Biologia quàntica

August Corominas, professor de Fisiologia Humana de la Universitat de Múrcia i de la Universitat Autònoma de Barcelona i acadèmic emèrit de la Reial Acadèmia Europea de Doctors (RAED), comparteix amb la comunitat acadèmica l’article “Biologia quàntica”, en què aborda els avenços en la investigació de la física de partícules i la seva implicació en les ciències de la vida. L’acadèmic ha compartit recentment en aquesta publicació els articles “La fragilitat de la gent gran”, “Les cares del mal”, “Maldat i crueltat. Apocalipsi destructiu a les guerres actuals”, “La fúria dels déus”, “Atenció amb la fragilitat i les caigudes de la gent gran”, “La salut dels refugiats” i “Fragilitat i antifragilitat”, “La maldat de Putin”, “Nou apocalipsi i batalla d’Armagedon”, “Ser vell o no”, “Anti-Aging”,  “Grafè: un element de gran futur tecnològic”, “Estadística d’Hiroshima” i “Viure a la Lluna”, “La dieta mediterània”, “Els difícils inicis de Can Ruti”, Els secrets de la longevitat i les ‘zones blaves’, “Atenció a les caigudes, de nit i de dia”, “La bona vida i la vida bona”, “Vida biològica i Vida Quàntica”, “Hospitals intel·ligents”, “Cosmonàutica i medicina espacial” i “El maltractament i la seva gestió”. A més és autor d’un dels capítols del llibre “Vitalidad al envejecer. Si lo deseas, puedes vivir más años con salud”, editat per la Reial Corporació amb el suport de Vichy Catalán.

 

Biologia quàntica

Hi ha diversos models de partícules, cadascun dels quals ha evolucionat al llarg del temps. Aquí presento alguns dels més destacats:

• Model atòmic de Demòcrit (segle V a.C.):
  Demòcrit d’Abdera, un filòsof grec, va proposar l’existència d’una partícula molt petita i indivisible anomenada àtom. Segons ell, l’àtom era indestructible, incompressible, etern i invisible. Aquesta idea es basava en exercicis de raonament lògic i de filosofia.
  L’àtom de Demòcrit era una esfera compacta, sòlida i diminuta.
• Model atòmic de John Dalton (1803-1807):
  Dalton va proposar que l’àtom era una esfera compacta, sòlida, diminuta, indestructible i indivisible. Aquesta teoria es basava en l’observació de les proporcions a les reaccions químiques.
• Model atòmic de Niels Bohr (1913):
  Bohr va introduir la idea que els electrons orbiten al voltant del nucli en nivells energètics diferents. Aquests nivells estan determinats per la quantitat denergia que els electrons absorbeixen o emeten. El seu model va ajudar a explicar les línies espectrals de l’hidrogen.
• Model atòmic d’Erwin Schrödinger (1926):
  Schrödinger va proposar que els electrons es comporten com a ones i estan posicionats al voltant del nucli en orbitals. El seu model es basa en la mecànica quàntica i descriu la probabilitat de trobar un electró en una regió específica.
• Model estàndard (actualitat):
  Segons el model estàndard, hi ha 12 tipus de partícules de matèria. Aquestes partícules poden combinar-se de diverses maneres, generant la complexa diversitat de fenòmens i elements que trobem a l’univers.
• Model de partícules supersimètriques (SUSY):
  Proposa una simetria entre les partícules fermions i bosons. Tot i que encara no s’ha confirmat experimentalment, és una extensió del model estàndard.

En resum, la comprensió de l’estructura i la composició de les partícules ha evolucionat significativament al llarg de la història, des de les idees filosòfiques de Demòcrit fins als models quàntics actuals. Cada model ha contribuït a la nostra comprensió de la matèria i de les seves interaccions.

La biologia quàntica és una disciplina emergent que combina els principis de la mecànica quàntica amb els processos biològics. Tot i que durant molt de temps es va considerar poc rellevant, avui sabem que la mecànica quàntica té un paper crucial a la vida mateixa. ¿Com pot alguna cosa tan diminut com el món quàntic ajudar-nos a entendre per què estem vius? Aquesta pregunta intrigant ens porta a explorar la intersecció entre la física quàntica i la biologia.

