La mecánica cuántica explica cómo producen su fuerza los músculos

Músculo cuánticoLa mecánica cuántica explica el rango completo de curvas de fuerza-relajación que producen los músculos, de acuerdo con un nuevo estudio.

No hace mucho tiempo los biólogos habrían jurado sin pensárselo que su disciplina nunca se vería contaminada por los extraños efectos de la mecánica cuántica. Hoy, la biología cuántica es una disciplina emergente en muchos laboratorios de todo el mundo y sólo los más osados (o estúpidos) debaten contra la idea de que los efectos cuánticos desempeñan un importante papel en el funcionamiento de las moléculas biológicas, en células completas, e incluso en el cerebro.

Hoy, los músculos se añaden a esta lista. Tieyan Si del Instituto Max Planck para Sistemas Complejos en Dresden, Alemania, ha creado un modelo cuántico del comportamiento de un músculo. Su idea es que la miosina, el motor molecular indispensable para la contracción muscular, es, básicamente, un objeto cuántico y que su comportamiento se describe mediante la mecánica cuántica.

La parte importante de la fibra muscular consta de actina, que puede imaginarse como una cuerda, y la miosina, que es un motor molecular que funciona como un equipo de sogatira. La estimulación eléctrica pone en acción a los equipos, tirando de las sogas frenéticamente y provocando que se contraiga el músculo. La fuerza real que produce un músculo es el resultado de muchos motores de miosina tirando y relajándose, aunque no necesariamente en orden.

El reto para los teóricos es descubrir cómo estos motores moleculares generan la fuerza y las curvas de relajación que tienen lugar en los músculos reales. Esto está bien estudiado en sistemas tan diversos como el músculo del corazón mamífero y las alas de los insectos, y los biomecánicos saben desde hace tiempo que distintos tipos de músculos y distintas acciones musculares, producen distintas curvas de fuerza. Por ejemplo, las contracciones que se liberan rápidamente tienen una señal de fuerza distinta a las que se liberan lentamente. Explicar esto con una única teoría clásica no es fácil.

La aproximación de Si es simplemente suponer que cada motor de miosina es un objeto cuántico que puede tomar dos formas y que el cambio entre estas formas provoca la contracción. En otras palabras, tiene dos estados. (También estudia un sistema en el que la miosina tiene tres estados). La miosina cambia de un estado a otro absorbiendo energía y relajándose emitiéndola, y el efecto combinado todos los cambios determina el comportamiento de la fibra.

Entonces, una fibra muscular es, simplemente, una cadena de estos objetos cuánticos, para la cual es posible derivar matemáticamente el objeto conocido como Hamiltoniano, que describe su comportamiento. La cuestión que aborda Si es a qué tipo de curva fuerza-relajación lleva este Hamiltoniano.

Su respuesta es que “este sistema Hamiltoniano cuántico nos da la relación clásica fuerza-velocidad no sólo para una liberación rápida, sino también para una lenta y estados inestables”.

Demuestra que el sistema de dos niveles modela con precisión el comportamiento del músculo del corazón mientras que el de tres niveles el comportamiento del músculo de vuelo de un insecto.

Lo que Si no explica con claridad son los fallos de los modelos convencionales del comportamiento muscular, y por qué la aproximación cuántica es mejor. Tampoco hace Si ninguna predicción sobre el comportamiento de un músculo que no pueda hacer un modelo clásico.

No obstante, este es un impresionante primer paso hacia la descripción cuántica del comportamiento muscular. Y, como señala Si, hay mucho más trabajo por hacer para comprender el interfaz entre la cadena cuántica y las señales que las disparan, tales como señales eléctricas a lo largo de los nervios y el flujo de iones a través de las membranas que éstas disparan.


Artículo de Referencia: arxiv.org/abs/1004.3120: One Dimensional Chain Of Quantum Coherent Molecule Motors As A Model For Muscle Fibre

Fecha Original: 21 de abril de 2010
Enlace Original

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Comments (20)

  1. Como siempre esta en el avance de la ciencia un pionero con una idea sencilla encuentra un ajuste a la naturaleza mejor que el anterior y se abre una puerta a sabe Dios que.
    Enhorabuena y gracias.

  2. Hikikoster

    No veas, ahora cuando vaya al gimnasio, me vere haciendo dos ejercicios distintos a la vez, con el mismo muscle XD.

