Biología cuántica — El cuerpo ya es cuántico

1. Fotosíntesis — el grupo de Fleming, 2007 y después

El primer resultado decisivo en biología cuántica llegó en 2007, cuando el grupo de Graham Fleming en Berkeley demostró transferencia de energía cuántico-coherente en el complejo fotosintético Fenna-Matthews-Olson (FMO) de bacterias verdes del azufre. Usando espectroscopía electrónica bidimensional a escalas de femtosegundo, mostraron que la energía de un fotón capturado no salta aleatoriamente entre moléculas de clorofila buscando el centro de reacción; en cambio, se propaga como superposición cuántico-coherente que muestrea simultáneamente todos los caminos posibles y alcanza el centro de reacción con eficiencia casi perfecta.

Esto es fotosíntesis usando un algoritmo de búsqueda mecánico-cuántico — el mismo tipo de exploración de caminos paralelos que hace poderosa la computación cuántica — para resolver, en nanosegundos, lo que para cualquier proceso clásico sería un paseo aleatorio lento. El resultado se ha confirmado desde entonces en múltiples complejos fotosintéticos, en bacterias, algas y plantas superiores.

Los críticos argumentaron inicialmente que la coherencia observada podría ser un artefacto o específica de las condiciones de laboratorio. El trabajo posterior — incluyendo mediciones directas en células vivas, no sólo en complejos aislados — ha respondido en gran medida a esas objeciones. La fotosíntesis es ahora ampliamente aceptada como un proceso cuántico-mecánico in vivo.

2. Magnetorrecepción aviar — el mecanismo del par radical

Las aves navegan detectando el campo magnético de la Tierra. El mecanismo, propuesto por Klaus Schulten en 1978 y confirmado con detalle creciente desde los 2000s, es cuántico-mecánico: un fotón que golpea una molécula de criptocromo en la retina del ave crea un par radical — dos electrones cuyos espines están cuánticamente entrelazados. La orientación relativa de esos espines evoluciona bajo la influencia del campo magnético de la Tierra, y el destino químico de la molécula (que determina una señal neural) depende de si los espines están alineados o anti-alineados en el momento de la desintegración.

Esto es un par de espines cuánticamente entrelazados, en el ojo de un ave, en un campo magnético terrestre normal, sobreviviendo lo suficiente para funcionar como brújula biológica. El trabajo reciente (Hore, Mouritsen, otros) ha mostrado que los tiempos de coherencia relevantes son del orden de microsegundos — mucho más largos de lo que los físicos pensaron inicialmente posible en un entorno tan cálido y húmedo.

La brújula del petirrojo es ahora el ejemplo canónico de entrelazamiento cuántico in vivo realizando trabajo biológico. Si el ojo de un pájaro cantor contiene electrones cuánticamente entrelazados, la objeción cálido-húmedo-ruidoso a la coherencia cuántica biológica queda refutada empíricamente como afirmación categórica.

3. Olfacción — la propuesta de túnel de Luca Turin

La propuesta de Luca Turin de que el sentido del olfato está mediado en parte por túnel electrónico inelástico — con receptores olfativos discriminando entre moléculas no sólo por su forma sino por sus espectros vibracionales — sigue siendo más controvertida que la fotosíntesis o la magnetorrecepción, pero ha acumulado respaldo experimental significativo. La teoría de la olfacción basada sólo en la forma (la explicación de manual) no puede dar cuenta de los casos en los que moléculas isotópicamente sustituidas (químicamente idénticas, vibracionalmente distintas) son distinguidas tanto por humanos como por moscas. La teoría del túnel cuántico de Turin predice y explica estos casos.

El trabajo está asociado con Andrew Horsfield y otros en el Imperial College, y con el laboratorio Vosshall en la Rockefeller para las confirmaciones conductuales en Drosophila. La olfacción sigue siendo el caso más incierto de los cuatro de esta página; el mecanismo subyacente se debate, pero los datos que requieren una explicación no puramente clásica son ahora sustanciales.