Aquí hi ha algunes claus sobre la biologia quàntica:

1. Relació amb la física quàntica: la biologia quàntica es basa en els principis de la mecànica quàntica, que descriu el comportament de partícules subatòmiques. Tot i que inicialment es creia que aquestes idees no tenien aplicacions en biologia, ara sabem que són fonamentals per a processos com la fotosíntesi a les plantes i la respiració cel·lular.
2. Importància a la vida cel·lular: la mecànica quàntica influeix en els processos biològics a nivell molecular. Per exemple, la fotosíntesi depèn de la transferència d’energia quàntica als pigments de les plantes. A més, la respiració cel·lular i les reaccions químiques també estan influenciades per efectes quàntics.
3. Misteris per resoldre: la biologia quàntica planteja preguntes fascinants. Com afecten les fluctuacions quàntiques les mutacions genètiques? Podria ajudar-nos a desenvolupar nous medicaments o millorar la computació quàntica? Els científics estan explorant aquestes incògnites i desentranyant un misteri important.

En resum, la biologia quàntica és un camp emocionant que podria revolucionar la nostra comprensió de la vida i obrir noves portes cap al coneixement. Tot i que encara queda molt per descobrir, el seu potencial és prometedor.

Hi ha teories que suggereixen que la consciència i l’ànima podrien estar relacionats amb la mecànica quàntica. Segons un article de Xataka, alguns científics creuen que la ment podria sorgir d’un efecte quàntic. No obstant això, no hi ha evidència científica concloent que recolzi aquesta idea.

D’altra banda, un article d’Infobae esmenta que els doctors Stuart Hameroff i Roger Penrose treballen en una teoria quàntica de la consciència, segons la qual l’ànima es troba continguda en estructures anomenades microtúbuls, allotjades a les cèl·lules cerebrals.

En resum, encara que hi ha algunes teories interessants sobre la relació entre la mecànica quàntica i l’ànima, no hi ha evidència concloent que recolzi aquestes idees.

Quina diferencia bosons i fermions?

A causa del principi d’exclusió de Wolfgang Ernst Pauli, els fermions es van combinant en partícules compostes, àtoms i molècules, i formen la matèria densa que coneixem. Els bosons no estan sotmesos a aquest principi d’exclusió.

Tota partícula coneguda està composta per dos tipus de partícules elementals: fermions i bosons. Ambdues partícules es caracteritzen per certes propietats intrínseques: massa, càrrega elèctrica i moment angular intrínsec o espí.

Les partícules amb un valor d’espín donat en múltiples de nombres semi-sencers (±1/2, ±3/2, ±5/2, etc), es coneixen com a fermions. Les partícules amb espí múltiple de nombres enters (0, ±1, ±2, etc) es coneixen com a bosons.

Totes les altres partícules que es coneixen estan formades per la combinació i la interacció entre fermions i bosons.

Tot i que el valor de l’espín i el corresponent tipus de partícula pugui semblar una classificació arbitrària o trivial, hi ha dues grans diferències en el comportament de fermions i bosons associades a l’espín:

1. Els fermions estan sotmesos al principi d’exclusió de Pauli i segueixen les estadístiques de Fermi-Dirac. Descriuen funcions d’ona asimètriques. Exemples: electrons, quarks, neutrins, etc.
2. Els bosons no estan sotmesos al principi d’exclusió de Pauli i segueixen les estadístiques de Bose-Einstein. Descriuen funcions d’ona simètriques. Exemple: fotó, gluó, gravitó, etc.

Aquestes diferències, que s’associen a l’espín, fan que els fermions siguin les partícules massives, és a dir, les que generen la densitat de la matèria ordinària que coneixem.

Els bosons, per la seva banda, són partícules no massives i el seu intercanvi és responsable de la interacció entre fermions. Per exemple, el fotó és un tipus de bosó responsable de força electromagnètica, una de les forces fonamentals.

