De fotones a energía: un análisis a nivel de partículas de los mecanismos fotosintéticos

Abstract

Este trabajo de graduación tuvo como objetivo describir cómo la mecánica cuántica juega un papel importante en la alta eficiencia de transferencia de energía en los sistemas fotosintéticos en organismos. Se describió el procedimiento desde la absorción de fotones hasta la transferencia electrónica hasta generar energía química a nivel cuántico. Se explicaron temas como el entrelazamiento circunferencialmente la dinámica de transferencia de energía en la fotosíntesis. Además, se pudo demostrar que los excitones, partículas cuánticas que facilitan el transporte de energía, son esenciales para poder entender la gran eficiencia fotosintética que estos organismos llegan a tener para transportar fotones de un lugar a otro. Asimismo, la investigación abarcó modelos teóricos. En el caso de absorción se abarcó la ley de Beer, que ayuda a explicar la absorbancia de un fotón en el cloroplasto, así como su intensidad. También se abarcaron modelos como el excitón de Frenkel y la teoría generalizada de Förster, que ayudaron a explicar la dinámica excitónica y la coherencia cuántica dentro de estos sistemas. Estos mismos modelos fueron luego corroborados mediante experimentos como la espectroscopia cuántica; lo cual luego se podrían llegar a utilizar para diseñar innovaciones tecnológicas como sistemas foto sintéticos artificiales o energía solar renovable. Se discutió incluso los efectos de factores ambientales como la luz y la temperatura en la eficiencia de la fotosíntesis y cómo estos organismos llegan a tener diferentes mecanismos para regular estos efectos. Este trabajo de graduación tiene como objetivo institucional impulsar y motivar nuevas investigaciones e integración de física cuántica y biología en la Universidad del Valle de Guatemala. Asimismo va a reforzar la reputación científica, creando colaboraciones interdisciplinarias y ampliando el conocimiento de biofísica en la universidad. Además, este trabajo impulsa a que se hagan nuevas investigaciones para futuras innovaciones tecnológicas, como mejoras en la conversión de energía solar o fotosíntesis artificial.

This graduation project aimed to describe how quantum mechanics plays an important role in the high efficiency of energy transfer in photosynthetic systems in organisms. The process was described from photon absorption through electronic transfer, leading to the generation of chemical energy at the quantum level. Topics such as quantum entanglement and quantum coherence were explained, as well as how these phenomena are strongly related to the dynamics of energy transfer in photosynthesis. In addition, it was demonstrated that excitons—quantum particles that facilitate energy transport—are essential for understanding the high photosynthetic efficiency that these organisms achieve in transporting photons from one location to another.

Likewise, the research addressed theoretical models. In the case of absorption, Beer’s law was discussed, which helps explain the absorbance of a photon in the chloroplast, as well as its intensity. Models such as the Frenkel exciton and generalized Förster theory were also examined, as they helped explain excitonic dynamics and quantum coherence within these systems. These same models were later corroborated through experiments such as quantum spectroscopy, which could subsequently be used to design technological innovations such as artificial photosynthetic systems or renewable solar energy technologies. The effects of environmental factors such as light and temperature on photosynthetic efficiency were also discussed, along with the different mechanisms organisms use to regulate these effects.

This graduation project also has the institutional objective of promoting and motivating new research and the integration of quantum physics and biology at Universidad del Valle de Guatemala. Likewise, it seeks to strengthen the university’s scientific reputation by fostering interdisciplinary collaborations and expanding knowledge in biophysics. In addition, this work encourages further research aimed at future technological innovations, such as improvements in solar energy conversion or artificial photosynthesis.