¿Tiene la vida un origen cuántico?

¡Precaución: hay una fórmula!

Dejando de lado el título sensacionalista, hoy hablaremos sobre el auge de la información cuántica a finales del siglo XX y cómo algunos de los científicos de la época buscaron aplicar conceptos de esta rama en el estudio del origen de la vida. Los últimos años del siglo pasado trajeron consigo grandes avances con el objetivo de la construcción del primer ordenador cuántico, principalmente algoritmos representando y describiendo todas aquellas tareas que un ordenador funcionando con las extrañas leyes de la mecánica cuántica haría mejor que un ordenador convencional calculando con 1’s y 0’s.

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A la izquierda, A. Patel el día de la defensa de su tesis

En el año 2001, el físico indio Apoorva Patel escribió una serie de artículos donde se planteaba la aplicabilidad del algoritmo de Grover, algoritmo que había aparecido solo 5 años antes, en el origen de la vida y en su lenguaje, el código genético. Una de las primeras ideas que se planteó el físico indio es que la naturaleza por sí misma a partir de elementos comunes como el hidrógeno o el carbono, y bajo diversas condiciones de humedad y campo eléctrico, generaba estructuras de mayor complejidad (moléculas como aminoácidos, azúcares y metano se pueden encontrar en nubes interestelares). Pero los seres vivos no son simplemente una mezcla aleatoria de moléculas, sino que sus constituyentes se encuentran ligados de una forma muy precisa que las hace funcionales. Es en esta parte de su argumentación donde Patel comienza su analogía entre los organismos vivos y la información cuántica de los cual toma las ideas.

El concepto que escoge para explicar la ordenación entre las componentes de un ser vivo es el de información. La información entendida como aquella magnitud que introduce un emisor en un mensaje y que a su llegada en el receptor despeja una cantidad de incertidumbre (o duda). Esta información vendrá recogida en el código genético de los organismos y si el ensamblaje, la construcción de la doble hélice del ADN, de este tiene como base la cuántica será el lenguaje óptimo (el mejor posible). ¿Os suena esto a la supervivencia del mejor adaptado?

darwinMetiéndose de lleno en el evolucionismo expone por qué el lenguaje del código genético es tan bueno que han pasado milenios sin que haya mutaciones sobre este que sobrevivan. Si bien una pequeña mutación puede generar tu supervivencia en un entorno reducido, como puede ser el caso del pico de los pájaros pinzones estudiados por Darwin en su viaje, generando la diversidad de organismos vivos actuales. La existencia de un lenguaje genético basado en las leyes de la cuántica supondrían un óptimo global (no existiría mutación posible que facilitase la supervivencia) y se presentaría en todos los seres vivos, como se observa que ocurre. Esta nueva idea choca frontalmente con la creencia establecida hasta el momento de por qué no había variantes al código genético, la hipótesis del accidente aislado o congelado (frozen accident hypothesis) postulado por Crick en 1968. Crick expone que el código genético es fruto del azar y se encuentra congelado porque muchas componentes del ser vivo deberían modificarse para acomodar un nuevo lenguaje genético.

Si nos parecía poco esto, va más allá y trata de justificar la existencia de 4 bases nitrogenadas: adenina, timina, guanina y citosina; a partir de la ecuación principal del algoritmo de Grover. ¿En qué consiste el algoritmo de Grover? Se trata de un algoritmo de búsqueda. Por ejemplo, dado un número N de teléfonos en un listín quiero encontrar, tras Q llamadas, a la persona que estoy buscando. Clásicamente tendría que llamar a la mitad de la agenda para tener un 50% de posibilidad de encontrar a la persona. Cuánticamente, el número de llamadas se ve reducido. En nuestro caso, utilizaremos este algoritmo de búsqueda para el ensamblaje de la doble hélice.

Ensamblaje
Pepe Viyuela ensamblando la doble hélice

Aplicaremos la ecuación a la pregunta, ¿cuántas bases nitrogenadas N son necesarias para que el ensamblaje se lleve a cabo a la primera Q=1?

despejado.png

De esta forma, Apoorva Patel, con sus trabajos presentados a comienzos de milenio trata de convencer a los biólogos (a quienes estaba dirigido el trabajo principalmente) de que el código genético puede ser modelado gracias al algoritmo de Grover, que la existencia de 4 bases nitrogenadas es óptimo (se atreve incluso a justificar la existencia de 20 aminoácidos) y presenta las condiciones físicas del proceso para que pueda ser llevado a cabo.

Por último decir que este modelo no es el aceptado por la comunidad y presenta ciertas lagunas en la argumentación, como podría ser el problema de la decoherencia. Dejo los dos principales artículos de donde saqué la información:

Patel, A. (2001). Why genetic information processing could have a quantum basis. Journal of Biosciences26(2), 145-151. (https://arxiv.org/pdf/quant-ph/0105001.pdf)

Grover, L. K. (1996). A fast quantum mechanical algorithm for database search. (https://arxiv.org/pdf/quant-ph/9605043.pdf)

y las diapositivas que utilicé para el Café y Ciencia que organiza el Ciemat

CyCADN

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