"Bactéria de Schrödinger" pode ser um marco na biologia quântica - Mistérios do Universo

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1 de novembro de 2018

"Bactéria de Schrödinger" pode ser um marco na biologia quântica

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Um experimento recente pode ter colocado organismos vivos em um estado de entrelaçamento quântico

O mundo quântico é estranho. Na teoria e até certo ponto, na prática, seus princípios exigem que uma partícula possa parecer estar em dois lugares ao mesmo tempo - um fenômeno paradoxal conhecido como superposição - e que duas partículas podem se tornar "entrelaçadas", compartilhando informações através de distâncias arbitrariamente grandes mecanismo desconhecido.

Talvez o mais famoso exemplo de estranheza quântica seja o gato de Schrödinger, um experimento imaginário inventado por Erwin Schrödinger em 1935. O físico austríaco imaginou como um gato colocado em uma caixa com uma substância radioativa potencialmente letal poderia, pelas estranhas leis da mecânica quântica, existir em uma superposição de estar morto e vivo - pelo menos até que a caixa seja aberta e seu conteúdo observado.

Por mais distante que pareça, o conceito foi experimentalmente validado inúmeras vezes em escalas quânticas. Escalado para o nosso mundo macroscópico aparentemente mais simples e certamente mais intuitivo, no entanto, as coisas mudam. Ninguém jamais testemunhou uma estrela, um planeta ou um gato em superposição ou um estado de entrelaçamento quântico. Mas desde a formulação inicial da teoria quântica no início do século 20, 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 para seus aspectos mais estranhos influenciarem intimamente os seres vivos? Nas últimas duas décadas, o campo emergente da biologia quântica buscou respostas para essas questões, propondo e realizando experimentos com organismos vivos que pudessem sondar os limites da teoria quântica.

Esses experimentos já renderam resultados tentadores, mas inconclusivos. No início deste ano, por exemplo, os pesquisadores mostraram que o processo de fotossíntese - por meio do qual organismos produzem alimentos usando luz - pode envolver alguns efeitos quânticos. Como os pássaros navegam ou como cheiramos também sugerem efeitos quânticos podem ocorrer de maneiras incomuns nos seres vivos. Mas estes apenas mergulham um dedo no mundo quântico. Até agora, ninguém conseguiu persuadir todo um organismo vivo - nem mesmo uma bactéria unicelular - a exibir efeitos quânticos como emaranhamento ou superposição.


Porém, um novo artigo de um grupo da Universidade de Oxford está agora levantando algumas sobrancelhas por causa de suas alegações de sucesso no entrelaçamento de bactérias com fótons - partículas de luz. Liderado pela física quântica Chiara Marletto e publicado em outubro 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. Nesse experimento, Coles e companhia sequestraram várias centenas de bactérias fotossintéticas de enxofre verde entre dois espelhos, encolhendo progressivamente a distância entre os espelhos até algumas centenas de nanômetros - menos do que a largura de um cabelo humano. Salientando a luz branca entre os espelhos, os pesquisadores esperavam fazer com que as moléculas fotossintéticas dentro das bactérias se unissem - ou interagissem - com a cavidade, essencialmente significando que as bactérias absorveriam, emitiriam e reabsorveriam continuamente os fótons saltantes. O experimento foi bem sucedido; até seis bactérias pareciam se acasalar dessa maneira.

Marletto e seus colegas argumentam que as bactérias fizeram mais do que apenas acoplar com a cavidade. Em sua análise, eles demonstram que a assinatura de energia produzida no experimento pode ser consistente com os sistemas fotossintéticos das bactérias, tornando-se emaranhados com a luz dentro da cavidade. Em essência, parece que certos fótons estavam simultaneamente atingindo e perdendo moléculas fotossintéticas dentro da bactéria - uma marca registrada do emaranhamento. "Nossos modelos mostram que esse fenômeno sendo registrado é uma assinatura do entrelaçamento entre a luz e certos graus de liberdade dentro das bactérias", diz ela.

