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FISICA/ La meccanica quantistica entra nel “bio” e illumina la fotosintesi

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Quali sono le nuove frontiere della fisica? Istintivamente si può pensare all’infinitamente grande - i confini del cosmo -, oppure all’infinitamente piccolo - le particelle elementari - e ritenere che gli sforzi in quelle direzioni rappresentino la vera frontiera della conoscenza della realtà. Eppure, nuove scoperte e nuovi risultati hanno fatto capire al mondo della ricerca che le frontiere da superare in realtà non coincidono con gli estremi della scala di qualche grandezza fisica, ma che la sfida sempre più interessante è poter valicare i confini fra discipline diverse.

È il caso della biologia: la potenza del metodo di indagine fisico, le conquiste teoriche e l’utilizzo di tecnologie idonee hanno permesso una speciale invasione e contaminazione reciproca fra biologi e fisici, con esempi di successi impensabili qualche decennio fa. L’esempio più importante viene da un filone di ricerche che partono nei primi anni del XXI secolo e che hanno come focus principale l’idea che certi fenomeni e meccanismi tipici delle piante non siano spiegabili se non con l’utilizzo della meccanica quantistica. In particolare, l’interesse ruota intorno alla fotosintesi clorofilliana.

La biologia riesce a spiegare bene quali reazioni chimiche rendano possibile il fenomeno che permette alle piante di nutrirsi e di crescere; quello che non spiega è come mai la resa di questo meccanismo di approvvigionamento energetico abbia performance da sogno in termini di efficienza. La fotosintesi infatti converte al minimo il 95% dell’energia radiante raccolta dalla foglia in energia per la sintesi biochimica. Se vogliamo paragonare questo numero con qualcosa di realizzato dall’uomo, basti sapere che i migliori pannelli fotovoltaici hanno rese considerate molto buone quando arrivano al 20%. La differenza è abissale e cercare di capirci qualcosa è certamente di sommo interesse.

Cosa c’entra dunque la meccanica quantistica? È proprio qui il cuore della possibile e non facile spiegazione. Si è ipotizzato e intravisto in vari esprimenti e tentativi teorici da parte di più gruppi nel mondo che un particolare fenomeno, la coerenza quantistica, potrebbe essere il responsabile dell’efficienza e della rapidità con cui l’energia del Sole viene catturata e diffusa alle cellule delle piante. Il fenomeno della coerenza viene invocato per spiegare soprattutto la velocità con cui avviene il trasferimento dell’energia da una molecola all’altra nelle catene proteiche.

A grandi linee, quello che accade quando una molecola viene investita da un fotone è che lo stato di uno degli elettroni in essa contenuti passa a un livello energetico più alto (i livelli energetici in meccanica quantistica sono come dei gradini a livelli ben definiti). Quando la molecola perde energia, l’elettrone ritorna al suo livello normale e la molecola emette a sua volta a un fotone che viene catturato da un’altra molecola, che si eccita a sua volta. E così, di molecola in molecola, questo processo dovrebbe garantire il passaggio dell’energia dalle molecole in superficie ai centri della produzione clorofilliana.

Ma c’è un grosso problema: i tempi previsti per tale catena di passaggi sono molto più lunghi di quelli necessari a rendere efficiente il processo. Ecco allora che si è iniziato a pensare che molecole vicine partecipassero di uno stato oscillatorio coerente, cioè che fossero collegate (“entangled”) dal punto di vista del loro stato quantistico. Se questo fosse vero e provato, sarebbe più semplice spiegare la rapidità e l’efficienza del processo, in quanto l’eccitazione riguarderebbe da subito due o più molecole, che dal punto di vista quantistico sarebbero un sistema unico, anche se fisicamente separate.

L’idea è accattivante, e costringe a richiamare uno dei più misteriosi problemi della meccanica quantistica, messo in evidenza per la prima volta da Einstein insieme a Podolski e Rosen nel paradosso quantistico che porta il loro nome (“paradosso EPR”): l’entanglement, il particolare “legame” quantistico per cui, sotto certe condizioni, particelle lontane si influenzano istantaneamente anche se molto distanti.



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