Fotosintesi clorofilliana e la fisica quantistica

Fotosintesi clorofilliana e la fisica quantistica

La fisica quantistica si occupa della descrizione del comportamento della materia, con
particolare riguardo alle scale subatomiche, e poiché la materia è pressoché ovunque
nell’Universo – ma soprattutto negli esseri viventi – c’era da aspettarsi che prima o poi
venissero alla luce gli aspetti derivanti dalle leggi quantistiche sulla biologia umana, animale e
vegetale. Le cellule sono costituite da atomi e, a un livello base, tutti gli atomi obbediscono alle
leggi della meccanica quantistica.
Da un certo punto di vista, il processo di fotosintesi appare piuttosto semplice: le piante, le
alghe verdi e alcuni tipi di batteri ricevono la luce solare e l’anidride carbonica e li
trasformano in energia. Ciò che però disorienta e lascia perplessi i biologi è la velocità
dell’intero processo. Un fotone (una particella di luce) dopo un viaggio di miliardi di
chilometri nello spazio, si scontra con un elettrone della foglia dell’albero; questo elettrone,
colpito dall’energia del fotone, inizia a rimbalzare come una pallina di flipper facendosi strada
attraverso una piccola parte delle cellule della foglia e rilascia la sua energia eccedente a una
molecola che può così agire come carburante chimico per alimentare la pianta. La fisica
classica suggerirebbe che l’elettrone eccitato impiegasse un certo tempo (finito) per
trasportare la sua energia al meccanismo fotosintetico della cellula, prima di emergere
dall’altro lato. In realtà, l’elettrone compie il suo percorso “troppo” velocemente.
Inoltre, l’elettrone perde pochissima energia in tutto il processo. La fisica classica
prevederebbe un certo spreco di energia durante la fase di multipli rimbalzi della particella
nel “flipper molecare”. Il processo, invece, è troppo rapido, lineare ed efficiente.
Gregory Scholes dell’Università di Toronto, nei suoi esperimenti sulle alghe attraverso laser
monocromatici (vedi qui la sua pubblicazione ) è riuscito a verificare il fenomeno di coerenza
quantistica e di sovrapposizione degli stati durante il processo di fotosintesi. Molecole vicine
partecipano a uno stato oscillatorio coerente, e quindi “entangled” dal punto di vista
quantistico. La particella non deve percorrere una traiettoria per volta, ma trovandosi in una
sovrapposizione di stati può percorrerle tutte simultaneamente. Ciò spiega la rapidità e
l’efficienza del processo in quanto l’eccitazione riguarda da subito due o più molecole, che dal
punto di vista quantistico rappresentano un sistema unico, anche se fisicamente separate.
Il fotone catturato da una molecola di clorofilla viene trasportato al centro reattivo dove poi
viene trasformato in energia chimica. Nel tragitto non segue una strada sola; segue più strade
nello stesso momento per arrivare al centro reattivo nel modo più efficiente, senza
disperdersi come calore. Coerenza quantistica all’interno di una cellula. Un’idea straordinaria,
provata dalla continua pubblicazione di nuovi studi che confermano la sua veridicità.
“Questi organismi hanno sviluppato strategie quantomeccaniche per ottenere un vantaggio
evolutivo?” ha dichiarato Scholes “In un certo senso è come se le alghe sapessero qualcosa di
meccanica quantistica due miliardi di anni prima dell’uomo”.

2 – Migrazione degli uccelli o “Robin_entanglement

Il pettirosso europeo migra dalla Scandinavia al Mediterraneo, ogni autunno, e come molti
altri insetti e animali marini si orienta rispetto al campo magnetico terrestre. Il campo
magnetico terrestre è molto, molto debole, cento volte più debole di una calamita da frigo,
eppure riesce a influenzare la chimica degli organismi viventi. Su questo non c’è dubbio: negli
anni Settanta due ornitologi tedeschi, Wolgang e Roswitha Wiltschko, confermarono che il
pettirosso si orienta perché il campo magnetico terrestre gli dà indicazioni sulla direzione,
come una bussola incorporata. Già nel 2009, uno studio dell’Università di Irvine, California ,
aveva scoperto che la bussola magnetica biologica degli uccelli si basava su una proteina con
una particolare sensibilità direzionale: il crittocromo, contenuto nella retina. Tuttavia solo nel
2011 l’Università di Oxford ha messo a punto uno studio dettagliato che ha rilevato fenomeni
quantistici di entanglement nelle molecole ottiche del pettirosso europeo.
Una descrizione semplificata del fenomeno è la seguente: il critocromo viene colpito da un
fotone di luce; quindi, gli elettroni della molecola si eccitano e vengono liberati, mantenendo
uno stato di entanglement, per poi riunirsi in una nuova molecola che li accetta. Nel tragitto,
gli spin degli elettroni sono influenzati dal magnetismo terrestre perciò quando si riaggregano
alla molecola, trasportano con sé l’informazione del campo, restituendo il fotone che li aveva
eccitati in precedenza e colpendo il nervo ottico. A questo punto il nervo ottico dispone di una
sorta di “visione” del campo magnetico terrestre, necessario per la navigazione e
l’orientamento.

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3 – La migrazione delle Farfalle Monarca.
Lo stesso meccanismo appena descritto è stato rilevato anche nella migrazione delle Farfalle
Monarca che trascorrono l’estate nel Canada meridionale e migrano verso il Messico durante
l’inverno. Gli insetti sono privi di un cervello, ma per le Monarca il crittocromo è stato rilevato
nelle antenne e svolge esattamente la stessa funzione di rilevazione del campo magnetico già
vista per il pettirosso europeo.

RICCARDO SIMONI