LA PARADOJA DE LA VIDA

LA PARADOJA DE LA VIDA

Cada cultura tiene su preciada mitología sobre el inicio de la vida. Las personas nos hemos preguntado a menudo qué podría explicar la espléndida riqueza y diversidad de la Tierra. En la Biblia, por ejemplo, Dios creó los cielos y la tierra en seis días. Hizo al hombre a su imagen a partir del polvo, y luego le insufló vida. Creó todas las plantas y animales para que los gobernásemos.

En la mitología griega, al principio solo existían el informe Caos y el vacío. Pero de esta ingente nada nacieron deidades como Gea, diosa de la tierra; Eros, dios del amor, y Éter, dios de la luz. De la unión de Gea y Urano, el dios del cielo nocturno, nacieron las criaturas que poblaron la tierra. El origen de la vida es quizá uno de los mayores misterios de todos los tiempos. Esta cuestión ha dominado los debates religiosos, filosóficos y científicos más que ninguna otra. A lo largo de la historia, muchos de los pensadores más profundos pensaban que existía una misteriosa «fuerza vital» que podía animar lo inanimado. Muchos científicos, de hecho, creían en algo llamado «generación espontánea», que la vida podía surgir mágicamente por sí misma de la materia inanimada.

En el siglo XIX, los científicos fueron capaces de reconstruir muchas de las claves sobre el origen de la vida. Los minuciosos experimentos de Louis Pasteur, entre otros, demostraron que esta no se podía generar de forma espontánea, como se solía creer. El francés probó que hirviendo agua se podía crear un ambiente estéril que impedía el desarrollo espontáneo de organismos. Aún hoy existen muchas lagunas en nuestra comprensión de cómo se originó la vida en la Tierra, hace casi cuatro mil millones de años.

De hecho, los ordenadores digitales no sirven para analizar los procesos biológicos y químicos fundamentales a nivel atómico que podrían arrojar luz sobre este problema. Incluso el proceso molecular más sencillo desbordaría rápidamente la capacidad de dichos sistemas. Sin embargo, la mecánica cuántica puede ayudar a explicar muchas de estas lagunas y desentrañar los misterios de la vida. Los ordenadores cuánticos son ideales para este problema y están empezando a desvelar algunos de los secretos más profundos de la vida a nivel molecular.

§. Dos innovaciones

En la década de 1950 se produjeron dos avances monumentales que han marcado la pauta de posteriores investigaciones sobre el origen de la vida. El primero tuvo lugar en 1952, cuando un estudiante de posgrado, Stanley Miller, que trabajaba con Harold Urey en la Universidad de Chicago, realizó un experimento sencillo. Comenzó con un matraz con agua al que añadió una mezcla tóxica de sustancias químicas (metano, amoniaco, agua e hidrógeno, entre otras) que, en su opinión, imitaba la severa atmósfera de la Tierra primitiva. Para incorporar energía al sistema (tal vez imitando los rayos o la radiación ultravioleta del Sol), le propinó una pequeña chispa eléctrica. Después se alejó del experimento durante una semana.

Cuando regresó, encontró un líquido rojo en el interior del matraz. Tras examinarlo detenidamente, se dio cuenta de que la coloración estaba causada por aminoácidos, que son los constituyentes básicos de las proteínas de nuestro cuerpo. En otras palabras, los ingredientes básicos de la vida se formaron sin injerencia externa alguna. Desde entonces, este sencillo experimento se ha repetido y modificado cientos de veces, lo que ha proporcionado a los científicos una visión reveladora de las antiguas reacciones químicas que podrían haber dado origen a la vida. Cabe imaginar, por ejemplo, que las toxinas que se encuentran en las fuentes hidrotermales del fondo de los océanos habrían proporcionado los elementos básicos necesarios para crear las primeras sustancias químicas de la vida, y que estos respiraderos volcánicos podrían haber suministrado después la energía para convertir esas sustancias en los aminoácidos necesarios para la vida. De hecho, algunas de las células más primitivas de la Tierra se encuentran cerca de estos respiraderos volcánicos submarinos.

Hoy sabemos lo fácil que es crear los componentes básicos de la vida. Se han encontrado aminoácidos en lejanas nubes de gas a muchos años luz de distancia, o en el interior de meteoritos procedentes del espacio exterior. Los aminoácidos, basados en el carbono, pueden formar las semillas de la vida en todo el universo. Y todo ello gracias a las sencillas propiedades de enlace del hidrógeno, el carbono y el oxígeno, tal y como predice la ecuación de Schrödinger. Así, debería ser posible aplicar la mecánica cuántica para hallar, paso a paso, los procesos a nivel atómico que originaron la vida en la Tierra. La teoría cuántica elemental nos ayuda a entender por qué el experimento de Miller tuvo tanto éxito, y puede señalar el camino hacia descubrimientos más sustanciales en el futuro.

En primer lugar, utilizando la mecánica cuántica se puede calcular la energía necesaria para romper los enlaces químicos del metano, el amoniaco, etc., y crear así aminoácidos. Las ecuaciones de la misma evidencian que la energía de una chispa eléctrica como la del experimento de Miller basta para lograrlo. Además, nos muestra que, si la energía de activación necesaria para romper estos enlaces químicos fuera, de alguna manera, mucho mayor, entonces la vida nunca habría surgido.

