Estamos bastante familiarizados com a forma como a matéria se comporta. Por exemplo, você intuitivamente sabe o quanto precisa fazer pular uma bola no chão para permitir que ela salte sobre uma barreira. Mas não temos o mesmo tipo de comportamento em partículas subatômicas. Se você precisa de um elétron para atravessar uma pequena barreira, você não precisa saltar (e pode não ser capaz de fazê-lo). Às vezes, ele pode apenas fazer um túnel através da barreira para chegar ao outro lado.
Isto porque o comportamento da bola é governado pelos princípios da mecânica clássica, que tem certas regras sobre o que uma bola pode e não pode fazer. O comportamento do elétron, por outro lado, é ditado pelos termos da mecânica quântica, que pode não permitir coisas que a mecânica clássica faz, mas permite outras que parecem completamente bizarras. Por exemplo, você sabia que os cientistas foram capazes de manipular pares de fótons de tal forma que quando um deles muda, o outro muda instantaneamente, mesmo que esteja a centenas de quilômetros de distância?
Ao contrário da mecânica clássica, que nos permite calcular exatamente onde uma bola vai pousar após cinco saltos, a mecânica quântica não é determinista. Não há como saber onde um elétron chegará daqui a cinco minutos, apenas uma probabilidade bem calculada.
Será que o mesmo conjunto de regras pode, de alguma forma, orientar a biologia também?
As pessoas que criaram a mecânica quântica no início do século 20 tentaram responder a esta pergunta. Em 1944, Erwin Schrödinger publicou um livro esbelto intitulado "O que é a vida? "
Entre outras coisas, ele se perguntava se a física quântica poderia explicar a notável fidelidade com que as crianças herdam informações genéticas de seus pais.
Schrödinger e Niels Bohr tentaram ambos trazer as ideias iniciais desta união da biologia e da mecânica quântica para a vanguarda da ciência. Mas depois de seu tempo, a biologia quântica permaneceu largamente negligenciada. Os físicos não foram cativados por ela, os químicos não a compraram e os biólogos não se importaram com a mecânica quântica.
Atualmente, os cientistas, entre outras coisas, observam fenômenos quânticos, incluindo túneis e emaranhados, em experimentos altamente sofisticados que têm que ser cuidadosamente isolados contra o ruído. Isto não é apenas som, mas, como no som, é qualquer distúrbio indesejável que interfere no desempenho regular de um sistema. Na verdade, quanto mais ruído há, mais difícil é para um sistema manter sua natureza quântica, e resistir a um sistema clássico. É por isso que muitos dos experimentos são operados a temperaturas realmente baixas, onde as vibrações nos instrumentos dos experimentos também são suprimidas.
É curioso então que a mecânica quântica possa até estar trabalhando dentro da matéria viva, que é essencialmente uma sopa quente e líquida de desordem. Como de costume, parece que a natureza pode ter encontrado uma maneira de fazê-la funcionar.
No final dos anos 60, cientistas americanos apresentaram evidências da biologia quântica em ação nas enzimas. As enzimas são estruturas proteicas complexas que aceleram drasticamente as reações bioquímicas. Há duas maneiras de entender como elas fazem isso: a mecânica quântica e a mecânica clássica. Entretanto, os pesquisadores descobriram que a mecânica clássica não poderia explicar o tamanho do ganho de velocidade, então os cientistas começaram a procurar respostas usando a escavação de túneis quânticos, o que parecia mais promissor.
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| De maneira muito simplificada, um diagrama de Tunelamento Quântico, fenômeno pelo qual uma partícula pode se mover através de uma barreira que seria impossível sob a mecânica clássica. Na figura, o "objeto" em verde, viaja de um ponto de baixa energia para outro de forma não-clássica. |
Esta descoberta inspirou descobertas similares em reações envolvendo transferências de prótons e hidrogênio, comuns em sistemas biológicos, e que por sua vez encorajaram outros estudos.
