Un computador cuántico en el ojo del petirrojo

El petirrojo es un ave migratoria que utiliza como brújula magnética unas proteínas llamadas criptocromos situadas en la retina de sus ojos, según el biólogo Wolfgang Wiltschko (Universidad de Frankfurt). El físico cuántico Vlatko Vedral (Universidad de Oxford) cree que en el criptocromo se entrelazan cuánticamente varios electrones cuyos espines actúan como cubits. Según este especialista en computación cuántica, la Naturaleza ha logrado fabricar el primer computador cuántico, mucho antes que los propios físicos. La Naturaleza va por delante de los investigadores más osados y quizás el primer computador cuántico sea una versión biomimética del criptocromo. Nos lo contó el propio Vedral [1].

Un científico debe ser escéptico por naturaleza y luchar contra el sensacionalismo que prospera por doquier en la web. Yo mismo he caído en varias ocasiones en su trampa. Una noticia alucinante, a veces, se convierte en una alucinación. Me sorprendió la noticia que resumo en el párrafo anterior, publicada en Wired.com [2]. Una notica que abre con la foto de un petirrojo y cierra con una imagen en 3D de una molécula del fullereno C60 con un átomo de nitrógeno en su centro (llamada N@60). Según la noticia “los petirrojos pueden mantener un entrelazamiento cuántico en sus ojos durante 20 microsegundos, tanto como los laboratorios de física más avanzados.”

La fuente de la noticia es un artículo de Vedral publicado en Physical Review Letters (PRL) [3]. Un artículo en PRL es, a priori, una gran garantía de calidad científica. ¡Increíble! Efectos cuánticos en la brújula magnética de las aves migratorias y en particular en el petirrojo (Erithacus rubecula).

Tras 30 años de investigación sobre la brújula magnética de los petirrojos, Wiltschko y sus colegas publicaron en 2002 en Nature que ésta se encuentra en el ojo derecho del petirrojo [4]. Sus estudios demostraron que los petirrojos no pueden orientarse utilizando solo el ojo izquierdo. Sin embargo, este resultado ha sido criticado recientemente [5]. Un estudio independiente no ha encontrado dicha lateralización. Por supuesto, Wiltschko y sus colegan han contestado que el nuevo estudio realiza experimentos diferentes que no demuestran que su hipótesis del ojo derecho sea incorrecta [6]. Más aún, otro estudio reciente apunta a que la brújula magnética de los petirrojos se encuentra en su cerebro, en lugar de sus ojos [7]. Los experimentos con otras aves migratorias han demostrado que son capaces de sentir las variaciones del campo magnético terrestre incluso a ciegas, es decir, a oscuras. Este estudio, también publicado en Nature [7],  presentó indicios fuertes de que la brújula que le permite a los petirrojos orientarse en el campo magnético de la Tierra se encuentra en su cerebro, no en sus ojos. En concreto, en una región de su cerebro asociada a la visión, denominada Clúster N; si se desactiva esta región las aves no pueden utilizar su brújula magnética para orientarse.

Esté o no esté la brújula magnética de los petirrojos en su ojo derecho, en sus dos ojos, o en su cerebro, o en una combinación de ellos, la cuestión que justifica esta entrada es otra. Wiltschko y sus colegas publicaron en 2004, también en Nature, que la brújula magnética de los petirrojos está asociada a unas proteínas llamadas criptocromos que se encuentran en la retina de sus ojos [8]. El criptocromo tiene parte sensible a la luz, como la clorofila, denominada cromóforo. En moscas del vinagre se ha demostrado que esta molécula es sensible a campos magnéticos variables, por lo que Wiltschko y sus colegas no lo dudaron. El problema es que para publicar en Nature además de ofrecer un hipótesis hay que ofrecer una explicación. Había que explicar cómo actúa esta molécula fotorreceptora de la retina de los petirrojos para explicar su gran sensibilidad a las pequeñas variaciones del campo geomagnético.

En su artículo de 2004 [8], Wiltschko y sus colegas afirmaban que los petirrojos son capaces de percibir campos magnéticos variables de alta frecuencia, entre 0’1-10 MHz (megahercios), con una amplitud de solo un 1% del campo magnético terrestre; en números, unos 0’085 µT (microteslas) cuando el campo geomagnético a 66º norte medido por los autores del artículo era de 46 µT. Según los autores del artículo de Nature la única explicación posible para una sensibilidad tan alta es que las moléculas de criptocromo utilizan física cuántica y proponen al efecto Zeeman (el desdoblamiento de los niveles atómicos de los electrones en un átomo bajo el efecto de un campo magnético) como la explicación más razonable.