En segundo lugar, vemos que el carbono tiene seis electrones. Dos se sitúan en el orbital de primer nivel y los cuatro restantes se sitúan individualmente en los cuatro espacios de los orbitales de segundo nivel. Esto deja espacio para cuatro enlaces químicos. Un elemento con cuatro enlaces es raro en la tabla periódica. Pero las normas de la mecánica cuántica permiten que esta estructura cree largas y complejas cadenas de carbono, oxígeno e hidrógeno, dando lugar así a los aminoácidos.

En tercer lugar, estas reacciones químicas tienen lugar en el agua, H₂O, que actúa como un crisol donde las diferentes moléculas se encuentran y forman sustancias químicas más complejas. Según la mecánica cuántica, la molécula de agua tiene forma de L y se puede calcular que los dos átomos de hidrógeno forman entre sí un ángulo de 104,5 grados. Esto significa, a su vez, que la molécula de agua tiene una carga eléctrica neta distribuida de manera desigual a su alrededor. Esta carga basta para romper los enlaces débiles de otras sustancias químicas, por lo que el agua puede disolver muchas de ellas.

Así, vemos que la mecánica cuántica básica puede crear las condiciones para la vida. Pero la siguiente pregunta es: ¿podemos ir más allá del experimento de Miller y ver si la teoría cuántica puede crear ADN? Y, aún más allá, ¿pueden aplicarse los ordenadores cuánticos al genoma humano para descifrar los secretos de la enfermedad y el envejecimiento?

§.¿Qué es la vida?

El segundo avance procedió directamente de la mecánica cuántica. En 1944, Erwin Schrödinger, ya famoso por su ecuación de onda, escribió un libro fundamental, ¿Qué es la vida? En él hacía la asombrosa afirmación de que la vida era un subproducto de la mecánica cuántica y que su esquema estaba codificado en una molécula desconocida. En una época en que muchos científicos seguían creyendo que una misteriosa fuerza vital animaba toda la materia viva, afirmó que la vida podía explicarse aplicando la física cuántica. Al examinar las soluciones de su ecuación de onda, conjeturó que la vida podía surgir de la pura matemática, en forma de un código transmitido a través de esta molécula misteriosa. Era una idea escandalosa. Pero dos jóvenes científicos, el físico Francis Crick y el biólogo James Watson, lo vieron como un reto. Si la base de la vida podía hallarse en una molécula, su misión sería encontrarla y demostrar que contenía el código de la vida. «Desde el momento en que leí ¿Qué es la vida?, de Schrödinger, me orienté hacia la búsqueda del secreto del genoma», recordaba Watson.

Su razonamiento era que la molécula de la vida, tal como la imaginaba Schrödinger, debía estar oculta en el material genético del núcleo de la célula, gran parte del cual está compuesto por una sustancia química llamada ADN. Pero las moléculas orgánicas como la del ADN son tan diminutas (incluso más pequeñas que la longitud de onda de la luz visible) que resultan invisibles, por lo que parecía una tarea titánica. Optaron por un método indirecto, utilizando el proceso de la cristalografía de rayos X, basado en la teoría cuántica, para encontrar esta mítica molécula.

Los rayos X, a diferencia de la luz visible, pueden tener una longitud de onda tan pequeña como un átomo. Si se disparan a través de un cristal formado por billones y billones de moléculas dispuestas en un entramado, los rayos X dispersados dan lugar a un patrón de interferencia característico, que se puede fotografiar. Tras un examen meticuloso, un físico cualificado puede estudiar las placas fotográficas para determinar qué patrón cristalizado creó estas imágenes.

Al observar las fotografías de rayos X del ADN tomadas por Rosalind Franklin, Crick y Watson identificaron un patrón que debía estar creado por una doble hélice. Sabiendo que la estructura general del ADN era una doble hélice, como dos escaleras que se enrollan una alrededor de la otra, pudieron reconstruirla por entero, átomo por átomo. La mecánica cuántica les proporcionó los ángulos formados por los enlaces que contienen átomos de carbono, hidrógeno y oxígeno. Así, como niños que construyen con un juego de Lego, fueron capaces de reproducir la estructura atómica completa del ADN y de explicar cómo es capaz de hacer copias de sí mismo y proporcionar las instrucciones para todo el desarrollo biológico.

Esto, a su vez, ha alterado la naturaleza misma de la biología y la medicina. En el siglo anterior, Charles Darwin había sido capaz de esbozar el árbol de la vida, cuyas ramas representaban la rica diversidad de formas. Este, si bien enorme, lo puso en movimiento una sola molécula. Y, tal y como lo concibió Schrödinger, todo esto puede deducirse como consecuencia de las matemáticas. Cuando desentrañaron la molécula de ADN, descubrieron que estaba formada por cuatro grupos de átomos, llamados «ácidos nucleicos». Estos, denominados A, C, T y G, están dispuestos en una secuencia lineal de dos largas líneas paralelas, que luego se entrelazan como una escalera para crear una molécula de ADN. (Un filamento del mismo es invisible, pero, si se desplegara, una única molécula mediría casi dos metros de largo). Cuando llega el momento de la reproducción, los dos filamentos de ADN se desenrollan y se separan en dos filamentos de ácidos nucleicos. Entonces, cada uno de ellos actúa como una plantilla, captando otros átomos en el orden correcto para que cada filamento se convierta de nuevo en uno doble. De este modo, la vida puede reproducirse.