De acordo com o co-autor do estudo, Tristan Farrow, também de Oxford, esta é a primeira vez que tal efeito foi vislumbrado em um organismo vivo. "Certamente é fundamental para demonstrar que somos de alguma forma para a ideia de uma 'bactéria de Schrödinger' se você preferir chamar assim", diz ele. E sugere outro exemplo potencial de biologia quântica emergente: as bactérias verdes do enxofre residem no oceano profundo onde a escassez de luz que dá vida pode até mesmo estimular adaptações evolutivas da mecânica quântica para impulsionar a fotossíntese.

Há muitas ressalvas em tais afirmações controversas, no entanto. Em primeiro lugar, a evidência para o emaranhamento neste experimento é circunstancial, dependente de como se escolhe interpretar a luz que escorre pelas bactérias confinadas na cavidade. Marletto e seus colegas reconhecem que um modelo clássico livre de efeitos quânticos também poderia explicar os resultados do experimento. Mas, é claro, os fótons não são clássicos - são quânticos. E, no entanto, um modelo “semiclássico” mais realista, usando as leis de Newton para as bactérias e as quânticas para fótons, não consegue reproduzir o resultado real que Coles e seus colegas observaram em seu laboratório. Isso sugere que os efeitos quânticos estavam em jogo tanto na luz quanto nas bactérias. "É um pouco indireto."

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 fez parte desta pesquisa, é um tanto quanto uma limitação. "Parece haver algo quântico acontecendo", diz ele. “Mas… geralmente se demonstrarmos emaranhamento, você tem que medir os dois sistemas independentemente” para confirmar que qualquer correlação quântica entre eles é genuína.

Apesar dessas incertezas, para muitos especialistas, a transição da biologia quântica do sonho teórico para a realidade tangível é uma questão de quando, e não de se. Em isolamento e coletivamente, moléculas fora dos sistemas biológicos já exibiram efeitos quânticos em décadas de experimentos de laboratório, portanto, procurar esses efeitos para moléculas semelhantes dentro de uma bactéria ou até mesmo de nossos próprios corpos pareceria bastante sensato. Em humanos e outros grandes organismos multicelulares, no entanto, tais efeitos quânticos moleculares devem ser calculados para a insignificância - mas sua manifestação significativa dentro de bactérias muito menores não seria muito chocante. “Estou um pouco preocupado com essa [surpreendente] descoberta”, diz Gröblacher. "Mas é obviamente emocionante se você puder mostrar isso em um sistema biológico real."

Vários grupos de pesquisa, incluindo os liderados por Gröblacher e Farrow, esperam levar essas idéias ainda mais longe. Gröblacher projetou um experimento que poderia colocar um pequeno animal aquático chamado de tardígrado em superposição - uma proposição muito mais difícil do que entrelaçar bactérias com a luz devido ao tamanho centenas de vezes maior de um tardígrado. Farrow está procurando maneiras de melhorar o experimento bacteriano; no ano seguinte, ele e seus colegas esperam envolver duas bactérias juntas, em vez de independentemente com a luz. “Os objetivos de longo prazo são fundamentais e fundamentais”, diz Farrow. “Trata-se de entender a natureza da realidade e se os efeitos quânticos têm utilidade nas funções biológicas. Na raiz das coisas, tudo é quântico ”, acrescenta ele, com a grande questão de saber se os efeitos quânticos desempenham um papel em como as coisas vivas funcionam.

Pode ser, por exemplo, que “a seleção natural criou formas de os sistemas vivos explorarem naturalmente os fenômenos quânticos”, observa Marletto, como o exemplo mencionado de fotossíntese de bactérias no mar profundo, faminto de luz. Mas chegar ao fundo disso requer começar pequeno. A pesquisa tem subido constantemente em direção a experimentos de macro-nível, com um experimento recente envolvendo milhões de átomos. Provar que as moléculas que compõem as coisas vivas exibem efeitos quânticos significativos - mesmo que para propósitos triviais - seria o próximo passo fundamental. Ao explorar esse limite clássico-quântico, os cientistas poderiam chegar mais perto de entender o que significaria ser macroscopicamente quântico, se tal ideia for verdadeira.

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