  3. Jurl

    Tengo un par de amig@s que están haciendo Biología y cuando les dé esta noticia se van a cagar en mis muelas xDD.

    Ya pueden irse poniendo todos en MC :)

  4. Tojeiro

    Un gran avance, seguro que esto trae nuevas ideas para la creación de músculos artificiales.¿ Terminaremos cambiando la hidráulica por músculos artificiales ?

  5. Hola, muy interesante la historia, aunque me he quedado un poco chafado al final cuando resulta que no hay predicciones. Bueno, al grano.

    Tan sólo refutar la siguiente frase.

    “No hace mucho tiempo los biólogos habrían jurado sin pensárselo que su disciplina nunca se vería contaminada por los extraños efectos de la mecánica cuántica.”

    Ya sé que el tiempo es relativo pero, uno de los libros más importantes que se han escrito en Biología es “¿Qué es la vida?” de Erwin Schrödinger publicado en 1944. Y ya en los años 80 se estudiaba en la asignatura de “Biofísica” algo de química cuántica cuando te explicaban los canales de membrana. Lo que si es cierto es que cada vez hay más trabajos sobre efectos cuánticos en los diversos procesos biológicos. Pero eso no es porque no haya habido gente que los intentara estudiar, sino que no había herramientas para hacerlo. Ahora ya existen los microscopios de fuerza atómica, las trampas ópticas, nanoelectrodos, láseres de precisión, etc.

    Así que no veo porque hay que inocular de microbiota fecal las piezas dentales de nadie ;-)

    • Jurl

      Si es por mí, es porque hago referencia a personas que les resulta más fácil como estrategia para aprobar exámenes la chapatoria vil que “rallarse” la cabeza con extrañas inscripciones y sus algebraicas propiedades xD. Digamos que hay gente que le gusta más la historia natural en su sentido más directamente sensorial y en razonamientos verbalizables que las descripciones matemáticas de ésta y sus razonamientos numerales, y obviamente eso puede suponer -y supondrá- un esfuerzo extra en sus carreras (no pain, no gain). Y si alguien ejerce de díptero escrotal al respecto, lógicamente toda paciencia llega un momento que se agota xD

  6. ¡Fascinante sin duda!

    ¡La ciencia siempre nos sorprende!

  7. hay que tener cuidado con el termino biologia cuantica ya saben por que?

    si la miosina tiene efectos no me quiero ni imaginar lo que los neotransmisores tendran. :>

  8. Theogonist

    Bueno, y basándose en qué argumenta ud. cosas como “sólo los más osados (o estúpidos) debaten contra la idea de que los efectos cuánticos desempeñan un importante papel en el funcionamiento de las moléculas biológicas, en células completas, e incluso en el cerebro”.

    Este comentario insultante, no me ha parecido que venga en el artículo original, es decir, es de su propia cosecha.

    ¿Me puede ud. mencionar algún estudio serio que apoye el funcionamiento cuántico del cerebro? Y con serio, me refiero a que no sea de Penrose, Sheldrake o Eccles.

    Saludos.

    • Jurl

      Chí questá :P

      Today, quantum biology is an emerging discipline in many labs around the world and only the brave (or stupid) now argue against the idea that quantum effects play an important role in the workings of biological molecules, entire cells and even the brain.

      Si tal brave se podría haber traducido de otra manera (aunque creo que el sentido es manifestadamente ese), pero stupid no deja lugar a dudas…

      • Theogonist

        Mis disculpas entonces.

        Yo leí esto y ahí no aparece: http://arxiv.org/PS_cache/arxiv/pdf/1004/1004.3120v1.pdf

        ¿Me he equivocado en la fuente? ¿Alguien tiene el link correcto?

        • Jurl

          Donde pone, en azul, “Enlace original”. A mí me ha pasado lo mismo que a ti un montón de veces en infinidad de páginas xD. Una cosa de esta página es que es un escándalo, me aparece un artículo (original) en el correo o chismes de esos, lo leo, y me vengo aquí y zas… ya está traducido xDD. Ya sólo falta que los vea aquí *antes* de que me llegue el original xDD. Bueno, pues el otro día tradujeron uno parecido al que había leído (el mismo tema, pero otra redacción), y claro, al leerlo a toda velocidad yo pensando para mí… “pero cómo se les ha ido la pinza, qué pasa aquí” xDDD, claro, me dije, esto no puede ser, pero creo que aun tardé 2-3 min en darme cuenta de lo que pasaba.