Ahora disponíamos de la arquitectura necesaria para crear la molécula de ADN utilizando las matemáticas de la teoría cuántica. Pero determinar su forma básica fue, en cierto modo, la parte fácil. Lo difícil es descifrar los miles de millones de códigos ocultos en la molécula. Es como si intentara entender la música y por fin aprendiera a sacarle algunas notas al teclado de un piano. Pero esto no lo convertiría en un Mozart. Aprender unas pocas notas no es más que el principio de un largo viaje.

§. Física y biotecnología

Una de las personas que encabezó este esfuerzo por secuenciar todos nuestros genes fue el bioquímico de Harvard y premio Nobel Walter Gilbert. De hecho, empezó a trabajar en Harvard como profesor de Física, estudiando el comportamiento de las partículas subatómicas creadas en potentes aceleradores. Trabajar en biología no se le había pasado por la cabeza. Pero empezó a cambiar su forma de pensar. En primer lugar, se dio cuenta de lo difícil que sería en Harvard, con tanta competencia, conseguir la titularidad. En el campo de la física de partículas había muchos investigadores brillantes con los que tendría que medirse. Resulta que su mujer trabajaba para James Watson, a quien había conocido en la Universidad de Cambridge, así que se familiarizó con el innovador trabajo que se estaba realizando en el nuevo campo de la biotecnología, que era una explosión de ideas y descubrimientos.

Intrigado, acabó dividiendo su tiempo entre las arcanas ecuaciones de las partículas elementales y ensuciarse las manos con la biología. De manera que hizo la mayor apuesta de su carrera. Como catedrático de Física, dio un gran salto al pasar de la teoría de las partículas elementales a la biología. Pero la apuesta le salió bien, porque en 1980 ganó el Premio Nobel de Química. Entre otros logros, fue uno de los primeros en desarrollar una técnica rápida para leer la molécula de ADN, gen por gen. En realidad, su formación en Física lo ayudó. Tradicionalmente, la mayoría de los departamentos de Biología estaban formados por especialistas en un animal o una planta. Algunos se pasaban la vida buscando y dando nombre a especies recién descubiertas. Pero, de repente, los físicos cuánticos hacían grandes avances utilizando cálculo avanzado. Dominar el abstruso lenguaje de la mecánica cuántica le facilitó el descubrimiento que alteró nuestra comprensión de la vida a nivel molecular.

Después ayudó a impulsar el Proyecto Genoma Humano. En 1986, en una conferencia en Cold Spring Harbor (Nueva York), dio una estimación del coste de esta ambiciosa empresa sin precedentes: tres mil millones de dólares. «El público se quedó atónito», recuerda Robert Cook-Deegan, autor de The Gene Wars. «Los cálculos de Gilbert provocaron un alboroto». A muchos les pareció una cifra imposiblemente baja. Cuando hizo esa sorprendente predicción, solo se habían secuenciado un puñado de genes. Muchos científicos habían incluso llegado a pensar que el genoma humano estaría para siempre fuera de su alcance.

Pero esa cifra se convirtió en el presupuesto que el Congreso aprobó para el Proyecto Genoma Humano. La tecnología avanzaba tan deprisa que el plan se completó antes de lo previsto y por debajo del presupuesto, algo inaudito en Washington. Hay tres mil millones de pares de bases en nuestro ADN, así que calculó que al final costaría un dólar secuenciar cada uno). Gilbert llegó incluso a predecir que, en el futuro, «podrá ir a una farmacia y obtener su propia secuencia de ADN en un CD, que podrá analizar en casa en su ordenador. Podrá sacarse un disco del bolsillo y decir: “Aquí hay un ser humano: ¡yo!”».

Una persona que se vio profundamente influida por todo esto es Francis Collins, antiguo director de los Institutos Nacionales de Salud. Es uno de los médicos más influyentes de la medicina actual. Millones de personas le han visto en televisión hablando de los últimos progresos sobre la pandemia de la covid-19. ¿Cómo empezó a interesarse por la biología, a pesar de haber estudiado Química? La biología siempre le había parecido «desordenada», con muchos nombres arbitrarios para otros tantos animales y plantas. Pensaba que no había organización alguna. En la química veía orden, disciplina y patrones que podían estudiarse y reproducirse. Así que enseñaba Química física, utilizando la ecuación de Schrödinger para explicar el funcionamiento interno de las moléculas.

Sin embargo, acabó dándose cuenta de que se había equivocado de campo. La química física ya estaba bien establecida, con principios y conceptos conocidos. Entonces empezó a replantearse la biología. Mientras que aquí los científicos daban extraños nombres griegos a oscuros bichos y otros animales, el campo de la biotecnología estaba a rebosar de nuevas ideas y conceptos. Era un territorio inexplorado y virgen para los recién llegados.

