores de proteína G que detectan vibraciones moleculares debido a la tunelización inelástica de electrones, tunelización donde el electrón pierde energía, a través de las moléculas. [48] En este proceso, una molécula llenaría un sitio de unión con un receptor de proteína G. Después de la unión de la sustancia química al receptor, la sustancia química actuaría como un puente que permitiría que el electrón se transfiriera a través de la proteína. A medida que el electrón se transfiere a través de lo que de otro modo habría sido una barrera, pierde energía debido a la vibración de la molécula recién unida al receptor. Esto da como resultado la capacidad de oler la molécula. [48] [4]

Si bien la teoría de la vibración tiene algunas pruebas experimentales de su validez, [49] [50] ha habido múltiples resultados controvertidos en experimentos. En algunos experimentos, los animales son capaces de distinguir olores entre moléculas de diferentes frecuencias y la misma estructura, [51] mientras que otros experimentos muestran que las personas no son conscientes de distinguir olores debido a frecuencias moleculares distintas. [52]

Visión

La visión depende de la energía cuantificada para convertir las señales de luz en un potencial de acción en un proceso llamado fototransducción . En la fototransducción, un fotón interactúa con un cromóforo en un receptor de luz. El cromóforo absorbe el fotón y experimenta fotoisomerización . Este cambio en la estructura induce un cambio en la estructura del fotorreceptor y las vías de transducción de señales resultantes conducen a una señal visual. Sin embargo, la reacción de fotoisomerización ocurre a un ritmo rápido, en menos de 200 femtosegundos , [53] con alto rendimiento. Los modelos sugieren el uso de efectos cuánticos para dar forma a los potenciales de estado fundamental y estado excitado para lograr esta eficiencia. [54]

El sensor de la retina del ojo humano es lo suficientemente sensible como para detectar un único fotón. [55] La detección de un único fotón podría dar lugar a múltiples tecnologías diferentes. Un área de desarrollo es la comunicación cuántica y la criptografía . La idea es utilizar un sistema biométrico para medir el ojo utilizando sólo una pequeña cantidad de puntos a lo largo de la retina con destellos aleatorios de fotones que "leen" la retina e identifican al individuo. [56] Este sistema biométrico sólo permitiría a un determinado individuo con un mapa retiniano específico decodificar el mensaje. Este mensaje no puede ser decodificado por nadie más a menos que el espía adivine el mapa correcto o pueda leer la retina del destinatario previsto del mensaje. [57]

Transferencia de energía

Fotosíntesis

Fotosistema genérico complejo
Complejo de antenas que se encuentra en los fotosistemas tanto de procariotas como de eucariotas
Diagrama del complejo FMO. La luz excita los electrones en una antena. La excitación luego se transfiere a través de varias proteínas en el complejo FMO al centro de reacción para continuar la fotosíntesis.

La fotosíntesis se refiere al proceso biológico que las células fotosintéticas utilizan para sintetizar compuestos orgánicos a partir de materiales de partida inorgánicos utilizando la luz solar. [58] Lo que se ha implicado principalmente como exhibidor de comportamientos cuánticos no triviales es la etapa de reacción de la luz de la fotosíntesis. En esta etapa, los fotones son absorbidos por los fotosistemas unidos a la membrana . Los fotosistemas contienen dos dominios principales, el complejo de recolección de luz (antenas) y el centro de reacción . Estas antenas varían entre organismos. Por ejemplo, las bacterias utilizan agregados circulares de pigmentos de clorofila, mientras que las plantas utilizan proteínas incrustadas en la membrana y complejos de clorofila. [59] [60] Independientemente, los fotones son capturados primero por las antenas y pasados ​​al complejo del centro de reacción. Varios complejos de pigmento-proteína, como el complejo FMO en las bacterias verdes del azufre, son responsables de transferir energía desde las antenas al sitio de reacción. La excitación del complejo del centro de reacción impulsada por fotones media la oxidación y la reducción del aceptor primario de electrones, un componente del complejo del centro de reacción. De manera muy similar a la cadena de transporte de electrones de las mitocondrias, una serie lineal de oxidaciones y reducciones impulsa el bombeo de protones (H+) a través de la membrana tilacoide, el desarrollo de una fuerza motriz de protones y el acoplamiento energético a la síntesis de ATP .

