Le teorie quantistiche dei sistemi biologici

Cercare di capire a fondo le basi quantistiche dei sistemi biologici ed analizzarla dal punto di vista fisico-matematico sono una delle attuali sfide della scienza.

Nel passato i sistemi biologici sono stati spesso visti come troppo complessi per essere penetrabili con metodi di natura fisico-matematica. La realtà “essere vivente” era considerata troppo articolata per poter essere analizzata da insiemi di equazioni differenziali e principi fisici.

All’inizio del XX secolo, con l’avvento di tecniche e strumenti più potenti e sofisticati, i ricercatori hanno iniziato a studiare in maniera più profonda ed articolata le possibili descrizioni fisiche e matematiche dei sistemi biologici microscopici. Tra i possibili vari esempi ricordiamo i modelli di Turing, che si avvalgono della potenza della computazione quantistica, la morfogenesi, ossia il processo che porta allo sviluppo della forma e della struttura di un organismo, i lavori di Schrödinger, da cui vennero previste molte delle caratteristiche funzionali del DNA.

Attualmente i progressi in questo campo sono rapidi e molti rami della fisica e della matematica hanno trovato applicazioni in biologia, come ad esempio i metodi statistici utilizzati in bioinformatica. A queste scale di lunghezza la fisica classica cede il passo a quella quantistica, che non può essere evitata, poiché ogni processo chimico si basa di fatto sulla fisica quantistica.

Allora esistono sistemi biologici che utilizzano la fisica quantistica per eseguire compiti che non possono essere realizzati da un punto di vista classico? E grazie alla fisica quantistica possono essere realizzati in maniera più efficiente di quanto possa avvenire anche con il migliore equivalente classico? La risposta sembra ad oggi essere affermativa. Negli ultimi dieci anni una serie di esperimenti ha riscontrato diversi casi in cui la Natura si avvale della fisica quantistica per ottenere vantaggi biologici, sfruttando in particolare “sovrapposizioni coerenti di stati” per assistere o migliorare una funzione biologica.

In fisica quantistica alla materia viene associata un’onda e viceversa (è il cosiddetto “dualismo” onda-corpuscolo); le particelle vengono usualmente trattate come funzioni d’onda che evolvono nel tempo. Il principio di sovrapposizione gioca dunque un ruolo fondamentale nella spiegazione dei fenomeni osservati. Una “sovrapposizione coerente” significa che la misura sul sistema porta ad un risultato non incerto. Per questo motivo grande attenzione è stata posta all’osservazione della “coerenza quantistica” a temperatura ambiente per il trasporto di energia attraverso sistemi fotosintetici; si ritiene infatti che tale coerenza svolga un ruolo determinante nell’efficienza della fotosintesi per batteri e piante. Questo aspetto, sottolineiamolo, è puramente quantistico, non ha un equivalente classico; da qui il grande interesse relativo alla fisica quantistica.

Trasporto Quantistico Coerente di energia nella fotosintesi

La fotosintesi fornisce energia per quasi tutta la vita sulla terra. Questa energia, sotto forma di “pacchetti”, i cosiddetti “quanti” di luce, ossia i fotoni, viene assorbita dal “complesso antenna” (in inglese “antenna complex” o “light harvesting complex”, brevemente LHC). Il meccanismo è il seguente: si tratta di un insieme di proteine e pigmenti che trasferiscono l’energia luminosa dei fotoni ad una molecola di “clorofilla a” (le molecole BChl-a) del centro di reazione di un fotosistema, permettendo in questo modo la creazione di forme più stabili di energia chimica.

Le strutture biologiche precise e i componenti del pigmento variano da organismo ad organismo, in risposta alla necessità di adattamento alle diverse condizioni fisiologiche e degli habitat naturali, anche in condizioni di scarsa illuminazione. Le molecole BChl-a sono legate ad un ponte di proteine, che da una parte risulta essere una fonte di decoerenza e rumore, ma dall’altra svolge un ruolo importante nell’avere un’alta efficienza di trasporto, fattore questo molto importante. Gli effetti quantistici aiutano pertanto il processo biologico considerato.