Consultó a otras personas, entre ellas Walter Gilbert, que le contó cómo había hecho el cambio de la física de partículas elementales a la secuenciación del ADN y animó a Collins a hacer lo mismo. Así que el susodicho se lanzó al abismo y nunca se arrepintió. «Me di cuenta de que era la época dorada», recordaba. «Me preocupaba enseñar Termodinámica a un grupo de estudiantes que odiaban la asignatura, mientras que lo que estaba ocurriendo en biología era como la mecánica cuántica en los años veinte. […] Estaba alucinado».

Collins no tardó en hacerse un nombre. En 1989 reveló la mutación genética responsable de la fibrosis quística. Descubrió que está causada por la supresión de solo tres pares de bases en el ADN (de ATCTTT a ATT). Con el tiempo, se convirtió en el principal administrador médico del país. Pero llevó su propio estilo personal a Washington. Iba a trabajar en moto. Y nunca ha abandonado sus creencias religiosas. Incluso escribió un best seller: ¿Cómo habla Dios? La evidencia científica de la fe.

§. Las tres etapas de la biotecnología

Gilbert y Collins, en cierto sentido, representan algunas de las etapas en el desarrollo de este campo. Primera etapa: trazar el genoma En la primera etapa, Walter Gilbert y el resto de su equipo lograron completar el Proyecto Genoma Humano, una de las proezas científicas más importantes de todos los tiempos. Sin embargo, el catálogo del genoma humano es como un diccionario con veinte mil entradas y ninguna definición. En sí mismo, es un logro monumental, pero también inútil. Segunda etapa: determinar la función de los genes. En la segunda etapa, Francis Collins y otros trataron de completar las definiciones de dichos genes. Mediante la secuenciación de enfermedades, tejidos, órganos, etc., somos capaces de recopilar tediosamente el funcionamiento de estos genes. Es un proceso penosamente lento, pero, poco a poco, el diccionario se va completando.

Tercera etapa: modificar y mejorar el genoma. Con todo, ahora estamos entrando gradualmente en la tercera etapa, en la que podemos aprovechar este diccionario para convertirnos nosotros mismos en escritores. Esto implica utilizar ordenadores cuánticos para descifrar cómo funcionan estos genes a nivel molecular, de modo que podamos idear nuevas terapias e inventar herramientas para atacar enfermedades incurables. Cuando comprendamos cómo infligen su daño a nivel molecular, podremos utilizar ese conocimiento para desarrollar nuevas técnicas con que neutralizar o curar estas enfermedades.

§. La paradoja de la vida

Al intentar averiguar el origen de la vida, seguimos enfrentándonos a una paradoja flagrante. ¿Cómo es posible que acontecimientos químicos aleatorios crearan las exquisitamente complejas moléculas de la vida en tan breve periodo de tiempo? Los geólogos creen que la Tierra tiene cuatro mil seiscientos millones de años. Durante casi mil millones de años, el planeta fue una masa fundida, demasiado caliente para albergar vida. Debido a los reiterados impactos de meteoritos y a las erupciones volcánicas, los antiguos océanos probablemente hirvieron en diversas ocasiones, por lo que era imposible la vida. Pero hace tres mil ochocientos millones de años la Tierra se fue enfriando lo suficiente como para permitir la formación de océanos. Dado que se cree que el ADN se originó hace unos tres mil setecientos millones de años, esto significa que, en un par de cientos de millones de años, el ADN despegó de repente, con los procesos químicos que le permiten utilizar la energía y reproducirse.

Algunos científicos han admitido considerar esto como imposible. Fred Hoyle, uno de los grandes pioneros de la cosmología, creía que, dada la rapidez con la que parece haber surgido el ADN, simplemente no hubo tiempo suficiente para que se formara la vida en la Tierra, por lo que debió de venir del espacio exterior. Se sabe que las rocas y las nubes de gas del cosmos profundo contienen aminoácidos, por lo que tal vez la vida se originó en otro lugar. Es lo que se denomina «la teoría de la panspermia» y, recientemente, nuevas pruebas han reavivado el interés por ella. Al examinar el contenido mineral y las diminutas burbujas de aire atrapadas en el interior de los meteoritos, se encuentra una coincidencia exacta con las rocas halladas en Marte por nuestras sondas espaciales. De los sesenta mil meteoritos descubiertos hasta ahora, al menos ciento veinticinco se han identificado de forma concluyente como procedentes de Marte.

Por ejemplo, un meteorito llamado ALH 84001 cayó en el Polo Sur hace trece mil años. Probablemente fue lanzado al espacio por el impacto de un meteoro hace dieciséis millones de años y luego fue a la deriva hasta aterrizar finalmente en la Tierra. El análisis microscópico del interior del meteorito reveló pruebas de ciertas estructuras en forma de gusano. (Aún hoy se debate si son antiguas criaturas multicelulares fosilizadas o un fenómeno natural). Si las rocas pueden viajar de Marte a la Tierra, ¿por qué no el ADN? Ahora se cree que puede haber decenas de meteoros a la deriva entre Marte, Venus, la Luna y la Tierra, cuyos impactos serían lo bastante grandes como para enviar rocas al espacio que acabaran aterrizando en otro planeta. No se puede descartar que el ADN proceda de otro lugar que no sea la Tierra.

