Biología cuántica y la orientación magnética de las aves migratorias.

Publicado por The Royal Society of Chemistry (RSC) en nombre del Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS) y del RSC.

El origen de la orientación magnética de las aves migratorias es todavía un tema de discurso en la comunidad científica. Varias propuestas se han hecho en las últimas décadas, aunque la más prometedora y aceptada tiene que ver con los efectos cuánticos que se producen entre las moléculas de los ojos de las aves, producto a su vez de varias reacciones químicas desencadenadas por la interacción entre los criptocromos (fotorreceptores) y la luz del Sol dispersada por la atmósfera terrestre. Según el artículo publicado en Faraday Discuss por Thomas P. Fay y colaboradores (2020) los fotorreceptores producen un par de radicales entrelazados cuánticamente, que son sensibles al campo magnético terrestre. Esta sensibilidad desemboca una serie de cambios en la velocidad y naturaleza de las reacciones químicas, dotando a las aves de un “sexto sentido”. Con el objetivo de entender la magnetorrecepción de las aves debemos explicar primero qué es un radical y qué es el entrelazamiento.

Los electrones en los átomos se ordenan en niveles de energía u orbitales: a mayor energía mayor es la distancia media al núcleo del mismo. Se distribuyen por los orbitales siguiendo unas reglas fijas. Cuando un nivel está completo, los electrones pasan a llenar el siguiente nivel. Según esto, el único nivel que puede quedar incompleto es el último. Además, los átomos incompletos tienden a “negociar” con el resto cediendo o compartiendo electrones para completar sus orbitales, estos reciben el nombre de radicales.

Molécula estable con todas las capas electrónicas completas (izquierda). Molécula con un electrón desapareado en la última capa/radical (derecha). Tomada de http://www.biosciencenotes.com/free-radical/

Como dijimos anteriormente, tras las reacciones químicas que tienen lugar en las retinas de las aves migratorias se originan un par de radicales de Dinucleótido de Flavín-Adenina (FAD) que se acoplan por sus electrones libres de los últimos orbitales.

La propiedad que hace que átomos y moléculas se acoplen entre sí no es la carga eléctrica, tal y como ocurre entre electrones y protones, en este caso el protagonista es el espín. Este es intrínseco a cualquier entidad cuántica, definiendo muchas de las propiedades físicas de la materia. Usualmente se dice que el espín es el sentido de giro que tiene esa entidad sobre sí misma, pero esto es erróneo porque implicaría velocidades de giro superiores a la velocidad de la luz. La manera más fidedigna a la realidad de entender el concepto de espín es comparándolo con el momento magnético de un imán.

Los imanes tienen un polo Norte por el que salen las líneas de campo magnético (fuente) y un polo Sur por el que entran (sumidero), tal y como puede verse en la figura de abajo:

Analogía entre el espín del electrón y el momento magnético de un imán. Tomada de https://cuentoscuanticos.files.wordpress.com/2013/11/98715-electron-spin.jpg?w=422&h=296&zoom=2.

A diferencia de las cargas eléctricas, los polos de los imanes no pueden separarse entre sí; si partes un imán por la mitad volverá a aparecer un polo Norte y uno Sur en cada mitad. El momento magnético es una flecha que empieza en el polo Norte y acaba en el polo Sur. Así, en el electrón de la izquierda las líneas de campo magnético van de abajo a arriba (↑), mientras que en el de la derecha van de arriba a abajo (↓). En este sentido, el espín es un “imán” intrínseco a cada partícula/átomo/molécula que se orienta con los campos magnéticos externos. Según el sentido del espín lo denotaremos como |↑>, asociado a un valor de 1/2 o |↓> asociado a -1/2. Llegados a este punto, es correcto pensar que la sensibilidad al campo magnético se debe principalmente a esta propiedad cuántica. Pero, ¿cómo se acoplan los espines del par de radicales FAD?

