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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 las leyes clásicas de la física no pueden describir con precisión. [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 son utilizables 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 mayoría de las investigaciones actuales son teóricas y están sujetas a preguntas que requieren mayor experimentación. Aunque este campo ha recibido recientemente una gran atención, ha sido conceptualizado por los físicos a lo largo del siglo XX. Se ha sugerido que la biología cuántica podría desempeñar un papel fundamental 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? discutió 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 túnel de protones como otro mecanismo para la 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 túneles cuánticos 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 representar un mayor porcentaje de la transferencia de energía cuántica, que se produce a través del transporte de electrones y la tunelización de protones (generalmente en forma de iones de hidrógeno, H + ). [17] [18] La formación de túneles 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 ondulatorias sin violar las leyes de la física. Para cuantificar cómo se utiliza la tunelización cuántica 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 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, productos bioquímicos ). Además de los túneles de hidrógeno, los estudios también muestran que la transferencia de electrones entre centros redox a través de túneles cuánticos juega un papel importante en la actividad enzimática de la fotosíntesis y la respiración celular (consulte 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 formado 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. Se pueden almacenar hasta ~4500 átomos de hierro dentro del núcleo de la capa en el estado de oxidación Fe3+ como compuestos insolubles en agua como ferrihidrita y magnetita . [23] La ferritina es capaz de 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 proteica de 2 nm de espesor se propuso 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 en la habitación La temperatura y las condiciones ambientales se observaron en 2005. [27] La ​​tunelización de electrones asociada con la ferritina es un proceso biológico cuántico, y la ferritina es un agente biológico cuántico.

El túnel 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 del túnel de electrones es función del tamaño de la ferritina. Los eventos de tunelización de un solo electrón pueden ocurrir en distancias de hasta 8 nm a través de la ferritina, y la tunelización de electrones secuenciales puede ocurrir hasta 12 nm a través de la ferritina. Se ha propuesto que la tunelización de electrones está asistida por magnones y asociada con microdominios de magnetita en el núcleo de ferritina. [29]

Las primeras pruebas de las propiedades mecánicas cuánticas exhibidas por la ferritina in vivo se informaron en 2004, donde se observó un mayor ordenamiento magnético de las estructuras de ferritina en macrófagos placentarios mediante dispersión de neutrones de ángulo pequeño (SANS). [30] Los sólidos de puntos cuánticos también muestran un mayor orden 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 un punto cuántico sólido al conducir electrones en distancias de hasta 80 micrones a través de túneles secuenciales y la 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 conductiva de fuerza atómica del tejido de la sustancia negra pars compacta (SNc) demostró evidencia de túneles de electrones entre 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 grandes neuronas dopaminérgicas de la SNc y entre esos cuerpos celulares en las células gliales, [39] [40] [41] y se supone que están asociados con la función neuronal. [42] La sobreexpresión de ferritina reduce la acumulación de especies reactivas de oxígeno (ROS), [43] y puede actuar como catalizador al aumentar la capacidad de los electrones de los antioxidantes para neutralizar las ROS a través de la tunelización de electrones. La ferritina también se ha observado en configuraciones ordenadas en 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, es posible hacerlo utilizando QD etiquetados con antiferritina, que deberían emitir fotones si los electrones se almacenan en el túnel del núcleo de ferritina hacia el QD. [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 es enviada al cerebro y procesada por él. Este proceso de detección de un olor todavía está en duda. Una teoría denominada " teoría de la forma del olfato " sugiere que ciertos receptores olfativos son activados por ciertas 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 llegan a ellos y 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 revitalizada por Luca Turin en 1996, [48] propone que el mecanismo del sentido del olfato se debe a receptores de proteína G que detectan vibraciones moleculares debidas a electrones inelásticos. túneles, túneles donde el electrón pierde energía, a través de 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 atraviesa 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 concepto, [49] [50] ha habido múltiples resultados controvertidos en los experimentos. En algunos experimentos, los animales son capaces de distinguir olores entre moléculas de diferentes frecuencias y de la misma estructura, [51] mientras que otros experimentos muestran que las personas no son conscientes de distinguir olores debido a distintas frecuencias moleculares. [52]

Visión

La visión se basa en energía cuantificada para convertir señales luminosas 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 sufre fotoisomerización . Este cambio de 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 se produce a un ritmo rápido, en menos de 200 femtosegundos , [53] con un alto rendimiento. Los modelos sugieren el uso de efectos cuánticos para dar forma al estado fundamental y a los potenciales del estado excitado para lograr esta eficiencia. [54]

El sensor de la retina del ojo humano es lo suficientemente sensible como para detectar un solo fotón. [55] La detección de un solo fotón podría conducir 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 través 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 de retina 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 del mensaje. [57]

Transferencia de energía

Fotosíntesis

Complejo de fotosistema genérico
Complejo de antenas encontrado en fotosistemas tanto de procariotas como de eucariotas.
Diagrama del complejo FMO. La luz excita los electrones en una antena. Luego, la excitación se transfiere a través de varias proteínas del complejo FMO al centro de reacción para continuar con la fotosíntesis.

