Observan por primera vez el mundo cuántico de la fotosíntesis

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 solo aprovechan un 20% la energía lumínica. Un nuevo estudio puede ayudar a desvelar los mecanismos secretos de la naturaleza e incrementar ese porcentaje.

Investigadores del Instituto de Ciencias Fotónicas (ICFO) y la Universidad de Glasgow han observado por primera vez a temperatura ambiente los mecanismos cuánticos del transporte de energía durante la fotosíntesis. Estos la hacen más robusta a la influencia del entorno, según han comprobado en una bacteria púrpura fotosintética (Rhodopseudomonas acidophila).

La coherencia cuántica es responsable de mantener la eficiencia en el transporte de energía de los sistemas biológicos

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 las proteínas que actúan de antenas fotosintéticas. Estas biomoléculas son las responsables de la absorción de la energía solar y de su transporte hasta los centros de reacción químicos de la fotosíntesis.

Para poder observar los efectos cuánticos de la fotosíntesis el grupo liderado por el investigador Niek van Hulst ha desarrollado una pionera técnica experimental. El transporte de energía durante la fotosíntesis es muy rápido y tiene lugar a escala molecular. 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 como los efectos cuánticos juegan un papel fundamental en la fotosíntesis a temperatura ambiente”, explica Richard Hildner, primer autor del artículo.

Van Hulst y su grupo han estudiado 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.

Las futuras células solares podrían imitar este fenómeno cuántico

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 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.

1 Comment

  1. ANTONIO

    Me gustaría saber si sería aceptable para la industria fotovoltaica?

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