Biología cuántica

August Corominas, profesor de Fisiología Humana de la Universidad de Murcia y de la Universidad Autónoma de Barcelona y académico emérito de la Real Academia Europea de Doctores (RAED), comparte con la comunidad académica el artículo «Biología cuántica», en el que aborda los avances en la investigación de la física de partículas y su implicación en las ciencias de la vida. El académico ha compartido recientemente en esta publicación los artículos «La fragilidad de los mayores», «Los rostros del mal», «Maldad y crueldad. Apocalipsis destructivo en las guerras actuales», «La furia de los dioses», «Atención con la fragilidad y las caídas de los mayores», «La salud de los refugiados», «Fragilidad y antifragilidad», «La maldad de Putin» y «Nuevo apocalipsis y batalla de Armagedón», «Ser viejo o no», «Anti-Aging», «Grafeno: un elemento de gran futuro tecnológico», «Estadística de Hiroshima», «Vivir en la Luna», «La dieta mediterránea», «Can Ruti, historia de una ilusión», «El secreto de la longevidad en las ‘zonas azules'», «Atención a las caídas, de noche y de día», «La buena vida y la vida buena», «Vida biológica y vida cuántica», «Hospitales inteligentes», «Cosmonáutica y medicina espacial» y «El maltrato y su gestión». Además, es autor de uno de los capítulos del libro «Vitalidad al envejecer. Si lo deseas, puedes vivir más años con salud», editado por la Real Corporación con el apoyo de Vichy Catalán.

Biología cuántica

Existen varios modelos de partículas, cada uno de los cuales ha evolucionado a lo largo del tiempo. Aquí presento algunos de los más destacados:

• Modelo atómico de Demócrito (siglo V a.C.):
  Demócrito de Abdera, un filósofo griego, propuso la existencia de una partícula muy pequeña e indivisible llamada átomo. Según él, el átomo era indestructible, incompresible, eterno e invisible. Esta idea se basaba en ejercicios de razonamiento lógico y filosofía.
  El átomo de Demócrito era una esfera compacta, sólida y diminuta.
• Modelo atómico de John Dalton (1803-1807):
  Dalton propuso que el átomo era una esfera compacta, sólida, diminuta, indestructible e indivisible. Esta teoría se basaba en la observación de las proporciones en las reacciones químicas.
• Modelo atómico de Niels Bohr (1913):
  Bohr introdujo la idea de que los electrones orbitan alrededor del núcleo en niveles energéticos diferentes. Estos niveles están determinados por la cantidad de energía que los electrones absorben o emiten. Su modelo ayudó a explicar las líneas espectrales del hidrógeno.
• Modelo atómico de Erwin Schrödinger (1926):
  Schrödinger propuso que los electrones se comportan como ondas y están posicionados alrededor del núcleo en orbitales. Su modelo se basa en la mecánica cuántica y describe la probabilidad de encontrar un electrón en una región específica.
• Modelo estándar (actualidad):
  Según el modelo estándar, existen 12 tipos de partículas de materia. Estas partículas pueden combinarse de diversas formas, generando la compleja diversidad de fenómenos y elementos que encontramos en el universo.
• Modelo de partículas supersimétricas (SUSY):
  Propone una simetría entre las partículas fermiones y bosones. Aunque aún no se ha confirmado experimentalmente, es una extensión del modelo estándar.

En resumen, la comprensión de la estructura y composición de las partículas ha evolucionado significativamente a lo largo de la historia, desde las ideas filosóficas de Demócrito hasta los modelos cuánticos actuales. Cada modelo ha contribuido a nuestra comprensión de la materia y sus interacciones.

La biología cuántica es una disciplina emergente que combina los principios de la mecánica cuántica con los procesos biológicos. Aunque durante mucho tiempo se consideró poco relevante, hoy sabemos que la mecánica cuántica desempeña un papel crucial en la vida misma. ¿Cómo puede algo tan diminuto como el mundo cuántico ayudarnos a entender por qué estamos vivos? Esta pregunta intrigante nos lleva a explorar la intersección entre la física cuántica y la biología.