Sin embargo, hay otra explicación para este enigma. Como hemos visto, según la teoría cuántica, existen diversos mecanismos que pueden acelerar enormemente un proceso químico. El método de la integral de caminos que se ha comentado con anterioridad suma todas las trayectorias posibles en una reacción química, incluso las más improbables. Los caminos prohibidos por las reglas habituales de Newton serían posibles con la mecánica cuántica. Algunos de ellos podrían conducir a la creación de estructuras moleculares complejas.

También sabemos que las enzimas aceleran los procesos químicos. Son capaces de reunir sustancias para que reaccionen rápidamente y, a continuación, reducir el umbral de energía para que puedan atravesar por efecto túnel la barrera energética. Esto significa que pueden producirse incluso reacciones químicas muy improbables. Así, aquellas que aparentemente vulneran la conservación de la energía serían posibles con la teoría cuántica. En otras palabras, la mecánica cuántica podría ser la razón por la que la vida comenzó tan pronto en el planeta Tierra. Con la llegada de los ordenadores cuánticos, se espera poder resolver muchas de las lagunas de nuestra comprensión de la vida. Q

§. Química computacional y biología cuántica

Los vertiginosos avances de los ordenadores cuánticos están dando origen a nuevas ciencias, la química computacional y la biología cuántica. Por fin, esos sistemas están haciendo posible la creación de modelos realistas de moléculas, lo que permite a los científicos ver, átomo por átomo, nanosegundo a nanosegundo, cómo se producen las reacciones químicas. Piense, por ejemplo, en el uso de recetarios para preparar comidas. Es cómodo limitarse a seguir las instrucciones paso a paso, pero eso no nos da la menor idea de cómo interactúan los sabores y los ingredientes para crear un plato delicioso. Si se desvía del libro de cocina, todo es ensayo y error y conjeturas. Lleva mucho tiempo y a muchos callejones sin salida, pero así es como se hace química hoy en día.

Ahora imagine que puede analizar todos los ingredientes a nivel molecular. En principio, sería posible crear recetas nuevas y deliciosas a partir de principios básicos al saber cómo interactúan las moléculas entre sí. Esta es la esperanza que se alberga con los ordenadores cuánticos: poder comprender la interacción de genes, proteínas y sustancias químicas a nivel molecular. La investigadora Jeannette M. Garcia, de IBM, afirmaba: «A medida que las moléculas se agrandan, escapan muy rápidamente del ámbito de lo que se puede simular con los ordenadores clásicos». Garcia ha escrito también que «predecir con total exactitud el comportamiento incluso de moléculas sencillas sobrepasa las capacidades de los ordenadores más potentes. Aquí es donde la computación cuántica ofrece la posibilidad de obtener avances significativos en los próximos años». Señalaba que los ordenadores digitales solo pueden calcular con fiabilidad el comportamiento de un par de electrones. Más allá de eso, el cálculo desborda a cualquier sistema clásico, a menos que se hagan aproximaciones drásticas.

Y añadía: «Los ordenadores cuánticos se encuentran ahora en un punto en el que pueden empezar a simular las energías y las propiedades de moléculas pequeñas, como el hidruro de litio, lo cual ofrece la posibilidad de crear modelos que proporcionarán vías de descubrimiento más claras que las que tenemos ahora». Linghua Zhu, de Virginia Tech, afirmaba: «Los átomos son cuánticos, el ordenador es cuántico; estamos utilizando lo cuántico para simular lo cuántico. Cuando se emplean métodos clásicos, siempre se usan aproximaciones, pero con un ordenador cuántico es posible saber exactamente cómo interactúa cada átomo con los demás»

Piense, por ejemplo, en un artista que intenta copiar la Mona Lisa. Si solo le damos palillos de dientes, el resultado será una burda figura de palo. Las líneas rectas no pueden captar la complejidad de la forma humana. Pero, si se le da al artista una pluma con diferentes colores, entonces se puede crear multitud de formas curvas con que producir una copia razonable de la famosa pintura. En otras palabras, se necesitan líneas curvas para simular líneas curvas. Del mismo modo, solo un ordenador cuántico puede captar la complejidad de los sistemas cuánticos, como las sustancias químicas y los componentes básicos de la vida.

Para ver cómo funciona esto, volvamos a la ecuación de onda de Schrödinger. Recordemos que introdujimos una cantidad llamada H (el hamiltoniano), que representa la energía total del sistema estudiado. Esto quiere decir que, para moléculas grandes, esa cantidad consiste en la suma de un gran número de términos, tales como:

• La energía cinética de cada electrón y núcleo

• La energía electrostática de cada partícula

• La interacción entre todas las partículas

• Los efectos del espín

Si estudiamos el sistema más simple posible (el átomo de hidrógeno, con solo un electrón y un protón), esto puede resolverse exactamente en el primer año de cualquier carrera en Física. La derivación requiere poco más que cálculo de tercer curso. Aun así, para un sistema tan simple, obtenemos una auténtica profusión de resultados, como el conjunto completo de niveles de energía del átomo de hidrógeno. Pero con solo dos electrones, que sería el átomo de helio, las cosas se complican enseguida, ya que ahora tenemos interacciones complejas entre ambas partículas.