Aludir a efectos cuánticos en biología tiene un efecto “noticia” que encanta a los editores de revistas como Nature y Science, sobre todo desde que se observaron fenómenos cuánticos a temperatura ambiente (300 K) en la fotosíntesis de las plantas [9]. No voy a discutirlos en detalle, pero os recuerdo que se observó el entrelazamiento cuántico en los cromóforos de ciertas proteínas fotosensibles similares a la clorofila. Ahora bien, hay que recordar una cosa importante. Los ingenieros (sin usar ningún principio cuántico) han fabricado magnetómetros con una resolución de 0,1 nT (nanoteslas) mucho menores que los 85 nT (medidos por Wiltschko et al.).

Pero el artículo de Wiltschko de 2004 [8] no aclaraba los detalles de cómo actúa el efecto Zeeman como brújula magnética, por lo que ha habido varias propuestas teóricas al respecto. La más famosa es el motivo último de esta entrada, la propuesta de Vedral y sus colegas publicada en PRL. En dicho artículo proponen un nuevo modelo simplificado del funcionamiento de la brújula magnética basado en el entrelazamiento cuántico de los espines de los electrones que están en los niveles atómicos desdoblados por el efecto Zeeman (la estructura hiperfina inducida por el campo magnético aplicado). Su propuesta es que estos espines actúan como cubits que se entralazan y realizan una computación cuántica para medir las variaciones del campo geomagnético. El “pequeño” problema de esta propuesta es que se requiere que este entrelazamiento cuántico se mantenga en la proteína durante unos 20 microsegundos. En el artículo de Wired.com se preguntan ¿cómo es posible que un estado cuántico se preserve durante tanto tiempo en una proteína dentro de una célula viva? Ellos contestan que nadie sabe cómo pero que la evolución debe haber descubierto un mecanismo que protege el entrelazamiento cuántico en el criptocromo de los efectos de la decoherencia cuántica. ¡Increíble!

Increíble, pero yo no me lo creo. Como físico no me puedo creer que el entrelazamiento cuántico de los espines de pares de electrones se mantenga en una proteína a temperatura ambiente durante 20 microsegundos. En mi opinión, es un tiempo millones de veces más largo de lo razonable a temperatura ambiente. En laboratorio los físicos cuánticos logran entrelazar cubits durante unos microsegundos pero a muy baja temperatura (cerca del cero absoluto). Además, el entrelazamiento cuántico a temperatura ambiente (300 K) documentado en los cromóforos durante la fotosíntesis tiene una duración de unos 50 femtosegundos y los estudios teóricos indican que en el mejor de los casos puede alcanzar los 2 picosegundos [9]. Quizás hay que recordar que un microsegundo es un millón de picosegundos y mil millones de femtosegundos.

Lo dicho, no me puedo creer que en el ojo de un petirrojo se logre un entrelazamiento cuántico en el cromóforo de un criptocromo decenas de millones de veces más duradero que el que se observa en un cromóforo de la clorofila. No me puedo creer que el computador cuántico en los ojos del petirrojo contenga algún secreto oculto que le permita eludir la decoherencia cuántica y mantener el entrelazamiento cuántico de varios cubits durante un tiempo que ya le gustaría alcanzar a muchos físicos cuánticos. Soy escéptico, lo confieso, pero mientras no vea una prueba científica experimental del papel de la mecánica cuántica en la brújula magnética de las aves, no me puedo creer que estas especulaciones científicas sean la explicación más razonables a este complejo y fascinante fenómeno biológico.

Por cierto, hay otras explicaciones cuánticas para la brújula magnética de las aves, como nos contó MiGUi en “Las aves migratorias se orientan gracias al Efecto Zenón cuántico,” 18 de abril de 2008, quien también se hizo eco de esta noticia sobre Vedral en “Cómo las aves consiguen romper el récord del entrelazamiento cuántico,” 24 de junio de 2009. Permitidme acabar con una frase del propio MiGUi: “Los métodos que utilizan las aves migratorias para orientarse son algo fascinante,” todavía sin explicación, “y se han propuesto teorías muy controvertidas” para explicarlos.

Referencias para quienes quieran profundizar

[1] Vlatko Vedral, “Quantum computers – have birds got there first?,” Science Focus, 2011.

[2] Lisa Grossman, “In the Blink of Bird’s Eye, a Model for Quantum Navigation,” Wired.com, January 27, 2011.

[3] Erik M. Gauger, Elisabeth Rieper, John J. L. Morton, Simon C. Benjamin, & Vlatko Vedral, “Sustained Quantum Coherence and Entanglement in the Avian Compass,” Physical Review Letters 106: 040503, 25 January 2011.

[4] Wolfgang Wiltschko, Joachim Traudt, Onur Güntürkün, Helmut Prior & Roswitha Wiltschko, “Lateralization of magnetic compass orientation in a migratory bird,” Nature 419: 467-470, 3 October 2002.

[5] Christine Maira Hein, Svenja Engels, Dmitry Kishkinev & Henrik Mouritsen, “Robins have a magnetic compass in both eyes,” Nature 471: E1, 31 March 2011.

[6] Wolfgang Wiltschko, Joachim Traudt, Onur Güntürkün, Helmut Prior & Roswitha Wiltschko, “Wiltschko et al. reply,” Nature 471: E1, 31 March 2011.

