Fotosíntesis y mecánica cuántica: un vínculo inesperado

Fotosíntesis y mecánica cuántica: un vínculo inesperado atrapó a los científicos, que llevan décadas estudiando la fotosíntesis, el 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. En este sentido, 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 informe, publicado en Chemical Science por Jürgen Hauer y su equipo, examinó uno de los aspectos más debatidos de la fotosíntesis: la forma en que la energía viaja dentro de la clorofila. La investigación indica 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?

Fotosíntesis y mecánica cuántica: un vínculo inesperado

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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 posee 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 clave es que estos estados no funcionan como compartimentos estancos, sino que están acoplados cuánticamente. Esto implica que la energía puede desplazarse entre ellos de forma extremadamente rápida y sin pérdidas, algo difícil de explicar desde la física clásica.

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¿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 impactante 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 corto, 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.

El estudio de Hauer y su equipo demuestra que la transición de energía entre los estados B y Q ocurre en apenas 100 femtosegundos. Fuente: Midjourney / Eugenio Fdz.

¿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 trataron 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.