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Uma bactéria de Schrodinger pode representar um marco para a biologia quântica

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

Army Research Laboratory

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 possam se tornar "entrelaçadas", compartilhando informações através de distâncias arbitrariamente grandes, através de um mecanismo ainda 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 que um gato colocado em uma caixa com uma substância radioativa potencialmente letal poderia, pelas estranhas leis da mecânica quântica, existir em uma superposição de estados de morto e de 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. Mas ao ser transferido para o nosso mundo macroscópico, aparentemente mais simples e certamente mais intuitivo, as coisas mudam. Ninguém jamais testemunhou uma estrela, um planeta ou um gato em superposição ou em 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? Ele poderia ser grande o suficiente a ponto de 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 interessantes, 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. O modo como os pássaros navegam, ou como sentimos os cheiros também sugerem efeitos quânticos que podem ocorrer de maneiras incomuns nos seres vivos. Mas estes são exemplos que adentram muito superficialmente o mundo quântico. Até agora, ninguém conseguiu levar um organismo vivo inteiro - nem mesmo uma bactéria unicelular - a exibir efeitos quânticos como o entrelaçamento ou a superposição.

Por isso o novo artigo de um grupo da Universidade de Oxford está surpreendendo algumas pessoas por alegar sucesso no entrelaçamento de bactérias com fótons - as partículas da luz. Tendo como principal autor a física Chiara Marletto, e publicado em outubro na revista 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 sua equipe isolaram várias centenas de bactérias fotossintéticas de enxofre verde entre dois espelhos, encolhendo progressivamente a distância entre os espelhos até chegar no pequeno espaço de algumas centenas de nanômetros - menor do que a largura de um fio de cabelo humano. Ao ressaltar a luz branca entre os espelhos, os pesquisadores esperavam fazer com que as moléculas fotossintéticas dentro das bactérias se unissem - ou interagissem - com o espaço, essencialmente significando que as bactérias absorveriam, emitiriam e reabsorveriam continuamente os fótons saltantes. O experimento foi bem sucedido; até seis bactérias pareciam ter se ligado dessa maneira.

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

De acordo com um dos autores do estudo, Tristan Farrow, também de Oxford, esta é a primeira vez que tal efeito foi visto em um organismo vivo. "Certamente é fundamental para demonstrar que estamos de alguma forma próximos à ideia de uma bactéria de Schrödinger", diz ele. E sugere outro exemplo potencial de biologia quântica emergente: as bactérias verdes do enxofre residem no oceano profundo, onde a escassez da luz necessária para a vida poderia estimular a ocorrência de adaptações evolutivas com propriedade de física quântica para favorecer a ocorrência de fotossíntese.

Há muitas ressalvas em tais afirmações controversas, no entanto. Em primeiro lugar, a evidência para o entrelaçamento neste experimento é circunstancial, dependente de como se escolhe interpretar a luz que entra e sai das 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 que fótons não têm comportamento clássico, e sim quântico. 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, mas acho que é porque eles estão tentando ser rigorosos em descartar as coisas e evitando fazer afirmações demais", diz James Wootton, pesquisador de computação quântica do Laboratório de Pesquisa da IBM em Zurique, que não estava envolvido no artigo.

Outra advertência é que as energias das bactérias e dos fótons foram medidos 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, de certa forma, uma limitação. "Parece haver algo quântico acontecendo", diz ele. “Mas…geralmente para demonstrarmos o entrelaçamento é preciso 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 apenas uma questão de tempo. Tanto individualmente quanto coletivamente, moléculas que não pertencem a sistemas biológicos já exibiram efeitos quânticos em décadas de experimentos de laboratório. Portanto, procurar esses efeitos em moléculas semelhantes dentro de uma bactéria, ou até mesmo dentro de nossos próprios corpos, pareceria algo bastante sensato. Em humanos e outros grandes organismos multicelulares, no entanto, tais efeitos quânticos moleculares devem ser calculados a níveis diminutos - mas uma manifestação significativa dentro de bactérias muito menores não seria algo 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 - um objetivo muito mais difícil do que enredar bactérias com a luz devido ao tamanho centenas de vezes maior de um tardígrado. Farrow está procurando maneiras de melhorar o experimento com bactérias; no ano seguinte, ele e seus colegas esperam envolver duas bactérias juntas, em vez de independentemente com a luz. “Os objetivos a longo prazo são 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, a grande questão é saber se os efeitos quânticos desempenham um papel em como as coisas vivas funcionam.

Pode ser, por exemplo, que “a seleção natural tenha criado formas de os sistemas vivos explorarem naturalmente os fenômenos quânticos”, observa Marletto, como o exemplo mencionado de fotossíntese de bactérias no mar profundo, onde a luz é escassa. Mas para entender a fundo isso é preciso começar aos poucos. A pesquisa tem evoluído constantemente em direção a experimentos de nível macro, e há 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 quântico clássico, os cientistas poderiam chegar mais perto de entender o que significaria ser macroscopicamente quântico, se tal idéia for verdadeira.

Jonathan O`Callaghan

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