Científica Colombiana Investiga Procesos Cuánticos que Sostienen la Vida en la Tierra

Entrevista con Alexandra Olaya-Castro, profesora del Departamento de Física y Astronomía del University College de Londres, en el Reino Unido; Medalla Maxwell 2016 y elegida UNESCO-IYQ 2025 Quantum 100

La vida en nuestro planeta depende del Sol. Cuando miramos una hoja de un árbol, estamos en presencia de una maquinaria molecular, invisible a nuestros ojos, que captura fotones, iniciando un proceso que sostiene casi todas las formas de vida: la fotosíntesis.

¿Cómo funciona esta fábrica biomolecular, y cómo logra transformar la energía de la luz solar primero en energía electrónica y luego en energía química con una eficiencia asombrosa? Son preguntas fundamentales que mantienen ocupada la mente de la física teórica colombiana Alexandra Olaya-Castro, profesora y actual líder de la sección de Biofísica del Departamento de Física y Astronomía del University College London (UCL).

Alexandra comienza nuestro encuentro virtual aclarándonos, con su rostro iluminado, que la naturaleza es un laboratorio de sensores de la luz extraordinarios:

“La naturaleza está llena de fotorreceptores que los organismos vivos han desarrollado para adaptarse al ambiente. Los procesos biológicos que usan sensores de luz son fundamentales. Uno de ellos es la fotosíntesis, pero hay muchos otros. Por ejemplo, la proteína rodopsina, el sensor de luz del ojo humano, es un detector muy potente de fotones. Entonces, la fotosíntesis es solamente un ejemplo, pero la cantidad de fotorreceptores y procesos que son iniciados con la luz en la naturaleza son muchos.”

El proceso de absorción de la luz por parte de biomoléculas en los organismos que hacen fotosíntesis es de naturaleza cuántica. Esta absorción transforma la energía de los fotones en energía de excitación electrónica y entonces se inicia un proceso de transferencia de esta excitación electrónica dentro de cada biomolécula y entre biomoléculas, con una eficiencia que ninguna máquina construida por el ser humano ha logrado reproducir.

Alexandra nos explica que muchos de estos procesos se sitúan en la frontera entre la física cuántica y la física clásica: allí donde varios fenómenos no pueden explicarse satisfactoriamente con métodos clásicos, ni semiclásicos.

“Ya desde el doctorado me había interesado ver cómo, luego de absorber la energía, estas biomoléculas la transfieren de una molécula a otra molécula y luego a otra de una manera muy eficiente y así hasta que generan el proceso químico que tienen que generar. Entonces, comparamos con las aproximaciones clásicas, si esas aproximaciones son suficientes para describir el fenómeno o si es necesario usar física cuántica.”

La mecánica cuántica como escenario para enfrentar lo contraintuitivo

Para Olaya-Castro, estudiar sistemas que pueden ser excitados con luz es una elección estratégica: lo que se puede medir facilita el diálogo entre los experimentos y la teoría. En ese diálogo aparece la óptica cuántica, el área de la física que estudia cómo la materia absorbe y emite energía a escalas donde los métodos clásicos dejan de funcionar.

“Necesitamos de la mecánica cuántica para entender estos procesos, ya que suceden en unas escalas de tiempo extremadamente cortos: van entre unos pocos cientos de femtosegundos a un picosegundo [la billonésima parte de un segundo] pero la emisión de la luz de estas moléculas ocurre en el nanosegundo. O sea, mucho después. Entonces, este tiempo que manejan estos procesos, no tenemos más opción que describirlo de manera cuántica.”

En esas escalas de tiempo del orden de femtosegundos predominan procesos electrónicos y nucleares ultrarrápidos que requieren una descripción cuántica.

Pero, ¿qué impulsó a Alexandra Olaya-Castro a dedicarse a comprender los procesos cuánticos?   

En este sentido, explica que para ella la mecánica cuántica no es solo un marco teórico, sino una invitación permanente a dudar. Conceptos como el principio de incertidumbre o la dualidad onda-partícula la atraparon desde muy joven porque obligan a replantear lo que significa entender los fenómenos.

“Mi interés por la cuántica comenzó desde el bachillerato, cuando me enfrenté a conceptos que contradicen la intuición como el principio de incertidumbre: mientras más conozco la posición tienes menos resolución para medir la velocidad. Y muchos otros conceptos que necesitas aprender para describir el átomo, conceptos contraintuitivos, pero que a la vez son predictivos”.

Cuando una gráfica convierte tu investigación en un hito

Durante su doctorado en la Universidad de Oxford, Alexandra Olaya-Castro recuerda una noche que aún hoy la emociona. A las 2:00 am, llevaba horas esperando por una gráfica que describía el comportamiento de los átomos dentro de una cavidad.