Con tres electrones o más, la situación se descontrola rápidamente para los ordenadores digitales. Por tanto, hay que hacer un gran número de aproximaciones para obtener resultados con la suficiente precisión. Los ordenadores cuánticos pueden ser útiles en este caso. Por ejemplo, en 2020 se anunció que el ordenador Sycamore, de Google, estableció un récord: fue capaz de simular con precisión una cadena de doce átomos de hidrógeno utilizando doce cúbits. «Estamos entusiasmados por el resultado, porque duplica con creces el número de cúbits y de electrones de cualquier simulación anterior en química cuántica, y con el mismo nivel de precisión», afirmó Ryan Babbush, que formaba parte del equipo que estableció el récord.

El ordenador cuántico también fue capaz de simular una reacción química entre el hidrógeno y el nitrógeno, incluso si se cambiaba la posición de uno de los átomos del primero. Babbush añadió: «Esto demuestra que, de hecho, este dispositivo es un ordenador cuántico digital programable por completo y que puede utilizarse para cualquier tarea». Garcia concluyó: «Sencillamente, los ordenadores de arquitectura clásica no pueden manejar el nivel de complejidad de sustancias tan cotidianas como la cafeína». En su opinión, el futuro es cuántico. Pero estos logros iniciales no han hecho más que estimular el apetito de los científicos cuánticos, que están ansiosos por abordar proyectos aún más ambiciosos, como la fotosíntesis, la cual es la base de la vida en la Tierra. Puede que algún día los ordenadores cuánticos desentrañen el secreto de cómo tomar la luz del Sol y crear la diversidad de frutas y verduras que vemos a nuestro alrededor. Así que el próximo objetivo puede ser la fotosíntesis, uno de los procesos cuánticos más importantes del planeta.

§. La mecánica cuántica de la fotosíntesis

Muchos científicos creen que la fotosíntesis es un proceso cuántico. Comienza cuando los fotones, paquetes discretos de luz, golpean una hoja que contiene clorofila. Esta molécula especial absorbe la luz roja y y la azul, pero no la verde, que se dispersa en el entorno. Por tanto, el color de las plantas se debe a que no absorben el verde (si la naturaleza hubiera creado vegetales que absorbieran toda la luz posible, las plantas serían negras, en lugar de verdes). Cuando la luz incide en una hoja, lo esperable sería que se dispersase en todas direcciones y se perdiera para siempre. Pero aquí es donde ocurre la magia cuántica. El fotón incide en la clorofila, lo que crea unas vibraciones energéticas en la hoja llamadas «excitones», que de algún modo atraviesan la superficie de la misma. Finalmente, estos penetran lo que se denomina un «centro de reacción», en la superficie de la hoja, donde la energía del excitón se utiliza para convertir el dióxido de carbono en oxígeno.

Según la segunda ley de la termodinámica, cuando la energía se transforma de una forma a otra, gran parte de ella se pierde en su entorno. Así que es de esperar que buena parte de la energía del fotón se disipe al chocar con la molécula de clorofila y, por tanto, se pierda durante este proceso en forma de calor residual. En cambio, milagrosamente, la energía del excitón es transportada al centro de reacción sin apenas pérdida alguna. Por razones que aún no se comprenden, este proceso tiene una eficiencia de casi el 100 por ciento. Este fenómeno por el que los fotones crean excitones que se agrupan en centros de reacción sería como un torneo de golf en el que cada participante lanza una bola al azar en todas direcciones. Entonces, como por arte de magia, todas ellas cambiarían de dirección de alguna manera y lograrían un hoyo en uno cada vez. Aunque esto no tendría que ocurrir, puede realmente medirse en el laboratorio.

Una teoría es que el viaje del excitón es posible gracias a las integrales de camino que fueron introducidas por Richard Feynman. El gran físico estadounidense reescribió las leyes de la teoría cuántica en términos de caminos. Cuando un electrón se desplaza de un punto a otro, de alguna manera escudriña todos los trayectos posibles entre ambos y luego calcula una probabilidad para cada ruta. Por tanto, se podría decir que el electrón es «consciente» de todos los caminos posibles que conectan dichos puntos, lo cual significa que «elige» el trayecto más eficiente.

También hay aquí un segundo misterio. El proceso de fotosíntesis tiene lugar a temperatura ambiente, donde los movimientos aleatorios de los átomos en el entorno deberían destruir cualquier coherencia entre los excitones. Normalmente, los ordenadores cuánticos tienen que enfriarse hasta casi el cero absoluto para minimizar estos movimientos caóticos, pero las plantas funcionan a la perfección a temperaturas normales. ¿Cómo es posible?