La fotosíntesis se refiere al proceso biológico que utilizan las células fotosintéticas 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 luminosa de la fotosíntesis. En esta etapa, los fotones son absorbidos por los fotosistemas unidos a membranas . Los fotosistemas contienen dos dominios principales, el complejo captador 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 complejos de clorofila y proteínas incrustados en membranas. [59] [60] Independientemente, los fotones son primero capturados por las antenas y pasados ​​al complejo del centro de reacción. Varios complejos 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 impulsada por fotones del complejo del centro de reacción media la oxidación y la reducción del aceptor de electrones primario, un componente del complejo del centro de reacción. Al igual que 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 para la síntesis de ATP .

Los conocimientos previos sobre la transferencia de excitación de electrones (EET) desde las antenas captadoras de luz hasta el centro de reacción se han basado en la teoría de Förster de la EET incoherente, que postula un acoplamiento electrónico débil entre cromóforos y saltos incoherentes de uno a otro. Esta teoría ha sido refutada en gran medida por experimentos de espectroscopia electrónica FT que muestran una absorción y transferencia de electrones con una eficiencia superior al 99%, [61] que no puede explicarse mediante modelos mecánicos clásicos. En cambio, ya en 1938, los científicos teorizaron que la coherencia cuántica era el mecanismo para la transferencia de energía de excitación. De hecho, la estructura y naturaleza del fotosistema lo ubican en el ámbito cuántico, con EET que van desde la escala de femto a nanosegundos, cubriendo distancias subnanométricas a nanométricas. [62] Los efectos de la coherencia cuántica sobre los EET en la fotosíntesis se comprenden mejor a través de la coherencia de estados y procesos. La coherencia de estados se refiere al alcance de las superposiciones individuales de estados fundamentales y excitados para entidades cuánticas, como los excitones . La coherencia del proceso, por otro lado, se refiere al grado de acoplamiento entre múltiples entidades cuánticas y su evolución 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 varias rutas de energía y utilice interferencias constructivas y destructivas para guiar la ruta del paquete de ondas del excitón. Se supone que la selección natural ha favorecido el camino más eficiente hacia el centro de reacción. Experimentalmente, la interacción entre los paquetes de ondas de diferentes frecuencias, posible gracias a una coherencia de larga duración, producirá latidos cuánticos . [64]

Si bien la fotosíntesis cuántica sigue siendo un campo emergente, se han obtenido 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 [ ¿cuál? ] proporcionó pruebas de que la coherencia cuántica dura hasta 300 femtosegundos a temperaturas biológicamente relevantes (4 °C o 277 K). Ese mismo año, experimentos realizados con algas criptófitas fotosintéticas utilizando espectroscopía de fotones-eco bidimensional arrojaron 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 una sola molécula ahora muestra las características cuánticas de la fotosíntesis sin la interferencia del desorden estático, y algunos estudios utilizan 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 una 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 la tunelización de electrones crean un sumidero de energía que mueve el 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 las redes cuánticas. [78] Además, los experimentos con moléculas de tintes artificiales arrojan dudas sobre 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 tarda un tiempo del orden de unos pocos picosegundos. [80] En 2020, una revisión basada en una amplia colección de experimentos y teorías de control concluyó que los efectos cuánticos propuestos como coherencias electrónicas de larga duración en el sistema FMO no se mantienen. [81] En cambio, la investigación que investiga la dinámica del transporte sugiere que las interacciones entre los modos de excitación electrónicos y vibratorios en los complejos FMO requieren una explicación semiclásica y semicuántica para la transferencia de energía de excitón. En otras palabras, si bien la coherencia cuántica domina a corto plazo, una descripción clásica es más precisa para describir el comportamiento de los excitones a largo plazo. [82] [83]

Otro proceso de la fotosíntesis que tiene casi un 100% de eficiencia es la transferencia de carga , lo que sugiere nuevamente que están en juego fenómenos de la mecánica cuántica. [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 un túnel cuántico , mediante el cual los electrones atraviesan una barrera de potencial a pesar de poseer menos energía de la clásicamente necesaria.