“Si tienes acoplos iguales, todo es muy simétrico, cuando tú tienes muchas simetrías en mecánica cuántica, se restringe la dinámica del sistema”, aclara. Cuando finalmente apareció la gráfica, la simetría se había roto y, con ello, se abría la puerta a fenómenos que no existen en sistemas demasiado ordenados. “Recuerdo tener esa gráfica que mostraba lo que pasaba cuando se rompía esa simetría; estaba supercontenta”.

En 2014, ya siendo profesora de UCL, Olaya-Castro y su estudiante doctoral Edward O’Reilly publicaron un resultado fundamental en Nature Communications, donde demuestran cómo ciertas vibraciones de los pigmentos que conforman los complejos biomoleculares, y que asisten la transferencia de excitación electrónica en los primeros pasos de la fotosíntesis, se comportan de manera colectiva, lo que conlleva a exhibir fenómenos indiscutiblemente cuánticos. 

“Mi hipótesis era que esas vibraciones no se comportaban como uno esperaría clásicamente, sino que allí había un proceso cuántico. Y es algo que no se había investigado mucho. Entonces yo formulé la hipótesis de lo que teníamos que probar  y cuáles serían las técnicas que utilizaríamos para verlo.” Alexandra recuerda, sonriente, cuando su estudiante entró en su oficina con la gráfica en la mano, una gráfica que mostraba, efectivamente, la presencia de procesos cuánticos que no tienen un análogo clásico. “Escribimos el paper y lo mandamos a Nature Communications y fue relativamente rápido publicar este resultado,” rememora. “A veces publicar puede tener obstáculos adicionales si tú tienes un nombre como el mío”, subraya.

Esa investigación le valió a Alexandra Olaya-Castro la Medalla Maxwell del Instituto de Física del Reino Unido en 2016, “por su contribución al entendimiento teórico de los fenómenos cuánticos en biomoléculas”.

Alexandra habla con entusiasmo de sus estudiantes, explica que cada estudiante trae consigo un descubrimiento. Y cada descubrimiento, ya sea una gráfica o una confirmación experimental al otro lado del mundo, representa una victoria.

En 2019, otro de sus estudiantes, Stefan Siwiak-Jaszek, investigó los fenómenos cuánticos asociados a la sincronización de las vibraciones moleculares que asisten la transferencia de energía: la posibilidad de que distintos modos se coordinen entre sí mientras la energía se transfiere. “Se me ocurrió investigar si estos modos se sincronizan a medida que la energía se va transfiriendo.”  Este resultado se mantuvo como una predicción teórica hasta que, en 2024, un equipo de investigación en China  logró medir las predicciones de Olaya-Castro y su estudiante. “Eso me hizo muy feliz. Ver que alguien se sentó a estudiar nuestros análisis, hizo los experimentos y midió lo que nosotros predecíamos, fue un momento muy emocionante.”

Sin embargo, sus logros exigieron superar obstáculos que otros científicos no tuvieron que sortear. Mujer y latinoamericana, los sesgos no han dejado de estar presentes a lo largo de su carrera. Alexandra nos comenta sobre las dificultades que ha enfrentado debido a esos sesgos y los mecanismos que implementa para romper los estereotipos. 

Romper el estereotipo: ser mujer, científica y latinoamericana en Europa

A su llegada a Inglaterra, durante el doctorado en Oxford, el sistema de colleges le ofreció redes de apoyo que amortiguaron las diferencias. Pero conforme fue avanzando y haciéndose más visible en la comunidad científica europea, las barreras se volvieron imposibles de ignorar. “Yo no estaba tan consciente de las barreras que uno puede enfrentar siendo mujer en física hasta que llegué a Inglaterra”.

Un episodio que la marcó, ocurrió en una conferencia internacional cuando un investigador muy reconocido le preguntó si estaba allí para servir el vino.

“En ese momento entendí que esa era la manera en la que algunas personas me veían. No de par a par sino de una manera inferior.”  Pero este episodio no la apocó; por el contrario, se convirtió en combustible para comenzar la búsqueda de herramientas y estrategias para romper el estereotipo.

“Decidí siempre contar mi historia para romper el estereotipo, para que quede claro que también hay personas como yo haciendo ciencia. Hoy ya tengo construida una reputación y he roto varias barreras; aun así, sigo enfrentando algunas”.

En un sistema que todavía duda de la autoridad intelectual de una mujer latinoamericana, cada artículo publicado, cada conferencia magistral y cada estudiante formado representan una victoria frente a los sesgos y la discriminación.

Y es que estos sesgos no solo afectan al científico de manera psicológica, sino que tienen una repercusión significativa a la hora de ascender en la carrera u obtener financiamiento para proyectos de investigación.