§. Fotosíntesis artificial

Una forma de probar o refutar experimentalmente la existencia de efectos cuánticos es buscar indicios de coherencia, el revelador indicio de los mismos cuando los átomos vibran al unísono. Por lo general, se esperaría encontrar un revoltijo caótico de vibraciones individuales, sin ton ni son, pero, si se detectan algunas en fase, esto indicaría de inmediato la presencia de efectos cuánticos. En 2007, Graham Fleming informó de que había sido testigo de este escurridizo fenómeno. Pudo anunciar el descubrimiento de coherencia en la fotosíntesis porque utilizaba un espectroscopio multidimensional ultrarrápido especial, capaz de generar pulsos de luz que duraban un femtosegundo (una millonésima de la milmillonésima parte de un segundo). Necesitaba estos láseres excepcionalmente rápidos para detectar haces de luz que vibraran a la vez antes de que las colisiones aleatorias con el entorno destruyeran esta coherencia. Desde el punto de vista del láser, los átomos del entorno se encontraban casi congelados en el tiempo, por lo que podían ignorarse en gran medida. Fleming consiguió demostrar que las ondas luminosas podían existir simultáneamente en dos o más estados cuánticos. Esto significaba que la luz exploraba al mismo tiempo múltiples caminos hacia el centro de reacción, lo cual explicaría por qué los excitones lo encontraban casi el cien por cien de las veces.

K. Birgitta Whaley, colega de Fleming en Berkeley, añadió: «En la práctica, la excitación “elige” la ruta más eficiente […] a partir de un menú cuántico de caminos posibles. Esto requiere que todos los estados posibles de la partícula en desplazamiento se superpongan en un estado cuántico único y coherente durante décimas de femtosegundo». Esto también podría explicar cómo la fotosíntesis puede funcionar a temperatura ambiente, sin todas las tuberías que se encuentran en un laboratorio de física.

Los ordenadores cuánticos son ideales para realizar estos cálculos a nivel atómico. Si el enfoque basado en las integrales de camino es válido, eso quiere decir que ahora podemos alterar la dinámica de la fotosíntesis para resolver diversos problemas. En lugar de realizar miles de experimentos con plantas, lo que requiere un tiempo desmesurado, estos podrían hacerse virtualmente. Por ejemplo, sería posible cultivar cosechas más eficientes o producir más frutas y verduras, aumentando el rendimiento para los agricultores. Además, la dieta humana depende sobre todo de un puñado de cereales, como el arroz y el trigo, por lo que una plaga repentina que los atacase podría alterar toda la cadena alimentaria. Estaríamos indefensos si uno solo de nuestros alimentos básicos se viera de pronto perturbado.

La nueva apuesta de los científicos por la creación de una hoja con fotosíntesis artificial nos ayudaría a depender menos de este importante proceso natural.

§. La hoja artificial

Cuando hablamos de los mayores problemas del mundo, el CO₂ suele describirse como uno de los malos de la historia. El dióxido de carbono capta energía solar y provoca el calentamiento de la Tierra. Pero ¿y si pudiéramos reciclar este gas de efecto invernadero para hacerlo inofensivo? Entonces también podríamos crear productos químicos de valor comercial a partir del CO₂ reciclado. Los científicos sugieren que la luz solar podría hacer precisamente eso. Esta nueva tecnología tomaría el dióxido de carbono del aire y lo combinaría con luz solar y agua para crear tanto combustible como otros valiosos productos químicos, de forma similar a lo que hace una hoja, pero fabricados artificialmente. Al quemar este combustible se crearía más CO₂, que podría recombinarse con la luz solar y el agua para crear más combustible, en un proceso incesante de reciclaje sin ganancia neta de CO₂. De este modo, este gas, que era el villano de la película, se convierte en un recurso útil.

Para que este reciclaje funcione, procedería en dos pasos. En primer lugar, se utilizaría la luz solar para descomponer el agua en hidrógeno y oxígeno. Aquel podría almacenarse en pilas de combustible para propulsar coches de hidrógeno, que no contaminan. Uno de los problemas de los coches eléctricos es que utilizan baterías que, a su vez, obtienen su energía sobre todo de centrales térmicas de carbón y petróleo. Aunque la batería eléctrica no contamina, la electricidad procede originalmente de centrales que consumen petróleo, que sí lo hacen. Por tanto, en la actualidad, el uso de baterías eléctricas tiene un coste oculto. Sin embargo, las pilas de combustible queman hidrógeno y oxígeno, lo que produce agua como residuo. Esto es, funcionan de forma limpia, sin necesidad de centrales de petróleo y carbón. Sin embargo, la infraestructura industrial basada en pilas de combustible está mucho menos desarrollada que la de las baterías eléctricas.

En segundo lugar, el hidrógeno producido por la división del agua puede combinarse con CO₂para producir combustible e hidrocarburos valiosos. Este combustible, a su vez, puede quemarse para volver a producir ,CO₂ pero también recombinarse con hidrógeno y, por tanto, reciclarse. Esto crearía un nuevo ciclo en el que este gas de efecto invernadero podría reutilizarse continuamente para que no se acumule en la atmósfera, estabilizando así su cantidad y proporcionando energía al mismo tiempo. «Nuestro objetivo es cerrar el ciclo del combustible de carbono», dijo Harry Atwater, director del Centro Conjunto para la Fotosíntesis Artificial (JCAP, por sus siglas en inglés), una rama del Departamento de Energía que financia la investigación en este campo. «Es un concepto audaz».