Aquí hay algunas claves sobre la biología cuántica:

1. Relación con la física cuántica: la biología cuántica se basa en los principios de la mecánica cuántica, que describe el comportamiento de partículas subatómicas. Aunque inicialmente se creía que estas ideas no tenían aplicaciones en biología, ahora sabemos que son fundamentales para procesos como la fotosíntesis en las plantas y la respiración celular.
2. Importancia en la vida celular: la mecánica cuántica influye en los procesos biológicos a nivel molecular. Por ejemplo, la fotosíntesis depende de la transferencia de energía cuántica en los pigmentos de las plantas. Además, la respiración celular y las reacciones químicas también están influenciadas por efectos cuánticos.
3. Misterios por resolver: la biología cuántica plantea preguntas fascinantes. ¿Cómo afectan las fluctuaciones cuánticas a las mutaciones genéticas? ¿Podría ayudarnos a desarrollar nuevos medicamentos o mejorar la computación cuántica? Los científicos están explorando estas incógnitas y desentrañando un misterio importante.

En resumen, la biología cuántica es un campo emocionante que podría revolucionar nuestra comprensión de la vida y abrir nuevas puertas hacia el conocimiento. Aunque aún queda mucho por descubrir, su potencial es prometedor.

Hay teorías que sugieren que la conciencia y el alma podrían estar relacionados con la mecánica cuántica. Según un artículo de Xataka, algunos científicos creen que la mente podría surgir de un efecto cuántico. Sin embargo, no hay evidencia científica concluyente que respalde esta idea.

Por otro lado, un artículo de Infobae menciona que los doctores Stuart Hameroff y Roger Penrose trabajan en una teoría cuántica de la conciencia, según la cual el alma se encuentra contenida en estructuras denominadas microtúbulos, alojadas en las células cerebrales.

En resumen, aunque hay algunas teorías interesantes sobre la relación entre la mecánica cuántica y el alma, no hay evidencia concluyente que respalde estas ideas.

¿Qué diferencia bosones y fermiones?

Debido al principio de exclusión de Wolfgang Ernst Pauli, los fermiones se van combinando en partículas compuestas, átomos y moléculas, y forman la materia densa que conocemos. Los bosones no se ven sometidos a este principio de exclusión.

Toda partícula conocida está compuesta por dos tipos de partículas elementales: fermiones y bosones. Ambas partículas se caracterizan por ciertas propiedades intrínsecas: masa, carga eléctrica y momento angular intrínseco o espín.

Las partículas con un valor de espín dado en múltiplos de números semi-enteros (±1/2, ±3/2, ±5/2, etc), se conocen como fermiones. Las partículas con espín múltiplo de números enteros (0, ±1, ±2, etc) se conocen como bosones.

Todas las demás partículas que se conocen están formadas por la combinación e interacción entre fermiones y bosones.

Aunque el valor del espín y el correspondiente tipo de partícula pueda parecer una clasificación arbitraria o trivial, existen dos grandes diferencias en el comportamiento de fermiones y bosones asociadas al espín:

1. Los fermiones están sometidos al principio de exclusión de Pauli y siguen las estadísticas de Fermi-Dirac. Describen funciones de onda asimétricas. Ejemplos: electrones, quarks, neutrinos, etc.
2. Los bosones no están sometidos al principio de exclusión de Pauli y siguen las estadísticas de Bose-Einstein. Describen funciones de onda simétricas. Ejemplo: fotón, gluon, gravitón, etc.

Estas diferencias, que se asocian al espín, hacen que los fermiones sean las partículas masivas, es decir, las que generan la densidad de la materia ordinaria que conocemos.

Los bosones, por su parte, son partículas no masivas y su intercambio es responsable de la interacción entre fermiones. Por ejemplo, el fotón es un tipo de bosón responsable de fuerza electromagnética, una de las fuerzas fundamentales.