“Hace un tiempo postulé a una financiación económica en Europa, en un esquema muy prestigioso. Cuando recibí la evaluación de los revisores, uno de ellos me escribió: ‘se siente muy orgullosa de haber recibido la medalla, pero debería dedicarse a hacer otras cosas’.  Otro escribió [parafraseando], ‘Yo puedo hacer lo que ella propone, pero más barato’», rememora Alexandra con desilusión. “Siendo esta una institución europea muy prestigiosa, fue impactante entender que algunos de los evaluadores usan criterios que no necesariamente son científicos. Y esto refleja que no todo tiene que ver con méritos en la ciencia sino trae los sesgos a la luz”.

Liderar para transformar un sistema excluyente

Tras mucha reflexión sobre los obstáculos, por género y origen, enfrentados y que otras personas enfrentan, Alexandra asumió el reto de contribuir más allá de lo personal asumiendo un rol inédito como Vicedecana de Inclusión, Diversidad y Equidad de la Facultad de Matemáticas y Ciencias Físicas de UCL. Cargo que ocupó del 2019 al 2022.

Se postuló al cargo después de reflexionar y estudiar investigaciones sobre los sesgos y desventajas que investigadores como ella, y muchos otros, han enfrentado en sus caminos académicos. Para Olaya-Castro, estos obstáculos no solo afectan a las personas, sino a la ciencia misma:

“La física parece no haber avanzado significativamente en las últimas décadas y una de las posibles razones es que no hay una diversidad suficiente de personas, con diferentes experiencias culturales, que estén aportando a ese conocimiento, o cuyas contribuciones sean reconocidas. El quehacer científico puede ser hostil para ciertos grupos de personas, y muchas veces quien logra avanzar es quien piensa igual a los que ya están allí”.

Desde ese lugar impulsó iniciativas para apoyar a quienes estaban en desventaja y abrió espacios seguros de conversación dentro de la facultad, con el objetivo de transformar las dinámicas de poder:

“Lanzamos una serie de conversaciones con el objetivo de impulsar un cambio en las dinámicas de poder, porque eso es lo que está en la base de todas estas desventajas. Unos tienen el poder y deciden todo, otros no.”

El secreto: mantener la curiosidad y la pasión por aprender

Para Alexandra, la ciencia no es un recorrido lineal ni cómodo. Es un camino atravesado por obstáculos, como cualquier otro, y por tanto con aprendizajes constantes. La diferencia —explica— está en aquello que mantiene viva la motivación. Lo deja claro en su mensaje para las nuevas generaciones:

“Cualquier camino que sigas va a tener obstáculos; la ciencia no es diferente. Lo más importante es que, a medida que avanzas, estés emocionada con lo que estás aprendiendo”. Esa emoción, cuenta, nace de la curiosidad, no de la competencia ni de la presión por descubrir antes que otro científico. “El verdadero motor es la convicción de que quieres aprender y entender esas cosas que te producen curiosidad”. Insiste en que nadie recorre este trayecto en soledad. Reconocer y construir vínculos de apoyo es parte esencial de la práctica científica. “Es muy importante conectarte, establecer relaciones profesionales con una variedad de científicos que pueden formar una red de apoyo para ti. Construir esa red hace toda la diferencia”.

En 2024, Alexandra Olaya-Castro recibió el galardón Freedom of the City of London, un honor que data del siglo XIII y que reconoce sus destacados logros y contribuciones a la vida pública a través de avances científicos en biología cuántica y campos relacionados.

Bibliografía

Olaya-Castro, A., Johnson, N. F., & Quiroga, L. (2004). Scheme for on-resonance generation of entanglement in time-dependent asymmetric two-qubit-cavity systems. Physical Review A, 70(2). https://doi.org/10.1103/physreva.70.020301

O’Reilly, E. J., & Olaya-Castro, A. (2014). Non-classicality of the molecular vibrations assisting exciton energy transfer at room temperature. Nature Communications, 5(1), 3012. https://doi.org/10.1038/ncomms4012

Siwiak-Jaszek, S., & Olaya-Castro, A. (2019). Transient synchronisation and quantum coherence in a bio-inspired vibronic dimer. Faraday Discussions, 216(0), 38–56. https://doi.org/10.1039/c9fd00006b

Admin. (2016, July 1). UCL Physicist receives 2016 award from Institute of Physics | Faculty of Mathematical & Physical Sciences. Faculty of Mathematical & Physical Sciences.

Wang, J., Zou, J., Zhen, Z., Meng, H., Liao, G., Liu, L., Wang, Z., Chen, H., Pu, Y., & Weng, Y. (2025). Quantum phase synchronization revealing few-hundred femtosecond coherence in cryptophyte phycoerythrin 545 antenna from exciton–vibrational coupling. The Journal of Chemical Physics, 162(20). https://doi.org/10.1063/5.0259190

Zhu, R., Li, W., Zhen, Z. et al. Quantum phase synchronization via exciton-vibrational energy dissipation sustains long-lived coherence in photosynthetic antennas. Nat Commun 15, 3171 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-47560-6 DOI: 10.1063/5.0259190