Ciencia

Quizás el proceso más importante para la vida en la Tierra es la fotosíntesis. En este, la radiación electromagnética del sol, compuesta por fotones (cuantos de luz), impacta los cloroplastos, organelas particulares de las plantas y de algunas bacterias y hongos que están llenas del pigmento clorofila, a su vez empacado en estructuras llamadas tilacoides. 

La función de estas estructuras es tan maravillosa como compleja: capturar la energía que llega con los fotones, usarla para cargar electrones de la molécula de clorofila y pasarla así a un medio líquido, llamado estroma, donde dicha energía será usada para fragmentar moléculas de agua y dióxido de carbono. 

“Lo que se transporta como tal no son los electrones, sino el estado excitado de estos, lo que se denomina un excitón, un estado energético cuántico”, explica el profesor Leonardo A. Pachón, del Grupo Física Atómica y Molecular de la Alma Máter. Un tema algo extraño, sin duda, como todo lo relacionado con cuántica, pero esencial.

Con esos átomos y otro poquito de energía solar la planta construye azúcares para formar sus tejidos (almidón, celulosa, lignina, etc.) que los animales, incluyéndonos, comemos y usamos para nuestras propias necesidades de energía y crecimiento. 

Y esta es solo una descripción ultrarreducida de un proceso complejísimo. La alquimia de transformar luz en energía para reacciones químicas es aún misteriosa. “La parte química del proceso es poco eficiente, pues solo cerca del 2% de la energía solar que llega al cloroplasto es usada para generar nuevas moléculas”, explica el profesor Pachón. “Pero la parte lumínica es increíblemente eficiente; casi el 100% de la energía es transferida de fotones a electrones para luego ser usada, y con enorme rapidez”.

Explicación desde la cuántica y la física clásica

La cuántica, la teoría física que implica que la energía se emite y transfiere en paquetes y no de manera continua, es el modelo más poderoso que tiene la física hoy. Explica muchos fenómenos que no pueden ser comprendidos de otra forma, e incluso permite poderosos avances tecnológicos, entre ellos los computadores, teléfonos móviles y pantallas LCD. El mundo moderno basado en la electrónica es fruto de la mecánica cuántica. 

Los cálculos cuánticos son viables para sistemas diminutos, como un átomo. “Cuando se pasa a algo mayor, como una macro-molécula o una reacción biológica, se requieren cálculos tan complejos que hasta ahora no hay computador que pueda hacerlos”, comenta el profesor Pachón. Y justo en el mundo macro es donde la teoría clásica del electromagnetismo ha funcionado bien, explicando cómo se transmiten las ondas de radio o porqué alumbra un bombillo. 

El profesor Pachón, su estudiante Sebastián Duque y su colega Paul Brumer, de la Universidad de Toronto, aunque apasionados por la cuántica, decidieron probar la teoría clásica para explicar la transmisión de energía del fotón al sistema químico de la planta. 

Al hacer los cálculos de transporte de energía con las herramientas y ecuaciones de la teoría clásica, encontraron que sus resultados se aproximaban mucho más a los experimentales que si usaran los cálculos cuánticos. 

“La teoría cuántica es sumamente precisa para sistemas atómicos, pero para algo más grande los cálculos son muy complejos y se deben hacer muchas aproximaciones, con lo que se pierde información. Estas aproximaciones no son necesarias si se usa la teoría clásica”, comenta el profesor Pachón. Además, la teoría del investigador permitió predecir la existencia de mecanismos de súper transferencia que, de acuerdo a investigadores del Instituto Tecnológico de Massachussetts —MIT— y la Universidad de Harvard, eran exclusivos del mundo cuántico.

El secreto más codiciado

Conocer los mecanismos físicos de la fotosíntesis aportaría claves esenciales a nuestro conocimiento de la vida, pero además es una promesa tecnológica abrumadora. “Solo para dar un ejemplo, las celdas solares más eficientes que se han desarrollado consiguen capturar y transformar en electricidad el 25% de la luz solar. Imagine una celda solar con una transferencia del 100%, como pasa en las plantas”.

Además, está la posibilidad de ampliar estos cálculos a otros sistemas macro. “Nuestra teoría sirve para estudiar y analizar el transporte de energía en sistemas moleculares muchos más grandes, sin las restricciones de la dificultad innata de los cálculos cuánticos”.

El progreso de un enfoque como este facilitaría enormemente no solo el desarrollo de tecnologías basadas en la luz, sino también algo mayor: un mejor conocimiento de los procesos energéticos en la naturaleza. 

No por casualidad el profesor Pachón y su estudiante Sebastián Duque ganaron este año el premio a la investigación profesoral y estudiantil, respectivamente, otorgado por la Alma Máter en su Día Clásico, y los autores publicaron su hallazgo en una de las revistas más prestigiosas del área, Physical Review Letters.