A “BACTÉRIA SCHRÖDINGER” E O FUTURO DA BIOLOGIA QUÂNTICA.

Uma nova análise de uma experiência recente de bactérias fotossintéticas sugere que os pesquisadores podem ser capazes de nos entregar algum estado de emaranhamento, mostrando pela primeira vez o impacto das propriedades estranhas do mundo quântico de criaturas vivas, e marcando a transição da biologia quântica da hipótese teórica à realidade tangível.

Microfotografia de colônias filamentosas da bactéria fotossintética Oscillatoria sp. cianobactérias (SPL / AGF)

O mundo quântico é estranho. Em teoria, e até certo ponto na prática, seus princípios exigem que uma partícula possa aparecer simultaneamente em dois lugares – um fenômeno paradoxal conhecido como sobreposição – e que duas partículas possam se tornar “emaranhadas“, compartilhando informações sobre distâncias arbitrariamente grandes e mecanismos ainda desconhecidos.

Talvez o exemplo mais famoso da esquisitice quântica é o gato de Schrödinger, um experimento mental proposto por Erwin Schrödinger em 1935. O físico austríaco imaginou um gato localizado dentro de uma caixa junto com uma substância radioativa potencialmente letal, por as estranhas leis da mecânica quântica, existe um estado sobreposto emqie o gato está tanto morto quanto vivo, pelo menos até que a caixa seja aberta e seu conteúdo seja observado.

Este conceito foi experimentalmente validado inúmeras vezes em escalas quânticas. Na escala de nosso mundo macroscópico, aparentemente mais simples e certamente mais intuitivo, as coisas mudam. Ninguém jamais viu uma estrela, um planeta ou um gato em estado de sobreposição ou emaranhamento quântico.

Interpretação artística do “gato Schrödinger”, vivo e morto (© Science Photo Library RF / AGF)

Mas desde a formulação inicial da teoria quântica, no início do século XX, os cientistas se perguntam onde exatamente os mundos microscópico e macroscópico se cruzam. Quão grande pode ser o reino quântico? E poderia ser grande o suficiente porque seus aspectos estranhos influenciam profunda e claramente os seres vivos?

Nas duas últimas décadas, o emergente campo da biologia quântica tentou responder a essas questões, propondo e realizando experimentos com organismos vivos que poderiam ser capazes de sondar os limites da teoria quântica.

Estas experiências eles já deram resultados atraentes, mas não conclusivos.
No início deste ano, por exemplo, alguns pesquisadores mostraram que o processo de fotossíntese – no qual os organismos produzem nutrientes usando a luz – pode resultar em alguns efeitos quânticos. A maneira como os pássaros navegam ou cheiram odores sugere que os efeitos quânticos podem ocorrer de maneira incomum nos seres vivos.

Mas esses estudos tocam apenas a superfície do mundo quântico. Até agora, ninguém jamais conseguiu induzir um organismo vivo inteiro – nem mesmo uma bactéria, unicelular – a mostrar efeitos quânticos como emaranhamento ou sobreposição.

Como resultado, um novo artigo de um grupo de pesquisadores da Universidade de Oxford está fazendo várias frentes para suas alegações sobre o sucesso de um experimento de entrelaçamento entre bactérias e fótons, partículas de luz.

Dirigido pela física quântica Chiara Marletto e publicado em no “Journal of Physics Communications , o estudo é uma análise de um experimento realizado em 2016 por David Coles, da Universidade de Sheffield, e seus colegas.

Neste experimento, Coles e colegas tinham colocado entre dois diferentes espelhos centenas de bactérias sulfurosas verdes, que são fotossintéticas, e, em seguida, reduziu gradualmente a distância entre os espelhos até algumas centenas de nanômetros, que é muito menos do que a espessura de um cabelo humano. Soltando a luz branca entre os espelhos, os investigadores esperaram que as moléculas da fotossíntese no interior das bactérias interagissem com a cavidade, o que significa essencialmente que as bactérias continuariam a absorver e emitir fotons que saltavam. O experimento foi bem sucedido: até seis bactérias foram emparelhadas dessa forma.

No entanto, Marletto e seus colegas argumentam que as bactérias não só interagiram com a cavidade. Em sua análise, eles mostram que o sinal energético produzido no experimento pode ser consistente com os sistemas fotossintéticos de bactérias entrelaçadas com luz dentro da cavidade.

Em essência, parece que alguns fótons foram atingidos e faltaram moléculas fotossintéticas dentro das bactérias, uma marca do emaranhamento. “Nossos modelos mostram que o fenômeno registrado é a assinatura de um entrelaçamento entre a luz e certos graus de liberdade dentro das bactérias”, diz ele.

