Distribución de la fotosíntesis en el globo terráqueo. Imagen: Yikrazuul. The SeaWiFS Project, NASA/Goddard Space Flight Center and ORBIMAGE.
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 milmillonésima 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 en Science.
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 simultaneamente 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 varíar 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.
Técnica con flashes de luz muy cortos
Esta técnica consiste en enviar diferentes flashes de luz extremadamente cortos, de femtosegundos (durante este tiempo la luz viaja una centésima parte del diámetro de un cabello) para obtener una serie de 'fotografías' del estado individual de cada antena después de haber captado la luz. Con estos 'fotogramas' los investigadores han podido entender como la energía solar se transporte a través de estas proteínas individuales.
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 en Science.
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 simultaneamente 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 varíar 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.
Técnica con flashes de luz muy cortos
Esta técnica consiste en enviar diferentes flashes de luz extremadamente cortos, de femtosegundos (durante este tiempo la luz viaja una centésima parte del diámetro de un cabello) para obtener una serie de 'fotografías' del estado individual de cada antena después de haber captado la luz. Con estos 'fotogramas' los investigadores han podido entender como la energía solar se transporte a través de estas proteínas individuales.
“Hemos podido ver como se transporta el flujo de energía en sistemas biológicos que usan la fotosíntesis con una resolución espacial y temporal sin precedentes; y esto nos ha permitido observar cómo los efectos cuánticos juegan un papel fundamental en la fotosíntesis a temperatura ambiente”, explica Richard Hildner, primer autor del artículo.
El equipo ha analizado las vías de transporte de energía de varias proteínas de antena individuales químicamente idénticas y han demostrado que cada una de ellas usa una vía distinta. Sin embargo, lo más sorprendente ha sido observar que estas vías de transporte de cada proteína individual varían con el tiempo y con el cambio de las condiciones ambientales para mantener intactos los altos niveles de eficiencia de la fotosíntesis.
“Estos resultados señalan que la coherencia cuántica, la genuina propiedad cuántica de la superposición de estados, es la responsable de mantener los altos niveles de eficiencia en el transporte de energía de los sistemas biológicos, gracias a adaptar las vías de transporte en función de las influencias del entorno”, señala Van Hulst.
Para los cientificos, estos resultados plantean interrogantes "fascinantes": ¿Fue la evolución quien hizo emerger estos efectos cuánticos en la fotosíntesis para hacerla cada vez más eficiente? ¿Existen otros procesos biológicos donde estos efectos cuánticos jueguen un papel importante?
En cualquier caso, el estudio también abre la puerta a nuevas investigaciones que desarrollen nuevas células solares que mimeticen el fenómeno cuántico y tengan una eficiencia muy superior a las que se comercializan actualmente. En el caso del aprovechamiento de la luz solar, se confirma que el transporte cuántico de las proteínas permite tener altas eficiencias independientemente de las condiciones ambientales.
"La fotosíntesis ha resultado ser manifiestamente cuántica en su funcionamiento", concluye van Hulst, quien adelanta que en un futuro próximo también se estudiaran los complejos de antena en las plantas.
El equipo ha analizado las vías de transporte de energía de varias proteínas de antena individuales químicamente idénticas y han demostrado que cada una de ellas usa una vía distinta. Sin embargo, lo más sorprendente ha sido observar que estas vías de transporte de cada proteína individual varían con el tiempo y con el cambio de las condiciones ambientales para mantener intactos los altos niveles de eficiencia de la fotosíntesis.
“Estos resultados señalan que la coherencia cuántica, la genuina propiedad cuántica de la superposición de estados, es la responsable de mantener los altos niveles de eficiencia en el transporte de energía de los sistemas biológicos, gracias a adaptar las vías de transporte en función de las influencias del entorno”, señala Van Hulst.
Para los cientificos, estos resultados plantean interrogantes "fascinantes": ¿Fue la evolución quien hizo emerger estos efectos cuánticos en la fotosíntesis para hacerla cada vez más eficiente? ¿Existen otros procesos biológicos donde estos efectos cuánticos jueguen un papel importante?
En cualquier caso, el estudio también abre la puerta a nuevas investigaciones que desarrollen nuevas células solares que mimeticen el fenómeno cuántico y tengan una eficiencia muy superior a las que se comercializan actualmente. En el caso del aprovechamiento de la luz solar, se confirma que el transporte cuántico de las proteínas permite tener altas eficiencias independientemente de las condiciones ambientales.
"La fotosíntesis ha resultado ser manifiestamente cuántica en su funcionamiento", concluye van Hulst, quien adelanta que en un futuro próximo también se estudiaran los complejos de antena en las plantas.
Referencia
Quantum coherent energy transfer over varying pathways in single light-harvesting complexes. Science 21 June 2013: Vol. 340 no. 6139 pp. 1448-1451. DOI:10.1126/science.1235820.
Quantum coherent energy transfer over varying pathways in single light-harvesting complexes. Science 21 June 2013: Vol. 340 no. 6139 pp. 1448-1451. DOI:10.1126/science.1235820.