Trasporto Assistito in Ambiente

Molti modelli teorici sono stati attentamente considerati per spiegare la maggiore efficienza del trasporto, cercando di capire come la Natura utilizza la coerenza quantistica per avere effetti più efficaci di quanto sia possibile a livello classico. Dalle indagini sperimentali fino ad oggi svolte, si può affermare che l’obiettivo del “complesso antenna” precedentemente schematizzato sia quello di rendere massima l’efficienza del trasporto di un’eccitazione energetica dalla molecola BChl-a più vicina all’antenna alla molecola BChl-a più vicina al centro di reazione. Il tempo relativo al transito dell’eccitazione dalla molecola bersaglio al centro di reazione è piccolissimo, dell’ordine di 1 pico-secondo (1 pico-secondo (ps) = 10^(-12) secondi), ma risulta però “inferiore” a quello relativo alla perdita di energia dovuta a cause relative al processo (il rilassamento della fluorescenza ad esempio), che risulta dell’ordine di 1 nano-secondo (1 nano-secondo (ns) = 10^(-9) secondi); è quindi circa 1000 volte più piccolo.

L’eccitazione viene pertanto trasferita al centro di reazione più velocemente di quanto possa essere persa per altre cause connesse al fenomeno. E’ una conferma che la coerenza quantistica aiuta nel processo di trasporto? La risposta è affermativa, e sono state proposte diverse spiegazioni plausibili da un punto di vista fisico. L’osservazione a temperatura ambiente di questi effetti quantistici nei sistemi biologici sta offrendo considerevoli risultati. Una crescente quantità di prove suggerisce che la coerenza quantistica migliora l’efficienza delle “unità fotosintetiche”, anche se solo per pochi punti percentuali, ma questo si rivela tuttavia sufficiente e anzi determinante.

Le unità fotosintetiche sono strutture altamente organizzate che svolgono un ruolo centrale nel processo della fotosintesi clorofilliana. La fotosintesi clorofilliana trasforma l’energia elettromagnetica (i fotoni, i “quanti” di energia prima introdotti) in energia chimica e l’anidride carbonica in glucosio.

La realtà quantistica, con le sue “bizzarre” caratteristiche e le sue dinamiche spesso molto lontane dalle logiche “classiche” che vediamo nella vita di tutti i giorni, sta pertanto accrescendo la nostra comprensione delle leggi che governano la biologia e la vita attraverso gli strani fenomeni che stanno alla sua base.

Prospettive

Ancora molto lavoro rimane da fare per comprendere nei dettagli e per dare una decisiva convalida dello specifico ruolo della fisica quantistica in ambito biologico, ma il lavoro sperimentale attuale sta dando conferme e si è fiduciosi guardando al futuro prossimo.

Negli esperimenti le eccitazioni vengono create di norma mediante impulsi laser, attraverso dispositivi che emettono luce coerente; “in vivo” invece esse sono generate da luce solare incoerente o tramite trasferimento di energia da un complesso antenna ad un altro. Questo aspetto va studiato in maniera dettagliata.

Richiede ulteriori chiarimenti anche la accurata comprensione del piccolissimo, ma determinante miglioramento dell’efficienza, predetto dai modelli quantistici, che fornisce questi vantaggi di natura biologica. Alcune specie, come i solfobatteri verdi o le alghe, vivono in condizioni di luminosità molto scarsa. In tali casi, ogni piccolissimo miglioramento in termini di efficienza può essere “biologicamente” importante, ed è ciò che accade. Nuovi studi teorici e verifiche sperimentali forniranno ulteriori risultati e risposte alle domande della scienza del prossimo futuro e questo ci permette di comprendere sempre più in profondità i segreti ultimi della Natura e la potenza predittiva della modellizzazione teorica e della fisica quantistica che, assieme alla teoria della relatività di Einstein, costituisce un pilastro attualmente insostituibile per la scienza contemporanea.

Riferimenti:

(1) (Nature, 2010) Collini, E. et al., Coherently wired light-harvesting in photosynthetic marine algae at ambient temperature, Nature 463, 644-648, 2010.

(2) Davies, P. C. W., Quantum Aspects of Life, London, Imperial College Press, 2008.

(3) (J. Chem. Phys., 2008) Jang, S., Cheng, Y-C., Reichman, D. R. & Eaves, J. D., Theory of coherent resonance energy transfer, J. Chem. Phys. 129, 101104, 2008.

(4) (J. Chem. Phys., 2012) Miller, W. H., Perspective: Quantum or classical coherence? J. Chem. Phys. 136, 210901, 2012.

(5) (Nature Chem., 2011) Scholes, G. D., Fleming, G. R., Olaya-Castro, A. & van Grondelle, R., Lessons from nature about solar light harvesting, Nature Chem. 3, 763-774, 2011.

(6) Van Amerongen, H., Valkunas, L. & van Grondelle, R., Photosynthetic excitons, Singapore, World Scientific, 2000.

Autore: Paolo Di Sia / Foto di pixabay.com / Fonte: fisicaquantistica.it