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

Passo avanti nella conoscenza del meccanismo della fotosintesi grazie ad una ricerca dell’Istituto di Fotonica e di biochimici dell’Università di Glasgow. NICOLA SABATINI spiega perché

27.06.2013 - Nicola Sabatini
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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.

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.

Nella scia di questi problemi tanto nuovi quanto appassionanti, un gruppo dell’Istituto di Fotonica e di biochimici dell’Università di Glasgow è riuscito per la prima volta a realizzare una serie di “fotografie” a livello molecolare distanziate temporalmente di un femtosecondo (10-15 secondi, cioè un milionesimo di miliardesimo di secondo), per cercare di visualizzare in sequenza il cammino dell’energia dalla superficie della foglia al suo interno. Qui si trovano conferme alle idee sopra esposte: la coerenza quantistica si manifesta nelle catene di proteine che assorbono come antenne la radiazione solare e la trasportano ai centri di reazione fotochimica dove avviene la sintesi chimica.

Niek Van Hulst è il responsabile del lavoro di ricerca e ha guidato il gruppo a spingere le tecniche di spettroscopia ultra-veloce già note alla scala delle singole molecole. Van Hulst e il suo gruppo sono riusciti ad apprezzare i percorsi utilizzati per il trasporto energetico di antenne proteiche separate individualmente, ma identiche dal punto di vista chimico, ma non solo: hanno mostrato che ogni proteina usa un percorso differente e che – fatto assolutamente sorprendente – i percorsi possono variare all’interno della singola proteina, adattandosi in modo ottimale alle condizioni esterne. «Questi risultati – ha commentato Van Hulst – mostrano che la coerenza quantistica, un effetto genuinamente quantistico dovuto alla sovrapposizione di stati, è responsabile del mantenimento degli alti livelli di efficienza nel trasporto energetico nei sistemi biologici, anche nel momento in cui devono adattare i loro percorsi di trasporto energetico a causa dell’influenza di cambiamenti ambientali».

Il risultato è straordinario dal punto di vista sperimentale, perché segna un punto di non ritorno per quanto riguarda le tecniche di misura e di osservazione. Lo è ancora di più perché permette un avanzamento nella comprensione di fenomeni naturali che potrebbero influenzare in modo determinante sviluppi tecnologici: basta pensare a cosa potrebbe offrire in termini di produzione energetica la realizzazione di celle solari a base biologica, che imitino il trasporto energetico del processo di fotosintesi. Questo lavoro, come altri, infine, apre nuove e interessantissime domande sulla storia evolutiva delle piante e sul legame fra effetti quantistici e biologia. È infatti da capire se e come l’evoluzione abbia in guidato l’uso pieno degli effetti quantistici della fotosintesi, preferendoli ad altri.

Il tema è, però, se possibile, ancora più vasto. Il lavoro dei biofisici pone infatti un elemento di novità nella grande impresa scientifica, sotto la spinta di un tratto assolutamente connaturato alla ragione umana, e cioè che la ragione sempre desidera superare i confini sovraimposti. Vogliamo abbracciare tutto e abbiamo la ragionevole speranza che la realtà, in fondo, sia unita, cioè che esistano reali nessi fra oggetti e discipline a prima vista lontani, come diceva Ugo di San Vittore già nel XIII secolo: “cortata scientia iocunda non est”.

Ciò significa che discipline differenti debbano essere superate da una nuova super disciplina universale che rischia di non fare apprezzare adeguatamente metodi e parti specifiche delle discipline stesse? Impossibile generalizzare. Che questa modalità trasversale di ricerca sia utopica pretesa di riduzione del reale ai nostri schemi o ragionevole allargamento delle possibilità e dei metodi di conoscenza, lo può dire solo un confronto duro e leale con la realtà da parte di ricercatori sempre più aperti e in cerca di nuove possibilità di spiegazione. Nel rapporto col reale, infatti, la novità è sempre dietro l’angolo… 

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