domingo, 12 de enero de 2014

Mecánica Cuántica Explica eficiencia de la fotosíntesis

La mayor parte de la recogida de luz macromoléculas se componen de cromóforos (responsables del color de las moléculas) unidos a proteínas, que llevan a cabo la primera etapa de la fotosíntesis, capturando la luz solar y la transferencia de la energía asociada con alta eficiencia. Experimentos previos sugieren que la energía se transfiere de forma de onda, la explotación de los fenómenos cuánticos, pero fundamentalmente, una explicación no-clásica no se pudo probar de forma concluyente que los fenómenos identificados igualmente podrían ser descritos usando la física clásica.
A menudo, para observar o explotar sistemas de fenómenos mecánicos cuánticos tienen que ser enfriado a muy bajas temperaturas. Sin embargo, esto no parece ser el caso en algunos sistemas biológicos, que muestran propiedades cuánticas incluso a temperaturas ambiente.
Ahora, un equipo de la UCL han tratado de identificar las características de estos sistemas biológicos que no puede predecirse por la física cuántica, y para los cuales no existen análogos clásicos.
"La transferencia de energía en macromoléculas captadores de luz con la asistencia de movimientos vibratorios específicos de los cromóforos", dijo Alexandra Olaya-Castro (UCL Física y Astronomía), supervisor y co-autor de la investigación. "Hemos encontrado que las propiedades de algunos de los cromóforos vibraciones que ayudan a la transferencia de energía durante la fotosíntesis no se pueden describir con las leyes clásicas, y por otra parte, este comportamiento no clásica mejora la eficiencia de la transferencia de energía."
Vibraciones moleculares son movimientos periódicos de los átomos en una molécula, como el movimiento de una masa unida a un resorte. Cuando la energía de una vibración colectiva de dos chromphores coincide con la diferencia de energía entre las transiciones electrónicas de estos cromóforos se produce una resonancia y el intercambio de energía eficiente entre los grados electrónicos y vibracionales de libertad tiene lugar.
A condición de que la energía asociada a la vibración es mayor que la escala de temperatura, sólo se intercambia una unidad discreta o quantum de energía. En consecuencia, como la energía se transfiere de un cromóforo a la otra, la vibración colectiva muestra propiedades que no tienen contrapartida clásica.
El equipo de la UCL se encontró la firma inequívoca de no clasicismo está dada por una probabilidad conjunta negativo de la búsqueda de los cromóforos con ciertas posiciones relativas y los momentos. En la física clásica, las distribuciones de probabilidad son siempre positivos.
"Los valores negativos en estas distribuciones de probabilidad son una manifestación de un rasgo verdaderamente cuántica, es decir, el intercambio coherente de un único cuanto de energía", explicó Edward O'Reilly (UCL Física y Astronomía), primer autor del estudio. "Cuando esto sucede grados electrónicos y vibracionales de la libertad son de forma conjunta y de forma transitoria en una superposición de estados cuánticos, una característica que no se puede predecir con la física clásica."
Otros procesos biomoleculares tales como la transferencia de electrones dentro de macromoléculas (como en centros de reacción en sistemas fotosintéticos), el cambio estructural de un cromóforo tras la absorción de fotones (como en los procesos de visión) o el reconocimiento de una molécula por otro (como en los procesos de olfato ), están influenciadas por movimientos vibratorios específicos. Los resultados de esta investigación sugieren que, por tanto, un examen más detallado de la dinámica de vibración que intervienen en estos procesos podría proporcionar otros prototipos biológicos explotar verdaderamente fenómenos no clásicos.