Piense en un fotón como un pequeño conjunto de campos eléctricos y magnéticos: no es una imagen muy precisa, pero es lo suficientemente buena por el momento. No importa la masa cero del fotón por ahora: es más o menos irrelevante para toda la pregunta.
La colisión entre el fotón y la molécula no es como una pelota de béisbol golpeando un bate o un automóvil golpeando una pared. Te imaginas que estas colisiones dependen de la presencia de masas, pero la verdad es más complicada. Los automóviles están hechos de muchos átomos, y los átomos a su vez están hechos de algunas partículas masivas, pero también, los átomos están compuestos en parte de partículas sin masa como los fotones.
Lo que realmente importa es que el fotón transporta energía en forma de campos eléctricos y magnéticos oscilantes, y que esa energía puede acoplarse por esos campos a cualquier partícula cargada, como los electrones en una molécula, como una molécula de 11-cis-retinal .
Parte de la magia de la rodopsina es que es un complejo de una proteína transmembrana con una molécula de pigmento: el pigmento en este caso es un alcohol llamado 11-cis-retinal, que es un derivado de 11-trans-retinal, también llamada vitamina A.
11-trans-retinal es una molécula lineal con un grupo fenilo en un extremo; su cadena lateral es lineal.
La característica clave del 11-cis-retinal aquí es que es una molécula doblada con enlaces de carbono dobles y simples alternos, está doblada en un enlace doble carbono-carbono que existe en el átomo del átomo de carbono 11 en la cadena lateral. Hay otras cis-retinianas posibles, por ejemplo, 7,9,11,13-cis-retinianas pueden existir y pueden formar complejos con la rodopsina.
Pero el 11-cis-retinal es el único que es importante en los bastones de nuestros ojos. Forma un enlace imina con el complejo de escotopsina de la rodopsina.
Ahora viene un fotón de cierta longitud de onda en la región visible, y entra en el ojo, golpea la retina y encuentra una molécula de 11-cis-retinal en complejo con una opsina.
Los campos eléctricos del fotón inician la vibración de los electrones de la cis-retina, y esto a su vez hace que la molécula comience a vibrar y eventualmente voltee alrededor de la posición doblada en el undécimo átomo de carbono en la cadena lateral.
Al mismo tiempo, el fotón se desvanece y toda su energía va al complejo molecular de la retina y la opsina. Eso es lo que requiere la mecánica cuántica, que toda la energía se transfiera a la vez.
Ahora hay una barrera de energía para hacer que este giro en la cis-retina, pero no es una barrera de energía demasiado grande, ya que hay poco o ningún bloqueo estérico a lo largo de la cadena lateral lineal de la molécula. No es un cambio conformacional de alta energía, al menos en esta posición a lo largo de la cadena lateral.
Una vez que el pigmento se convierte en 11-trans-retinal, comienza a desprenderse de la opsina con la que está en complejo, y este proceso transfiere algo de energía a la opsina, lo que a su vez provoca una serie de complicados cambios conformacionales de la opsina, que finalmente conducen a la liberación intracelular de cGMP en el otro lado de la membrana plasmática, y a una serie de reacciones intracelulares complicadas posteriores que pueden conducir a la generación de un potencial de acción en la membrana de la célula de la barra.
Ahora, ¿por qué los ojos no fabrican 7,9 o 13-cis-retinal de vitamina A? ¿Por qué 11? Bueno, resulta que la longitud de onda en la que la rodopsina absorbe la luz cae mejor en el medio del rango visible, para la visión humana, que corresponde aproximadamente al máximo del espectro para la luz que llega desde el sol a la superficie de la tierra en un lugar despejado día.
7 o 9 cis-retinal absorberían más hacia el azul y 13 más hacia el rojo. Cuanto más cerca del grupo fenilo, más energía se necesita para provocar el giro cis / trans en la retina.
Pero esa es la biología. Ese es el mecanismo de amplificación exquisitamente sintonizado que permite que una varilla en el ojo reaccione al impacto de un solo fotón.
¿Qué pasa con la masa de un fotón?
No es realmente importante para toda la discusión anterior, como puede ver.
Pero resulta que la masa de fotones debe estar muy cerca de cero, y por lo que cualquiera puede medir o ha medido, parece ser exactamente cero.
Esto es cierto solo porque los fotones viajan a la velocidad de la luz en el vacío, lo que parece ser una constante universal de la naturaleza.
Si el fotón tuviera una masa en reposo, entonces no podría viajar a esa velocidad, o de lo contrario tendría que tener energía infinita.
Y esa es una consecuencia directa de la teoría de la relatividad. Para lo cual necesitas un poco de matemática, pero ciertamente no cálculo.