Por eso se suele decir que los bosones son las partículas portadoras de fuerza y que los fermiones son las partículas portadoras de masa.

Por alguna razón no completamente entendida, los fermiones obedecen el principio de exclusión de Pauli: en cualquier sistema cuántico dado, dos fermiones no pueden ocupar el mismo estado cuántico. Los bosones no tienen esta restricción.

Los electrones son fermiones, pues son partículas con un valor de espín semientero. El espín de los electrones puede ser +1/2 o -1/2.

Si tomamos un núcleo atómico y comenzamos a añadir electrones, el primero tenderá a ocupar el estado fundamental, que es el estado energético más bajo permitido (orbital 1s). El espín de este electrón puede ser +1/2 o -1/2.

Si añadimos un segundo electrón, su espín tienen que ser obligatoriamente de signo opuesto para ocupar también el estado fundamental. Si el espín no fuera de signo opuesto, los dos electrones estarían en el mismo estado cuántico y, siguiendo el principio de exclusión de Pauli, no podrían coexistir en el mismo orbital atómico.

Como los electrones son fermiones, no bosones, y siguen el principio de exclusión de Pauli, no todos pueden ocupar el estado fundamental (orbital 1s)

Si continuamos añadiendo electrones, el siguiente ya no podrá ocupar el orbital 1s, sino que tendrá que subir al siguiente estado energético permitido, el orbital 2s, y así sucesivamente al seguir añadiendo electrones.

En definitiva, el hecho de que los electrones sean fermiones y que estén sometidos al principio de exclusión de Pauli, es el responsable de que los distintos elementos de la tabla periódica se vayan construyendo.

Los bosones por el contrario, no están sometidos al principio de exclusión de Pauli y pueden ocupar el mismo estado cuántico de forma indefinida. Por ejemplo, un número indefinido de fotones pueden coexistir en el mismo estado cuántico, es decir, pueden ocupar el mismo espacio y al mismo tiempo.

Más diferencias entre fermiones y bosones: antipartículas y aniquilación

Como hemos visto, el principio de exclusión de Pauli asociado al espín semi-entero es sumamente importante para que los fermiones vayan formando la materia masiva.

Del mismo modo que al ir añadiendo electrones a un átomo estos van ocupando diferentes orbitales y se van formando los distintos elementos, se pueden combinar otros fermiones para formar las partículas compuestas.

Los bariones son un tipo de partículas compuestas formadas por la combinación de tres fermiones. Entre ellos están los neutrones y los protones: dos quarks up y un quark down forman un protón, mientras que un quark up y dos quarks down forman un neutrón.

A su vez, protones y neutrones se combinan y forman los núcleos atómicos.

Algo muy llamativo de las partículas compuestas por fermiones es que se pueden seguir comportando como fermiones, pero también como bosones según el espín resultante:

• Bariones (protones, neutrones, etc): se forman por tres fermiones, cada uno de ellos con espín ±1/2 , al sumar el espín de los tres el resultado será también un valor semi-entero (-3/2, -1/2, +1/2, or +3/2), por lo que se comportan como también como fermiones.
• Mesones: son partículas compuestas formadas por dos fermiones. Al sumar dos espín de ±1/2, el resultado podrá ser -1, 0 o +1, es decir, un espín de valor entero. El resultado es que los mesones, a pesar de estar formados por fermiones, se comportan como bosones. Por ejemplo, un núcleo de Helio-4 se comporta como un bosón, lo que se ha podido demostrar a temperaturas muy bajas cuando se forma el condensado de Bose-Einstein y alcanza el estado de superfluidez.

Además, sólo los fermiones existen también como antipartículas (antimateria, no confundir con la materia oscura), que son el mismo tipo de partícula pero con carga opuesta. Por ejemplo, existe el quark y el antiquark, o el electrón y el positrón (o antielectrón).

Las partículas y las antipartículas pueden aniquilarse mutuamente en procesos de desintegración o decaimiento, como la desintegración beta, y producir otros fermiones y bosones.