Los conocimientos previos sobre la transferencia de excitación de electrones (EET) desde las antenas de recolección de luz hasta el centro de reacción se basaban en la teoría de Förster de la EET incoherente, que postulaba un acoplamiento débil de electrones entre cromóforos y un salto incoherente de uno a otro. Esta teoría ha sido refutada en gran medida por los experimentos de espectroscopia electrónica de FT que muestran la absorción y transferencia de electrones con una eficiencia superior al 99%, [61] lo que no puede explicarse mediante modelos mecánicos clásicos. En cambio, ya en 1938, los científicos teorizaron que la coherencia cuántica era el mecanismo de transferencia de energía de excitación. De hecho, la estructura y la naturaleza del fotosistema lo ubican en el reino cuántico, con una EET que va desde la escala de femtosegundos a nanosegundos, cubriendo distancias de subnanómetros a nanómetros. [62] Los efectos de la coherencia cuántica sobre la EET en la fotosíntesis se entienden mejor a través de la coherencia de estado y proceso. La coherencia de estado se refiere al grado de superposición individual de estados fundamentales y excitados para entidades cuánticas, como los excitones . La coherencia de proceso, por otro lado, se refiere al grado de acoplamiento entre múltiples entidades cuánticas y su evolución, ya sea dominada por partes unitarias o disipativas, que compiten entre sí. Ambos tipos de coherencia están implicados en la EET fotosintética, donde un excitón se deslocaliza coherentemente en varios cromóforos. [63] Esta deslocalización permite que el sistema explore simultáneamente varios caminos de energía y use interferencias constructivas y destructivas para guiar el camino del paquete de ondas del excitón. Se presume que la selección natural ha favorecido el camino más eficiente hacia el centro de reacción. Experimentalmente, la interacción entre los diferentes paquetes de ondas de frecuencia, posibilitada por la coherencia de larga duración, producirá ritmos cuánticos . [64]

Si bien la fotosíntesis cuántica es todavía un campo emergente, ha habido muchos resultados experimentales que respaldan la comprensión de la coherencia cuántica de la EET fotosintética. Un estudio de 2007 afirmó la identificación de la coherencia cuántica electrónica [65] a −196 °C (77 K). Otro estudio teórico de 2010 [ which? ] proporcionó evidencia de que la coherencia cuántica vive hasta 300 femtosegundos a temperaturas biológicamente relevantes (4 °C o 277 K). En ese mismo año, los experimentos realizados en algas criptofitas fotosintéticas utilizando espectroscopia de eco de fotones bidimensionales produjeron una confirmación adicional de la coherencia cuántica a largo plazo. [66] Estos estudios sugieren que, a través de la evolución, la naturaleza ha desarrollado una forma de proteger la coherencia cuántica para mejorar la eficiencia de la fotosíntesis. Sin embargo, estudios de seguimiento críticos cuestionan la interpretación de estos resultados. La espectroscopia de moléculas individuales ahora muestra las características cuánticas de la fotosíntesis sin la interferencia del desorden estático, y algunos estudios usan este método para asignar firmas reportadas de coherencia cuántica electrónica a la dinámica nuclear que ocurre en los cromóforos. [67] [68] [69] [70] [71] [72] [73] Surgieron varias propuestas para explicar la coherencia inesperadamente larga. Según una propuesta, si cada sitio dentro del complejo siente su propio ruido ambiental, el electrón no permanecerá en ningún mínimo local debido tanto a la coherencia cuántica como a su entorno térmico , sino que procederá al sitio de reacción a través de paseos cuánticos . [74] [75] [76] Otra propuesta es que la tasa de coherencia cuántica y el efecto túnel de electrones crean un sumidero de energía que mueve al electrón al sitio de reacción rápidamente. [77] Otro trabajo sugirió que las simetrías geométricas en el complejo pueden favorecer la transferencia eficiente de energía al centro de reacción, reflejando la transferencia de estado perfecta en redes cuánticas. [78] Además, los experimentos con moléculas de colorantes artificiales ponen en duda la interpretación de que los efectos cuánticos duran más de cien femtosegundos. [79]

En 2017, el primer experimento de control con la proteína FMO original en condiciones ambientales confirmó que los efectos cuánticos electrónicos se eliminan en 60 femtosegundos, mientras que la transferencia general de excitones lleva un tiempo del orden de unos pocos picosegundos. [80] En 2020, una revisión basada en una amplia colección de experimentos de control y teoría concluyó que los efectos cuánticos propuestos como coherencias electrónicas de larga duración en el sistema FMO no se sostienen. [81] En cambio, la investigación que investiga la dinámica del transporte sugiere que las interacciones entre los modos electrónicos y vibracionales de excitación en los complejos FMO requieren una explicación semiclásica y semicuántica para la transferencia de energía de los excitones. En otras palabras, mientras que la coherencia cuántica domina en el corto plazo, una descripción clásica es más precisa para describir el comportamiento a largo plazo de los excitones. [82] [83]

Otro proceso en la fotosíntesis que tiene una eficiencia de casi el 100% es la transferencia de carga , lo que nuevamente sugiere que los fenómenos mecánicos cuánticos están en juego. [73] En 1966, un estudio sobre la bacteria fotosintética Chromatium encontró que a temperaturas inferiores a 100 K, la oxidación del citocromo es independiente de la temperatura, lenta (del orden de milisegundos) y muy baja en energía de activación . Los autores, Don DeVault y Britton Chase, postularon que estas características de la transferencia de electrones son indicativas de tunelización cuántica , por la cual los electrones penetran una barrera de potencial a pesar de poseer menos energía de la que es clásicamente necesaria.