De acordo com o co-autor do estudo, Tristan Farrow, também de Oxford, é a primeira vez que tal efeito foi vislumbrado em um organismo vivo. “É certamente a chave para demonstrar que estamos de alguma forma perto da ideia da ‘bactéria de Schrödinger'”, diz ele. Ele sugere um outro exemplo potencial da biologia quântica na natureza: as bactérias Chlorobi vivem no oceano profundo, onde a falta de luz, a fonte da vida, pode até estimular adaptações evolutivas quântica para aumentar a fotossíntese.

Essas declarações controversas, no entanto, devem ser tomadas com muita cautela. Em primeiro lugar, nesta experiência, a evidência a favor do emaranhamento é circunstancial.

Marletto e seus colegas reconhecem que os resultados do experimento também poderiam ser explicados por um modelo clássico desprovido de efeitos quânticos. Mas, naturalmente, os fótons não são clássicos: são quânticos. No entanto, um modelo “semiclássico” mais realista que usa as leis de Newton para bactérias e as quânticas para fótons não consegue reproduzir o resultado real que Coles e seus colegas observaram em seu laboratório, sugerindo que os efeitos quânticos estavam agindo tanto na luz quanto nas bactérias. “A evidência é um pouco indireta, mas acho que é só porque eles estão tentando ser rigorosos e excluir as coisas e reivindicar demais”, diz James Wootton, que lida com computação quântica no Laboratório de Pesquisa da IBM em Zurique e não está envolvido em dois artigos.

Representação artística de dois átomos em um estado de entrelaçamento quântico (© Science Photo Library RF / AGF)

A outra advertência: as energias das bactérias e do fóton foram medidas coletivamente, não de forma independente. Isso – de acordo com Simon Gröblacher da Universidade de Tecnologia de Delft, na Holanda, que não participou desta pesquisa – é, de certa forma, uma limitação. “Parece que algo quântico está acontecendo”, diz ele. “Mas … geralmente, se você mostrar emaranhamento, você precisa medir os dois sistemas independentemente” para confirmar se qualquer correlação quântica entre eles é autêntica.

Apesar dessas incertezas, para muitos especialistas, a passagem do sonho teórico da biologia quântica para a realidade tangível é uma questão de “quando”, e não “se”.

Fora dos sistemas biológicos, as moléculas, consideradas isoladamente e coletivamente, já mostraram efeitos quânticos em décadas de experimentos de laboratório, então a busca por esses efeitos para moléculas similares dentro de uma bactéria ou mesmo de nosso próprio corpo pareceria bastante sensato.
Em humanos e outros grandes organismos multicelulares, no entanto, efeitos quânticos moleculares semelhantes geralmente devem ser insignificantes, mas sua manifestação significativa dentro de bactérias muito menores não seria uma surpresa chocante. “Estou um pouco surpreso com a surpresa desta descoberta”, diz Gröblacher. “Mas é obviamente excitante se pode ser demonstrado em um sistema biológico real”.

Vários grupos, incluindo os liderados por Gröblacher e Farrow, esperam continuar essas idéias. Gröblacher desenvolveu um experimento que poderia colocá-lo em um estado de sobreposição de um animal aquático pequeno, um tardigrado, que é muito mais difícil do que criar um entrelaçamento entre as bactérias e a luz, pois o tamanho do tardigrados e centenas de vezes maior.

Farrow está procurando maneiras de melhorar o experimento das bactérias; No ano que vem, ele e seus colegas esperam colocar duas bactérias no entrelaçamento, e não com a luz de forma independente. “Os objetivos de longo prazo são fundamentais “, diz Farrow. “Trata-se de entender a natureza da realidade e se os efeitos quânticos são úteis para funções biológicas.” Na raiz das coisas, tudo é quântico”, acrescenta, aludindo à questão de saber se os efeitos quânticos desempenham um papel no funcionamento dos seres vivos.

Pode ser, por exemplo, que “a seleção natural encontrou uma maneira de explorar naturalmente os fenômenos quânticos”, observa Marletto, como no exemplo mencionado da fotossíntese em bactérias de profundezas de luz do mar. Mas, para chegar ao fundo de tudo isso, é necessário começar com pequenas dimensões.

A pesquisa tem se concentrado constantemente em experimentos em nível macro, com um experimento recente que envolveu com sucesso milhões de átomos. Provar que as moléculas que compõem os seres vivos mostram efeitos quânticos significativos – mesmo que para propósitos triviais – seria um próximo passo fundamental. Ao explorar essa fronteira entre o mundo quântico e o mundo clássico, os cientistas poderiam entender o que significa ser macroscopicamente quântico, se tal idéia fosse verdadeira.

Fonte: Le Scienze

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