La mecánica cuántica explora todas las posibilidades en las que pueden combinarse los valores de los espines, ignorando los signos hay tres combinaciones para que los dos radicales tengan espín total 1:

  1. |↑>|↑>
  2. |↓>|↓>
  3. |↑>|↑> + |↓>|↓>

Las dos primeras corresponden a electrones con los espines paralelos y la tercera con una combinación de todas las anteriores. Esto es análogo al clásico gato de Schrödinger, que puede estar vivo (|↑>|↑>), muerto (|↓>|↓>) o vivo y muerto al mismo tiempo (↑>|↑> + |↓>|↓>). A estos tres los llamamos el triplete de espín. Por otro lado, sólo hay una posibilidad de que el espín total sea 0, el singlete de espín:

  1. |↑>|↓> – |↓>|↑>

Nótese que el singlete y el 3 del triplete tienen en común que hasta que no les preguntemos cuál es su espín no sabemos en qué sumando se encuentra. De hecho, de esta característica fundamental concluímos que para conocer los espines de los dos electrones sólo hace falta medir uno de ellos.

Imaginemos que dos personas, Alicia y Roberto, preparan el par de radicales FAD en el estado singlete, cada uno mete un radical en una caja y se separan una distancia muy grande. Alicia decide abrir la caja y ver cuál es el espín de su radical, obteniendo |↑>, por lo tanto sabrá automáticamente que Roberto tiene el radical con espín |↓>. También ocurre en el otro sentido, si Roberto mide su radical y obtiene el espín |↑> sabrá que Alicia tiene el radical |↓>. Esta conexión entre la información de ambos radicales es el ejemplo más simple de entrelazamiento cuántico.

Los productos de las reacciones químicas en las retinas de las aves migratorias son altamente sensibles al espín del par de radicales FAD, por tanto, son sensibles al entrelazamiento cuántico entre ellos. Tal y como discuten en el artículo, este entrelazamiento persiste lo suficiente como para ser alterado por el campo magnético terrestre. Así, las aves podrían ver el campo magnético y orientarse.

Los autores simularon en sus ordenadores la dinámica del sistema, teniendo en cuenta la estructura de las moléculas FAD y el número de átomos inicialmente en el estado singlete, para así, calcular el efecto del campo magnético en las transiciones al estado triplete de espín. Los resultados que obtuvieron se presentan en la siguiente figura:

Fracción de moléculas en el estado single con respecto a los moléculas en el estado triplete en el modelo del par de radicales. (a) En ausencia de campos magnéticos externos. (b) En presencia de un campo magnético de intensidad similar al campo de la Tierra. (c) Igual que (b) pero con el campo magnético rotado 90º. Publicado por The Royal Society of Chemistry (RSC) en nombre del Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS) y del RSC.

En todas las gráficas se presenta la fracción del número de moléculas en el estado singlete con respecto al triplete en función del tiempo. En la gráfica de arriba no se tiene en cuenta el campo magnético y en las dos siguientes sí, con intensidades similares a las del terrestre y distintas orientaciones. Lo principal a observar es que una intensidad del campo magnético similar a la terrestre afecta a estos sistemas de moléculas y que, además, son sensibles a la orientación del mismo.

En el artículo original los autores motivan su estudio con la pregunta: ¿es posible describir la migración de las aves a partir de mecanismos cuánticos? En ciencia estamos acostumbrados a pensar que la física cuántica es la descripción correcta de los sistemas más pequeños del Universo y que por tanto, los sistemas biológicos no sienten más que efectos residuales de las reglas microscópicas. Este estudio no sólo sirve para dar fiabilidad a la magnetorrecepción de las aves migratorias debido al entrelazamiento cuántico, sino también para abrir un nuevo campo de estudio: el de la biología cuántica.

Referencia:

Thomas P. Fay, Lachlan P. Lindoy, David E. Manolopoulos, and P. J. Hore. How quantum is radical pair magnetoreception? Faraday Discuss., 221:77–91, 2020. doi:10.1039/C9FD00049F. URL http://dx.doi.org/10. 1039/C9FD00049F.