[7] Manuela Zapka, Dominik Heyers, Christine M. Hein, Svenja Engels, Nils-Lasse Schneider, Jorg Hans, Simon Weiler, David Dreyer, Dmitry Kishkinev, J. Martin Wild, & Henrik Mouritsen, “Visual but not trigeminal mediation of magnetic compass information in a migratory bird,” Nature 461: 1274-1277, 29 October 2009.

[8] Thorsten Ritz, Peter Thalau, John B. Phillips, Roswitha Wiltschko & Wolfgang Wiltschko, “Resonance effects indicate a radical-pair mechanism for avian magnetic compass,” Nature 429: 179-180, 13 May 2004 [open access].

[9] Mohan Sarovar, Akihito Ishizaki, Graham R. Fleming, & K. Birgitta Whaley, “Quantum entanglement in photosynthetic light harvesting complexes,” Nature Physics 6: 462–467, 25 April 2010 [open access].

14 Comentarios

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MiGUi

Muy bueno. Me gusta bastante este tema porque hila con mi idea-conjetura de que la mente es un fenómeno emergente :P (Punset mode off)

Bueno, ya hablando más en serio. En el caso de las aves salen de vez en cuando cosas así, sobre el efecto Zenón y también sobre el entrelazamiento cuántico, intentando explicar por qué “ven” el campo magnético. Sin duda es impresionante ver el despliegue de herramientas que dispone la evolución. Sobre todo si pensamos que todo surge a base de pequeñas mutaciones favorecidas por el entorno.

Hacía falta un post sobre este tema aquí en Amazings. Muy bueno.

Ah, y gracias por la cita.

MiGUi

Ah, se me olvidaba.

Como dices (y bueno, decía yo XD) el tema es muy controvertido por lo delicado que es algo como el entrelazamiento cuántico. También me sorprende que no sea algo que se estudie de forma exhaustiva, quiero decir, en estos años he visto pocos papers al respecto, con cuentagotas.

Parece que no está nada claro, pero la posibilidad está ahí. Es indudable (o al menos yo lo creo así) que si las aves ven el campo magnético tenga que haber un fenómeno cuántico detrás que lo explique. Si es entrelazamiento o no, es el punto de la controversia.

Francis

Muchas gracias, Pedro, no conocía esa charla de Lloyd y merece la pena. Por cierto, el mecanismo cuántico en la fotosíntesis está bastante reforzado por los experimentos, pero no tiene nada que ver con el posible mecanismo en los petirrojos. Son dos mecanismos diferentes que han de ser demostrados de forma independiente. Recuerda en mi entrada, en la fotosíntesis hablamos de femtosegundos y en los pájaros de microsegundos. Para mí es una diferencia enorme.

omorenomalaveromorenomalaver

es una simple hipótesis, de esta a llegar a una teoría elegante, requiere que se inicie una investigación que permita definir su existencia real, mientras madure esta hipótesis, no tenemos mas ¿cierto?, por ejemplo yo diría que los petirrojos logran guiarse por las ondas sonoras que generan las campanillas del trineo de Papa Noel, ¿es una hipótesis? si, ¿es verídica?, por supuesto que no, ¿porque? a no ser que seas un niño no creo que lo tomes como verídico, pero en la conjetura de una forma cuántica que permita la navegación de los petirrojos, aun no hay algo que demuestre lo contrario, aunque claro, de acuerdo a los experimentos realizados en física cuántica con qbits , tiene todas las de perder, pero si gana, lo diría coloquial mente “se llevo el pozo acumulado de la lotería cuántica”

hover

No entiendo por qué en este tipo de estudios que están, digámoslo, “cogidos con pinzas” …. tienen que sacar siempre la connotación “cuántica”.
Parece que si a un estudio o una teoría le añades la coletilla “cuántico/a” lo sumerges como en un halo de misterio y esoterismo que le da más caché … y desde luego queda mucho más “cool”.

PapriviPaprivi

Al margen de lo probable o no de la investigación, a lo que sí me ha recordado es a lo que plantea Penrose en su teoría de la mente.

Carlos Reyes

Fabuloso artìculo Francis, esta es una forma muy adecuada de aplicaciòn de la cuàntica a lo cotidiano y la explicaciòn es muy didactica, para llegar a los resultados habrìa que tener mucha paciencia, perseverancia y un excelente investigador.

JuanKJuanK

las hipótesis de Vlatko Vedral, son muy controvertidas, como la que pretende que las partículas no tiene existencia real hasta que pierden coherencia, y antes de eso son solo información, un sujeto controvertido de mas

anonimosoanonimoso

Está pendiente de revisión por pares de Jesús Callejo y Bruno Cardeñosa.

El_CanoEl_Cano

Si que es inteligente este pajarito cuantico,
pero yo prefiero a la codorniz que es mas pendeja pero mas sabroza, :) jejeje

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