mitocondrias

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

En la 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 túnel cuántico es una consecuencia directa de esta naturaleza ondulatoria de las entidades cuánticas que permite atravesar una barrera de energía potencial que de otro modo 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 está definida por su función de onda, su probabilidad de formación de túneles depende de la forma de la barrera potencial de forma exponencial. Por ejemplo, si la barrera es relativamente ancha, la probabilidad de que la partícula entrante haga un túnel disminuirá. La barrera potencial, en cierto sentido, puede presentarse en forma de una barrera biomaterial real. La membrana interna de las mitocondrias que alberga los diversos componentes del ETC tiene un grosor del orden de 7,5 nm. [84] La membrana interna de una mitocondria debe superarse 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, el sitio de transporte de electrones). proteínas de cadena). [90] Para transferir partículas, la membrana de las mitocondrias debe tener la densidad correcta de fosfolípidos para llevar a cabo 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 los 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 son capaces de 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 enlaces de 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

Magnetorrecepción

Se ha propuesto el mecanismo de pares radicales para la magnetorrecepción cuántica en aves. Tiene lugar en moléculas de criptocromo en 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 para la magnetorrecepción es el mecanismo de pares de radicales entrelazados . [97] [98] El mecanismo de pares de radicales está bien establecido en la química del espín , [99] [100] [101] y Schulten et al. especularon que se aplicaría a la magnetorrecepción en 1978. La relación entre pares singlete y triplete cambia por la interacción de pares de electrones entrelazados con el campo magnético de la Tierra. [102] En 2000, el criptocromo fue propuesto como la "molécula magnética" que podría albergar pares de radicales magnéticamente sensibles. El criptocromo, una flavoproteína que se encuentra en los ojos de los petirrojos europeos y otras especies animales, es la única proteína que se sabe que forma pares de radicales fotoinducidos en animales. [96] Cuando interactúa con partículas ligeras, 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 se produce mediante la exposición a la 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 de radicales pueden verse influenciados significativamente por campos magnéticos muy débiles, es decir, que simplemente la dirección de campos magnéticos débiles puede afectar la reactividad de los pares de radicales y, por lo tanto, puede "catalizar" la formación de productos químicos. No está del todo 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 de radicales. Es posible que no sea necesario que los pares de radicales estén entrelazados, la característica cuántica clave del mecanismo de pares de radicales, para desempeñar un papel en estos procesos. Hay pares de radicales entrelazados y no entrelazados, pero con la tecnología actual no es posible perturbar sólo los pares de radicales entrelazados. Los investigadores encontraron evidencia del mecanismo de magnetorrecepción de pares radicales cuando los petirrojos, las cucarachas y las currucas europeas ya no podían navegar cuando se exponen a una radiofrecuencia que obstruye los campos magnéticos [96] y la química de pares radicales. Más evidencia provino de una comparación del criptocromo 4 (CRY4) de aves migratorias y no migratorias. Se descubrió que CRY4 de pollos y palomas era menos sensible a los campos magnéticos que los 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 instrucciones para producir proteínas en todo el cuerpo. Consta de 4 nucleótidos: guanina, timina, citosina y adenina. [104] El orden de estos nucleótidos proporciona la "receta" para las diferentes proteínas.

Siempre que una célula se reproduce, debe copiar estas hebras de ADN. Sin embargo, en algún momento del proceso de copia de la cadena de ADN puede ocurrir una mutación o un error en el código del ADN. En el modelo de mutación del ADN de Lowdin se explica una teoría del razonamiento detrás de la mutación del ADN . [105] En este modelo, un nucleótido puede cambiar espontáneamente su forma mediante un proceso de túnel cuántico . [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 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 fotoliasa reparadora del ADN. Como implica su prefijo, 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 se excita con la luz visible y transfiere un electrón al cofactor FADH. FADH, ahora en posesión de un electrón adicional, transfiere el electrón al dímero para romper el enlace y reparar el ADN. Los electrones hacen un túnel desde el FADH hasta el dímero . Aunque el rango de esta tunelización es mucho mayor de lo factible en el vacío, se dice que la tunelización en este escenario es una "túnel mediada por superintercambio" y es posible debido a la capacidad de la proteína para aumentar las velocidades de tunelización 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 a las múltiples corrientes de investigación científica sobre la mecánica cuántica ha surgido un interés pseudocientífico inconexo ; esto hizo que los científicos abordaran la biología cuántica con cautela. [111]

Hipótesis como la reducción objetiva orquestada que postula un vínculo entre la mecánica cuántica y la conciencia han generado críticas de la comunidad científica y algunos afirman que es pseudocientífica y "una excusa para la charlatanería". [112]

Referencias

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