    • El diablo

      La palabra “estupido” (que bien se hubiera podido omitir en la traduccion) demustra hostilidad hacia ideas contrarias, como si el autor poseyera una verdad irrevocable en este campo. Este tipo de vocabulario agresivo tiene un efecto contrario al menoscabar la credibilidad de lo expuesto, ya que denota una actitud cerrada hacia tesis alternas.

      Saludos

  9. pablo

    Esto se caía de maduro. No existe explicación clásica al funcionamiento de cualquier tipo de motor molecular, ni siquiera del AND o ARN. Sabemos perfectamente como son hasta el mas íntimo átomo y tenemos una idea de como deven comportarse, pero ver como funcionan, se pliegan, se trasladan, se enlazan, se duplican, en la vida misma diaria, es todavía un sueño lejano. Mucho deve aportar el comportamiento cuántico a esos icreíbles niveles de pequeñés. Es un universo completo por descubrir.
    Bien por este avance.

  10. Juan Carlos

    Siendo “de letras”, es posible que diga algo fuera de lugar; pero leyendo este artículo he llegado a la conclusión de que también el lenguaje (y si me apuran hasta el pensamiento) tendrá una explicación cuántica.

    • Jurl

      Explicación cuántica tiene literalmente todo, porque es una descripción del universo xD. La cosa se evalúa a efectos prácticos, si es necesario poner en danza a toda la MC con su artillería, o basta una explicación más sencilla de una simplificación de un caso particular. Me explico: cuando en física escolar se explica el tiro parabólico se recurre a la simple y sencilla mecánica newtoniana, ni siquiera se consideran complicaciones de ésta (movimiento de un sólido a través de un fluido, en régimen turbulento además, efecto Magnus, crepitaciones térmicas, comportamiento del sólido proyectil, efecto de las ondas de choque sobre la materia en desplazamiento), ni mucho menos se efectúa el cálculo por ejemplo desde las ecuaciones relativistas. Obviamente sería mucho más exacto tener en cuenta todo esto, pero la diferencia a efectos prácticos de nuestra mente y nuestra voluntad no compensa el consumo de recursos xD.

      Ni te digo nada metiendo en juego la MC.

      Ahora, lo que pasa es que para la correcta descripción de los fenómenos bioquímicos, es decir, biológicos, no bastan simplificaciones sobre casos particulares, y es necesario meter a la MC con toda la artillería. Otras aproximaciones simplemente no resuelven el problema.

      Esto lo entiende perfectamente todo aquel que haya estudiado una asignatura como Química Física (nombre peculiar donde los haya). La QF utiliza lo que le conviene sin ningún pudor para llegar a donde quiere, e incluso trocea las demostraciones para saltar de la termodinámica estadística a la MC sin el menor sonrojo. Técnicamente le dicen aproximaciones, pero realmente se debería decir chapuza, porque matemáticamente de elegante no tiene nada. Se ve claramente cuando explican por ejemplo el enlace iónico: se puede hacer una aproximación electrostática “clásica” (de campo electromagnético), a la que hay que hacerle un montón de trapalladas, o se puede hacer la aproximación mecanocuántica, considerablemente más complicada, a la que se le hacen otro montón de trapalladas para poder meterle mano.

      Creo que me explico de puta pena…

  11. la mecanica cuantica es mas que todo lo que nos rodea abarca desde tu caminado hasta tu forma de pensar ante las personas nadie entiende que rayos es cuantica pues yo menos solo se que los patrones musculares se pueden alterar y puedes alterar a patrones a distancia pongo por ejemplo las computadoras inalambricas lo que pienso que todos tenemos un poquito de mierda en nuestras neuronas que nos hacen ser diferentes a los demas y abase de eso ocurren efectos domino.
    cada computadora puede conectarse inalambricamente aun modem un modem es un emitidor de senial y solo hace falta una pequenia configurancion para entrar en la red del modem tambien existen computadoras inalambricas que hackean a otras computadoras existe mucha distorcion en nuestra vida desde nuestro primeros comiensos de evolucion hasta hoy en dia

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