Mitocondrias

Se ha demostrado que las mitocondrias utilizan la tunelización cuántica en su función como fuente de energía de las células eucariotas. De manera similar a las reacciones de luz en el tilacoide , las proteínas linealmente asociadas a la membrana que comprenden la cadena de transporte de electrones (CTE) vinculan energéticamente la reducción de O2 con el desarrollo de un gradiente de protones motrices (H+) a través de la membrana interna de las mitocondrias. Esta energía almacenada como gradiente de protones motrices se acopla luego con la síntesis de ATP . Es significativo que la conversión de biomasa en ATP químico por parte de las mitocondrias alcance una eficiencia termodinámica del 60-70%, muy superior a la de los motores artificiales . [84] Este alto grado de eficiencia se atribuye en gran medida a la tunelización cuántica de electrones en la CTE y de protones en el gradiente de protones motrices. De hecho, ya se ha demostrado la tunelización de electrones en ciertos elementos de la cadena de transporte de electrones, incluida la NADH:ubiquinona oxidorreductasa (complejo I) y la CoQH2-citocromo c reductasa (complejo III). [85] [86]

En mecánica cuántica, tanto los electrones como los protones son entidades cuánticas que exhiben dualidad onda-partícula , exhibiendo propiedades tanto de partícula como de onda dependiendo del método de observación experimental. [87] El efecto túnel cuántico es una consecuencia directa de esta naturaleza ondulatoria de las entidades cuánticas que permite el paso a través de una barrera de energía potencial que de otra manera restringiría la entidad. [88] Además, depende de la forma y el tamaño de una barrera potencial en relación con la energía entrante de una partícula. [89] Debido a que la partícula entrante se define por su función de onda, su probabilidad de efecto túnel depende de la forma de la barrera potencial de manera exponencial. Por ejemplo, si la barrera es relativamente ancha, la probabilidad de que la partícula entrante haga efecto túnel disminuirá. La barrera potencial, en cierto sentido, puede venir en forma de una barrera biomaterial real. La membrana mitocondrial interna que alberga los diversos componentes de la cadena de transporte de electrones tiene un espesor del orden de 7,5 nm. [84] La membrana interna de una mitocondria debe ser superada para permitir que las señales (en forma de electrones, protones, H + ) se transfieran desde el sitio de emitancia (interno a la mitocondria) y el sitio de aceptación (es decir, las proteínas de la cadena de transporte de electrones). [90] Para transferir partículas, la membrana de la mitocondria debe tener la densidad correcta de fosfolípidos para realizar una distribución de carga relevante que atraiga la partícula en cuestión. Por ejemplo, para una mayor densidad de fosfolípidos, la membrana contribuye a una mayor conductancia de protones. [90]

Solitones moleculares en proteínas

Alexander Davydov desarrolló la teoría cuántica de solitones moleculares para explicar el transporte de energía en las hélices α de proteínas en general y la fisiología de la contracción muscular en particular. [91] [92] Demostró que los solitones moleculares pueden preservar su forma a través de la interacción no lineal de excitones de amida I y deformaciones de fonones dentro de la red de grupos peptídicos unidos por hidrógeno . [93] [94] En 1979, Davydov publicó su libro de texto completo sobre biología cuántica titulado "Biología y mecánica cuántica" que presenta la dinámica cuántica de proteínas , membranas celulares , bioenergética , contracción muscular y transporte de electrones en biomoléculas . [11] [12]

Codificación de información

Recepción magnética

Se ha propuesto el mecanismo de pares radicales para la magnetorrecepción cuántica en las aves. Tiene lugar en las moléculas de criptocromo de las células de la retina de las aves . [95]

La magnetorrecepción es la capacidad de los animales para navegar utilizando la inclinación del campo magnético de la Tierra. [96] Una posible explicación de la magnetorrecepción es el mecanismo de pares radicales enredados . [97] [98] El mecanismo de pares radicales está bien establecido en la química de espín , [99] [100] [101] y Schulten et al. especularon que se aplicaba a la magnetorrecepción en 1978. La relación entre pares singlete y triplete cambia por la interacción de pares de electrones enredados con el campo magnético de la Tierra. [102] En 2000, se propuso el criptocromo como la "molécula magnética" que podría albergar pares radicales sensibles al magnetismo. El criptocromo, una flavoproteína que se encuentra en los ojos de los petirrojos europeos y otras especies animales, es la única proteína conocida por formar pares radicales fotoinducidos en animales. [96] Cuando interactúa con partículas de luz, el criptocromo pasa por una reacción redox , que produce pares de radicales tanto durante la fotorreducción como durante la oxidación. La función del criptocromo es diversa entre especies, sin embargo, la fotoinducción de pares de radicales ocurre por exposición a luz azul, que excita un electrón en un cromóforo . [102] La magnetorrecepción también es posible en la oscuridad, por lo que el mecanismo debe depender más de los pares de radicales generados durante la oxidación independiente de la luz.

