Un estudio descarta los condensados de Fröhlich en el modelo de consciencia cuántica

Los investigadores han descubierto que la formación de un condensado de coherente de Fröhlich requiere de altas temperaturas, haciéndolo incompatible con los sistemas biológicos, y por tanto un improbable componente del modelo Penrose-Hamerhoff de consciencia cuántica.

 Parte de los científicos no comprenden por completo cómo funciona la consciencia, hasta el momento, ninguna teoría clásica puede explicar la consciencia en el cerebro. A la luz de esta carencia, algunos investigadores sugieren que la mecánica cuántica puede desempeñar un papel importante en el funcionamiento de la mente y el cerebro. Las teorías de consciencia cuántica siempre han sido controvertidas, y ahora, un reciente estudio ha socava un componente más de estas propuestas.

Una teoría de la mente cuántica, propuesta por el físico Roger Penrose y el anestesiólogo Stuart Hamerhoff, es conocida como “reducción objetiva orquestada” (Orch OR). La teoría sugiere que los microtúbulos, que son componentes estructurales del interior de la célula, podrían funcionar como elementos de computación cuántica. Dentro de los microtúbulos, se mantiene la coherencia entre las superposiciones cuánticas hasta que la función de onda colapsa. Normalmente, una función de onda colapsa debido a una medida (es decir, la interacción del sistema y su entorno), pero aquí se postula que el colapso no tiene lugar hasta que las superposiciones cuánticas se separan físicamente dentro de la geometría del espacio-tiempo, lo que se conoce como “reducción objetiva”. Cuando un área de coherencia cuántica colapsa, tiene lugar un instante de consciencia.

La causa física de la actividad coherente dentro de los microtúbulos, tal y como sugieren Penrose y Hamerhoff, podrían ser los condensados de Fröhlich. Propuestos por el físico Fröhlich en 1968, los condensados de Fröhlich son similares a los condensados de Bose-Einstein en que ambos son sistemas con la propiedad colectiva única de coherencia cuántica macroscópica. En los condensados de Fröhlich, distintos osciladores vibratorios pueden lograr un estado condensado altamente ordenado que vibre en resonancia. Específicamente, casi todas las vibraciones ocurren en fase en las frecuencias menores del condensado de Fröhlich.

No obstante, los condensados de Fröhlich nunca se han observado inequívocamente en experimentos, a pesar de una intensa investigación durante los últimos 40 años. En un reciente estudio en PNAS, investigadores de la Universidad de Sidney y de la Universidad de Queensland en Australia han investigado las propiedades básicas de los condensados de Fröhlich en un intento por determinar los métodos más probables para observarlos experimentalmente. Los investigadores demostraron que se requieren unas temperaturas y energías extremas para formar un condensado coherente de Fröhlich y por tanto no pueden existir en los sistemas biológicos, tal y como propone la teoría Orch OR. Aún así, los condensados de Fröhlich podrían existir fuera de un entorno biológico, tal como la radiación de teraherzios, la cual podría tener aplicaciones médicas, y en reactores de microondas usados en aplicaciones de química “verde”.

“El modelo de Penrose-Hamerhoff es muy bueno al proporcionar una propuesta completa que implica la física y la biología, pero se queda corta en el área de la química – la naturaleza precisa de los movimientos atómicos implicados en la formación de los qubits cuánticos básicos”, dijo el autor jefe del estudio Jeffrey Reimers, profesor de química en la Universidad de Sidney, a PhysOrg.com. “Nuestra intención original era tomar sus propuestas y llevar a cabo simulaciones completas del movimiento de las proteínas y de esta forma proporcionar un modelo significativamente mejorado y mejor justificado de lo que formaría el núcleo de una posterior investigación”.

En lugar de esto, los investigadores encontraron que el modelo de Penrose-Hamerhoff tenía graves problemas debido a la naturaleza de la condensación de Fröhlich. En su estudio, los investigadores demostraron que, al contrario que los condensados Bose-Einstein, la condensación de Fröhlich es un proceso clásico que no garantiza un movimiento coherente. Los condensados de Fröhlich se clasifican en tres tipos (débiles, fuertes y coherentes), surgiendo cada tipo en distintas circunstancias. En los condensados débiles y fuertes, las vibraciones son incoherentes pero aún así pueden tener efectos profundos observables en distintos sistemas redistribuyendo la energía. En los condensados coherentes (el tipo que usa el modelo Orch OR), toda la energía vibratoria está en un único estado cuántico.

En los cálculos y simulaciones, los investigadores demostraron que los condensados coherentes de Fröhlich son muy frágiles y la coherencia dura un tiempo muy breve – menor que un único periodo vibratorio. Este hallazgo concuerda con las críticas al modelo Orch OR sobre que la coherencia cuántica se descohesionaría demasiado rápido para tener un impacto significativo en la función cognitiva. Además, los científicos demostraron que la formación de condensados coherentes de Fröhlich requieren de temperaturas y energías extremas – por encima de 100 millones de Kelvin, lo cual no es posible en ningún entorno biológico.

“Estrictamente, hemos demostrado que la condensación de Fröhlich no puede causar la consciencia cuántica, por lo que el reto entonces es encontrar otra formar de implementar el modelo Orch OR en el cual se garantice la coherencia mediante algún otro proceso en el que no se requiera la condensación de Fröhlich”, dijo Reimers.

No obstante, como desarrollan los investigadores en un próximo artículo, la implicación de otro proceso que no sea la condensación de Fröhlich parece improbable. Tal y como explica Reimers, se sabe que existe coherencia en muchos compuestos químicos análogos y sistemas biológicos, incluyendo másers y fotosíntesis, el segundo de los cuales es uno de los sistemas cuánticos más optimizados de la biología. No obstante, el tiempo de vida de la coherencia de estos sistemas es de apenas unos picosegundos, mientras que el modelo Orch OR requiere coherencia en una escala temporal que es al menos seis órdenes de magnitud mayor.

No obstante, los condensados de Fröhlich débil y fuerte pueden tener aplicaciones en la vida real, aunque no en teorías sobre la consciencia cuántica. Los investigadores encontraron que los condensados débiles podrían tener un efecto significativo sobre las proteínas, y podrían posiblemente ayudar a explicar la acciones enzimáticas en términos de excitación de modos de vibración, tal y como propuso Fröhlich originalmente.

Los investigadores también sugirieron métodos para observar los tres tipos de condensados. En el pasado, los investigadores han intentado observar condensados coherentes de Fröhlich canalizando una gran cantidad de energía mecánica en modo de vibración específico de un sistema. El actual estudio muestra que ninguna cantidad de energía mecánica puede producir un condensado coherente de Fröhlich. En lugar de esto, la forma más probable de producir condensados coherentes es exponiendo sistemas a radiación de teraherzios o usando reactores de microondas.

Observar los condensados débiles y fuertes de Fröhlich puede ser más fácil que observar los condensados coherentes, demostraron los investigadores. Por ejemplo, las fuentes de energía mecánica podrían ser capaces de producir condensados fuertes, y la interacción de la radiación con sistemas biológicos podría producir condensados débiles.