Pensamiento Sistémico 03 (Valor 2%)

La fotosíntesis funciona de manera cuántica


Los organismos fotosintéticos, como las plantas y algunas bacterias, convierten el 95% de la luz solar en energía química mediante eficientes reacciones y en menos de una mil millonésima parte de un segundo. Sin embargo las células fotovoltaicas de los paneles solares solo 'saben' aprovechar un 20% de la energía lumínica. Pero ahora un nuevo estudio publicado en la revista Science puede ayudar a desvelar los mecanismos secretos de la naturaleza e incrementar ese porcentaje.

Investigadores del Instituto de Ciencias Fotónicas (ICFO) de Cataluña y la Universidad de Glasgow (Reino Unido) han observado por primera vez a temperatura ambiente los mecanismos cuánticos del transporte de energía durante la fotosíntesis. Lo han comprobado en una bacteria púrpura fotosintética (Rhodopseudomonas acidophila).

"Estos fenómenos parecen ocurrir tanto en plantas como en bacterias, pero hemos elegido las segundas porque presentan sistemas relativamente simples y se conoce bien su estructura molecular, lo que facilita la comprensión de los efectos complejos", explica a SINC Niek van Hulst, uno de los autores y lider del equipo en el ICFO. El trabajo se publica esta semana enScience.

El fenómeno cuántico en cuestión, conocido como coherencia cuántica –un estado que mantiene su fase durante un tiempo y facilita fenómenos de interferencia–, se manifiesta en complejos proteínicos que actúan de antenas fotosintéticas. Estas biomoléculas son las responsables de la captación de la energía solar y de su transporte hasta los centros de reacción químicos.

"Aquí se utiliza el principio de la mecánica cuántica fundamental que se llama 'superposición', estar aparentemente en más de un lugar al mismo tiempo", señala van Hulst. “Las clorofilas acopladas comparten sus propiedades cuánticas, y por lo tanto la energía lumínica capturada de un fotón incidente se mueve libremente a través del sistema acoplado; libre de las trampas propias de un sistema desacoplado que retrasarían, o incluso atraparían, la energía de la luz".

Cada pequeño paquete de fotones intenta simultáneamente todos los caminos posibles para llegar a donde necesita, y elige el más eficiente. "La coherencia cuántica siempre sigue el camino óptimo", subraya el investigador. Este proceso funciona en cada uno de los complejos de antena, que pueden variar ligeramente según las condiciones ambientales y tener caminos energéticos propios.

Para poder observar los efectos cuánticos de la fotosíntesis el grupo ha desarrollado una pionera técnica experimental. El transporte de energía durante la fotosíntesis es muy rápido y tiene lugar a escala molecular, por lo que los investigadores han extendido la técnica de la espectroscopía ultrarrápida hasta el límite de una sola molécula.


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