Si se lograse, supondría un cambio de paradigma en la lucha contra el calentamiento global. El CO₂pasaría a ser un engranaje más de una rueda mayor que mantiene a la sociedad en movimiento. Los ordenadores cuánticos podrían desempeñar un papel crucial en el reciclaje del carbono. En la revista Forbes, el investigador cuántico Ali El Kaafarani afirmaba que «los ordenadores cuánticos podrían acelerar el descubrimiento de nuevos catalizadores de CO₂ que garantizarían un reciclaje eficaz del dióxido de carbono al tiempo que producirían gases útiles como hidrógeno y monóxido de carbono». Aunque pueda parecer un sueño, el primer avance en este ámbito se produjo en 1972, cuando Akira Fujishima y Ken’ichi Honda demostraron que se podía utilizar la luz para dividir el agua en hidrógeno y oxígeno, utilizando un electrodo de dióxido de titanio y otro de platino. Aunque su eficiencia era de solo el 0,1 por ciento, esta prueba conceptual demostró que era posible crear una hoja artificial.

Desde entonces, los químicos han intentado modificar este experimento para reducir el coste, ya que el platino es muy caro. En el JCAP, por ejemplo, pudieron utilizar la luz para separar el agua con una eficiencia del 10 por ciento utilizando un electrodo hecho de un material semiconductor y catalizadores de níquel. Lo complicado ahora es completar el último paso y encontrar una forma barata de combinar hidrógeno con CO2 para crear combustible. La dificultad estriba en que el dióxido de carbono es una molécula extraordinariamente estable. El químico de Harvard Daniel Nocera cree haber encontrado una forma viable de lograr dicho proceso: utiliza una bacteria, Ralstonia eutropha, que puede combinar hidrógeno con CO₂para crear combustible y biomasa con una eficacia del 11 por ciento. Según afirmó: «Logramos una fotosíntesis artificial de diez a cien veces mejor que en la naturaleza. […] Ya no es necesariamente un problema de química. Ni siquiera un problema tecnológico». En su opinión, el gran obstáculo ya está resuelto.

Ahora, es una cuestión económica, es decir, de si la industria y el Gobierno apoyarán el reciclaje de CO₂, dado su coste. Pamela Silver, que trabaja en este proyecto en Harvard, señalaba que utilizar microbios para completar el ciclo del carbono puede sonar extraño al principio, pero estos organismos ya se emplean a escala industrial para fermentar azúcar en el sector vinícola. Mientras, Peidong Yang, químico de la Universidad de California en Berkeley, también utiliza bacterias a las que se ha aplicado bioingeniería, pero de forma diferente. Emplea la luz para dividir el agua en hidrógeno y oxígeno mediante minúsculos nanohilos semiconductores, y luego en ellos cultiva bacterias que, a continuación, utilizan el hidrógeno para crear diversos productos químicos útiles, como butanol y gas natural.

Los ordenadores cuánticos pueden llevar la tecnología al siguiente nivel. Hasta ahora, gran parte de los avances en este campo se han realizado por ensayo y error, y han requerido cientos de experimentos con sustancias químicas exóticas. Por ejemplo, utilizar hidrógeno para convertir el CO2 en combustible es un proceso molecular complejo que requiere la transferencia de muchos electrones y la ruptura de muchos enlaces. Los ordenadores cuánticos podrían reproducir estos procesos químicos en una simulación y permitir a los químicos crear rutas cuánticas alternativas. Por ejemplo, el CO₂es el producto final de una serie de reacciones de oxidación. Los ordenadores cuánticos simularían formas de romper los enlaces de esta molécula para que puedan recombinarse con el hidrógeno y producir combustible.

Si los ordenadores cuánticos permiten llegar al paso final para crear la fotosíntesis y la hoja artificiales, podrían abrirse industrias completamente nuevas que proporcionarían otros tipos de placas solares eficientes, formas alternativas de cultivos y fotosíntesis de distintas clases. En el proceso, podrían utilizarse ordenadores cuánticos para hallar maneras de reciclar el CO₂, lo que supondría un gran avance en la lucha contra el cambio climático. Así, los ordenadores cuánticos desempeñarían un papel fundamental en el aprovechamiento de la potencia de la fotosíntesis, que convierte la energía de la luz solar en alimentos y nutrientes. Pero, para crear alimentos abundantes, el siguiente paso es disponer de fertilizantes que nutran los cultivos y los ayuden a prosperar. Una vez más, los ordenadores cuánticos pueden desempeñar un papel decisivo en la realización de este último paso crucial para alimentar el planeta.

Por irónico que parezca, a la persona pionera en este último paso, que hizo posible alimentar a miles de millones de personas y el avance hacia la civilización moderna, se la describe a veces no como a uno de los más grandes científicos de todos los tiempos, sino como a un criminal de guerra.