Embora os cientistas ainda não entendam todo o papel e valor da escavação de túneis quânticos na catálise enzimática, isso não os impediu de procurar fenômenos similares em diferentes domínios naturais.
Um deles é a fotossíntese. Especificamente, uma etapa no processo de fotossíntese é tão eficiente que faz com que os cientistas se perguntem se os efeitos quânticos podem estar envolvidos.
A fotossíntese é uma série de reações químicas. A primeira reação envolve moléculas que contêm uma parte chamada cromóforo. Quando um fóton na luz solar atinge um cromóforo, a ação induz a criação de uma quasipartícula carregada chamada exciton. O exciton então se move através da grade de moléculas até atingir um centro de reação, onde reage com outras moléculas que convertem a energia do exciton em energia química.
Na verdade, esta jornada é o processo de transferência de energia mais eficiente que os humanos conhecem. Intuições da física clássica sugerem que ele não deveria existir - então os cientistas pensaram na explicação quântica. Suas suspeitas foram encorajadas pelos primeiros resultados experimentais, que chegaram em 2007, sugerindo que a mecânica quântica estava envolvida. Desde então, os cientistas têm procurado de perto como exatamente isso poderia estar ajudando, mesmo quando se juntaram a eles em sua busca, mas outra pergunta tentadora: se as plantas e algumas bactérias estivessem realmente aproveitando a mecânica quântica para sobreviver, o que dizer dos organismos maiores e mais complexos?
Durante muito tempo, o organismo propaganda para a biologia quântica tem sido uma humilde ave migratória chamada pintarroxo. Estas aves podem sentir o campo magnético (extremamente fraco) da Terra - como se tivessem uma bússola dentro de seus cérebros - durante suas viagens entre a Europa Oriental e o Norte da África. Os princípios da física clássica não foram capazes de explicar como eles fazem isso, então - novamente - os cientistas se voltaram para a mecânica quântica.
A ideia predominante é que as aves têm uma espécie de proteínas nos olhos chamadas criptocromos. Elas respondem à luz criando um par de partículas que existem num emaranhado quântico, compartilhando uma conexão que impede que uma delas mude sem que a outra também mude. Este par emaranhados oscila entre diferentes estados quânticos pelo tempo que pode, antes que alguma perturbação arbitrária a destrua.
Enquanto este par ainda estiver dentro da trança, porém, um campo magnético o força a passar mais tempo em um determinado estado quântico, criando um sinal para o cérebro. Este sinal funciona como o sensor do campo magnético. Medidas independentes verificaram lenta mas seguramente partes desta teoria, depois que os cientistas avançaram a versão básica pela primeira vez em 1978.
A partir de 2019, a catálise enzimática, a fotossíntese e a navegação aviária têm sido as aplicações mais populares da biologia quântica. Outros estão certamente em ascensão: pesquisadores em todo o mundo já estão procurando os fundamentos quânticos do olfato, a origem da consciência e (especulativamente) a origem da própria vida. Ao mesmo tempo, eles também se perguntam se os efeitos quânticos são características regulares destes sistemas ou se a natureza os utiliza ativamente para melhorar a forma como as coisas são feitas.
Seria útil lembrar neste momento que - como disse Chris Fields, um cientista independente - a mecânica clássica e quântica são rótulos inventados pelo homem para descrever as teorias que eles desenvolveram; a natureza não tem que reconhecer esta distinção. Seres fotossintetizantes, aves migratórias e enzimas catalisadas existem mesmo antes que os humanos descobrissem a mecânica quântica. Portanto, os biólogos devem aceitar que os sistemas vivos não são desprovidos de efeitos quânticos e os físicos devem estar preparados para enfrentar os efeitos quânticos mesmo fora de experimentos de laboratório cuidadosamente controlados.
Por: Jonathan Pena Castro
Fonte: Baseado na publicação de The Wire
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