Los experimentos en el laboratorio apoyan la teoría básica de que los electrones de pares radicales pueden ser significativamente influenciados por campos magnéticos muy débiles, es decir, simplemente la dirección de los campos magnéticos débiles puede afectar la reactividad de los pares radicales y, por lo tanto, puede "catalizar" la formación de productos químicos. No está completamente claro si este mecanismo se aplica a la magnetorrecepción y/o a la biología cuántica, es decir, si el campo magnético de la Tierra "cataliza" la formación de productos bioquímicos con la ayuda de pares radicales. Es posible que los pares radicales no necesiten estar enredados, la característica cuántica clave del mecanismo de pares radicales, para participar en estos procesos. Hay pares radicales enredados y no enredados, pero alterar solo los pares radicales enredados no es posible con la tecnología actual. Los investigadores encontraron evidencia del mecanismo de pares radicales de magnetorrecepción cuando los petirrojos europeos, las cucarachas y las currucas mosquiteras ya no podían orientarse cuando se los exponía a una frecuencia de radio que obstruía los campos magnéticos [96] y la química de pares radicales. Se obtuvieron más pruebas de una comparación del criptocromo 4 (CRY4) de aves migratorias y no migratorias. Se descubrió que el CRY4 del pollo y la paloma era menos sensible a los campos magnéticos que el del petirrojo europeo (migratorio) , lo que sugiere una optimización evolutiva de esta proteína como sensor de campos magnéticos. [103]

Mutación del ADN

El ADN actúa como las instrucciones para la fabricación de proteínas en todo el cuerpo. Está formado por 4 nucleótidos: guanina, timina, citosina y adenina. [104] El orden de estos nucleótidos proporciona la "receta" para las diferentes proteínas.

Cada vez que una célula se reproduce, debe copiar estas cadenas de ADN. Sin embargo, en algún momento durante el proceso de copia de la cadena de ADN puede ocurrir una mutación, o un error en el código de ADN. Una teoría para el razonamiento detrás de la mutación del ADN se explica en el modelo de mutación del ADN de Lowdin. [105] En este modelo, un nucleótido puede cambiar espontáneamente su forma a través de un proceso de tunelización cuántica . [106] [107] Debido a esto, el nucleótido modificado perderá su capacidad de emparejarse con su par de bases original y, en consecuencia, cambiará la estructura y el orden de la cadena de ADN.

La exposición a la luz ultravioleta y a otros tipos de radiación puede provocar mutaciones y daños en el ADN. La radiación también puede modificar los enlaces a lo largo de la cadena de ADN en las pirimidinas y hacer que se unan entre sí, creando un dímero. [108]

En muchos procariotas y plantas, estos enlaces son reparados por una enzima reparadora de ADN llamada fotoliasa. Como su prefijo implica, la fotoliasa depende de la luz para reparar la hebra. La fotoliasa trabaja con su cofactor FADH , el dinucleótido de flavina y adenina, mientras repara el ADN. La fotoliasa es excitada por la luz visible y transfiere un electrón al cofactor FADH. El FADH, ahora en posesión de un electrón adicional, transfiere el electrón al dímero para romper el enlace y reparar el ADN. El electrón hace un túnel desde el FADH hasta el dímero . Aunque el alcance de este túnel es mucho mayor que el posible en el vacío, se dice que el túnel en este escenario es un "tunelaje mediado por superintercambio", y es posible debido a la capacidad de la proteína para aumentar las tasas de tunelaje del electrón. [105]

Otro

Otros fenómenos cuánticos en sistemas biológicos incluyen la conversión de energía química en movimiento [109] y los motores brownianos en muchos procesos celulares. [110]

Pseudociencia

Junto con las múltiples líneas de investigación científica sobre la mecánica cuántica ha surgido un interés pseudocientífico no relacionado ; esto ha llevado a los científicos a acercarse a la biología cuántica con cautela. [111]

Hipótesis como la reducción objetiva orquestada , que postulan un vínculo entre la mecánica cuántica y la conciencia, han recibido críticas de la comunidad científica, que las considera pseudocientíficas y "una excusa para la charlatanería". [112]

Referencias

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