4. Coherencia microtubular — el programa de Bandyopadhyay

La adición más reciente y, para los propósitos de la trilogía, más consecuente al campo es el trabajo experimental de Anirban Bandyopadhyay en NIMS (Japón), demostrando resonancias vibracionales y eléctricas coherentes en microtúbulos a temperaturas biológicamente relevantes. Las mediciones respaldan — sin confirmar aún — la hipótesis de Orchestrated Objective Reduction de Penrose-Hameroff de que la coherencia microtubular es el sustrato de la conciencia. Véase la guía dedicada a Bandyopadhyay y los microtúbulos →

Lo que diferencia este caso de los tres anteriores: la fotosíntesis, la magnetorrecepción y la olfacción son sobre efectos cuánticos en eventos bioquímicos específicos. La coherencia microtubular, si se confirma, es sobre efectos cuánticos en el propio citoesqueleto estructural de la célula — un sustrato que está en todas partes, todo el tiempo, en toda célula eucariota. Si el resultado se sostiene, la implicación no es «la biología tiene algunos efectos cuánticos en lugares específicos» sino «la biología es cuántico-mecánica a lo largo de todo su citoesqueleto».

El patrón

Cuatro líneas independientes de evidencia, en cuatro dominios biológicos diferentes, en cuatro escalas temporales diferentes, con cuatro técnicas experimentales diferentes, convergiendo en una sola conclusión: las células vivas explotan procesos cuántico-mecánicos para trabajo biológico a temperatura corporal. La convergencia es el punto. Cualquiera de estos resultados podría haberse argumentado en su contra aisladamente. Juntos, han terminado la pregunta de si los efectos cuánticos importan en biología — sí lo hacen. Lo que queda abierto es cuánto, dónde y con qué fin cognitivo.

Algunos hilos comunes recorren los cuatro casos:

• Las escalas temporales relevantes son cortas pero biológicamente significativas. Coherencia fotosintética: femtosegundos. Entrelazamiento magnetorreceptivo: microsegundos. Resonancia microtubular: nanosegundos a milisegundos. Todas lo bastante lentas para que la biología las use; todas lo bastante rápidas para ser técnicamente cuántico-coherentes.
• Los sustratos están ordenados. En cada caso, los efectos cuánticos sobreviven porque las estructuras biológicas (andamios proteicos, agua ordenada, entornos lipídicos) proporcionan cierta medida de blindaje frente al baño térmico. La biología ha evolucionado para preservar la coherencia donde es útil, no sólo para tolerarla.
• La ventaja funcional es real. La fotosíntesis cuántico-coherente es más eficiente que el salto clásico; la brújula del par radical es más sensible que las alternativas químicas; la coherencia microtubular (si Orch-OR está en lo cierto) suministra integración cognitiva. La evolución no mantendría coherencia en estructuras biológicas caras a menos que comprara algo con ello.

Por qué importa para la trilogía

Tres puntos.

Primero, la afirmación de la trilogía de que el cuerpo opera en parte a nivel cuántico es ahora empíricamente conservadora. Hace veinte años habría sido herética; hoy es corriente principal en al menos tres de los cuatro dominios anteriores. La afirmación más amplia del modelo receptor de la trilogía — que el tejido biológico se acopla a un campo de información cuántica de modos que van más allá de la electroquímica clásica — se sitúa en el mismo eje que el trabajo publicado en Nature y PNAS.

Segundo, los cuatro casos juntos describen un cuerpo que es electromagnéticamente y cuánticamente activo a escalas anidadas: el citoesqueleto, la membrana celular, la periferia sensorial y el interior contemplativo participan todos en coherencia cuántica a temperatura corporal. El marco que defiende Limen no requiere que ninguno de ellos sea exótico; requiere que estén presentes. Lo están.

Tercero, la convergencia con los programas más amplios de cosmología de campo es estructural. El marco de D'Ariano-Faggin predice que los sistemas biológicos complejos de procesamiento de información deberían exhibir comportamiento cuántico-coherente; la biología cuántica lo entrega exactamente. El marco del campo Φ de Strømme predice que el acoplamiento entre el campo y la biología debería ocurrir en estructuras cuántico-coherentes; la biología cuántica entrega exactamente esas. La biología empírica y la física teórica están contando ahora la misma historia.

Para un panorama no técnico, véase Life on the Edge: The Coming of Age of Quantum Biology (2014) de Jim Al-Khalili y Johnjoe McFadden. Para la literatura primaria técnica, las puertas de entrada son: Engel et al., Nature 446 (2007) sobre coherencia fotosintética; Ritz, Wiltschko et al. para magnetorrecepción; The Secret of Scent de Turin para olfacción; y el programa de Bandyopadhyay para microtúbulos. Para el tratamiento dedicado a microtúbulos, véase la guía sobre Bandyopadhyay y Hameroff. Para la imagen más amplia, véase Síntesis §9–10.