Per això se sol dir que els bosons són les partícules portadores de força i que els fermions són les partícules portadores de massa.

Per alguna raó no completament entesa, els fermions obeeixen el principi d’exclusió de Pauli: en qualsevol sistema quàntic donat, dos fermions no poden ocupar el mateix estat quàntic. Els bosons no tenen aquesta restricció.

Els electrons són fermions, ja que són partícules amb un valor d’espí semienter. L’espí dels electrons pot ser +1/2 o -1/2.

Si prenem un nucli atòmic i comencem a afegir electrons, el primer tendirà a ocupar l’estat fonamental, que és l’estat energètic més baix permès (orbital 1s). L’espí d’aquest electró pot ser de +1/2 o -1/2.

Si hi afegim un segon electró, el seu espí ha de ser obligatòriament de signe oposat per ocupar també l’estat fonamental. Si l’espí no fos de signe oposat, els dos electrons estarien al mateix estat quàntic i, seguint el principi d’exclusió de Pauli, no podrien coexistir al mateix orbital atòmic.

Com que els electrons són fermions, no bosons, i segueixen el principi d’exclusió de Pauli, no tothom pot ocupar l’estat fonamental (orbital 1s)

Si continuem afegint electrons, el següent ja no podrà ocupar l’orbital 1s, sinó que haurà de pujar a l’estat energètic permès següent, l’orbital 2s, i així successivament en seguir afegint electrons.

En definitiva, el fet que els electrons siguin fermions i que estiguin sotmesos al principi d’exclusió de Pauli és el responsable que els diferents elements de la taula periòdica es vagin construint.

Els bosons, per contra, no estan sotmesos al principi d’exclusió de Pauli i poden ocupar el mateix estat quàntic de forma indefinida. Per exemple, un nombre indefinit de fotons poden coexistir en el mateix estat quàntic, és a dir, poden ocupar el mateix espai i alhora.

Més diferències entre fermions i bosons: antipartícules i anihilació

Com hem vist, el principi d’exclusió de Pauli associat a l’espín semi-sencer és molt important perquè els fermions vagin formant la matèria massiva.

De la mateixa manera que en anar afegint electrons a un àtom aquests van ocupant diferents orbitals i es van formant els diferents elements, es poden combinar altres fermions per formar les partícules compostes.

Els barions són un tipus de partícules compostes formades per la combinació de tres fermions. Entre ells hi ha els neutrons i els protons: dos quarks up i un quark down formen un protó, mentre que un quark up i dos quarks down formen un neutró.

Alhora, protons i neutrons es combinen i formen els nuclis atòmics.

Una cosa molt cridanera de les partícules compostes per fermions és que es poden seguir comportant com a fermions, però també com a bosons segons l’espí resultant:

• Barions (protons, neutrons, etc): es formen per tres fermions, cadascun d’ells amb espí ±1/2 , en sumar l’espí dels tres el resultat serà també un valor semi-sencer (-3/2, -1/2, +1/2, or +3/2), per la qual cosa es comporten com també com a fermions.
• Mesons: són partícules compostes formades per dos fermions. En sumar dos espín de ±1/2, el resultat podrà ser -1, 0 o +1, és a dir, un espí de valor sencer. El resultat és que els mesons, tot i estar formades per fermions, es comporten com a bosons. Per exemple, un nucli de Heli-4 es comporta com un bosó, cosa que s’ha pogut demostrar a temperatures molt baixes quan es forma el condensat de Bose-Einstein i arriba a l’estat de superfluïdesa.

A més, només els fermions existeixen també com a antipartícules (antimatèria, no confondre amb la matèria fosca), que són el mateix tipus de partícula però amb càrrega oposada. Per exemple, hi ha el quark i l’antiquark, o l’electró i el positró (o antielectró).

Les partícules i les antipartícules poden aniquilar-se mútuament en processos de desintegració o decaïment, com la desintegració beta, i produir altres fermions i bosons.