Per molto tempo, gli scienziati sono rimasti perplessi dall’incredibile efficienza della fotosintesi: quando la luce colpisce una foglia, quasi ogni fotone catturato viene convertito in energia utilizzabile dalla pianta, con un’efficienza che supera il 95% in condizioni ottimali, motivo per cui la foglia è diventata oggetto di studio nei laboratori che si occupavano di creare efficienti pannelli solari.

Proprio all’interno di questi studi, quasi per serendipità, Engel e colleghi (1) hanno scoperto il segreto di questa straordinaria efficienza: la fotosintesi sfrutta il principio di sovrapposizione quantistica per garantire la massima produzione di ossigeno e nutrienti, nonostante la continua variazione delle condizioni ambientali esterne. E, contro ogni precedente convinzione, la coerenza quantistica viene mantenuta per tutta la cascata elettronica che è alla base della fotosintesi stessa. Infatti l’implicazione più sorprendente di questa scoperta è il fatto che questi delicati effetti quantistici possano persistere in un ambiente caldo e rumoroso della cellula, sopravvivendo al rumore termico. Le ricerche suggeriscono che le proteine che circondano i complessi fotosintetici creino un ambiente protettivo, permettendo agli stati quantistici di sopravvivere abbastanza a lungo da svolgere il loro ruolo cruciale. Sembra che le membrane plasmatiche siano fra gli elementi chiave che permettono alle cellule di creare al loro interno ambienti protetti e separati. Concettualmente questo processo è simile a quello che avviene nei nostri acceleratori di particelle, dove gli scienziati creano un ambiente totalmente separato dall’esterno, caratterizzato da precise condizioni ambientali che permettono ai delicati processi quantistici di mantenere la loro efficienza senza collassare.

Vediamo un po’ più nel dettaglio il meccanismo scoperto da Engel e colleghi: nel centro di reazione fotosintetico, le molecole di clorofilla formano strutture che possiamo chiamare “antenne”. Quando un fotone viene assorbito da queste molecole, crea uno stato di eccitazione che deve viaggiare attraverso questo complesso fino a raggiungere il centro di reazione. Secondo la fisica classica, questa energia dovrebbe “rimbalzare” casualmente tra le molecole, perdendo molta energia nel processo.

Invece, grazie al mantenimento della coerenza quantistica all’interno del complesso fotosintetico, l’energia si comporta come un’onda quantistica, esplorando simultaneamente tutti i possibili percorsi verso il centro di reazione. Questo fenomeno, chiamato “sovrapposizione quantistica”, permette all’energia di trovare istantaneamente il percorso più efficiente, come se fosse guidata da un GPS.

C’è un’immagine comunemente usata spiegare la sovrapposizione al pubblico non specializzato (Fig. 1), in cui il lettore può vedere un vaso o due facce, ma le due figure esistono allo stesso tempo. È “la scelta” della mente del lettore a rendere visibile l’una o l’altra. Questa “scelta” potrebbe rappresentare ciò che viene descritto come collasso della funzione d’onda. Gli elettroni nei processi fotosintetici sono in uno stato “sovrapposto” fino a quando non “collassano”, in base alle condizioni ambientali, innescando la cascata biochimica che trasforma i fotoni in energia chimica, nel miglior pannello solare conosciuto (1–4).

La fotosintesi quantistica ci mostra come la natura abbia evoluto sistemi in grado di sfruttare i più sottili effetti della meccanica quantistica per sostenere la vita sulla Terra. Questa scoperta non solo ha rivoluzionato la nostra comprensione della biologia, ma sta anche ispirando una nuova generazione di tecnologie sostenibili.

Fig. 1

Letture per approfondire:

1.           Engel GS, Calhoun TR, Read EL, Ahn TK, Mančal T, Cheng YC, et al. Evidence for wavelike energy transfer through quantum coherence in photosynthetic systems. Nature. 2007;446(7137):782–6.

2.           Calvillo L, Parati G. Immune System and Mind-Body Medicine – An Overview. In: Brain and Heart Dynamics [Internet]. Cham, Switzerland: Springer International Publishing; 2019. p. 1–19. Available from: http://link.springer.com/10.1007/978-3-319-90305-7_9-1

3.           Calvillo L, Redaelli V, Ludwig N, Qaswal AB, Ghidoni A, Faini A, et al. Quantum Biology Research Meets Pathophysiology and Therapeutic Mechanisms: A Biomedical Perspective. Quantum Rep. 2022 Apr 4;4(2):148–72.

4.           Al-Khalili J. Life on the Edge: The Coming of Age of Quantum Biology. Bantam Press; 2014.

Una rivoluzione silenziosa:

Nel 2007, un articolo scientifico ha rivoluzionato la comprensione dei processi biologici, rivelando l’incredibile ruolo della meccanica quantistica nei sistemi viventi. La ricerca di Engel e colleghi (1) ha dimostrato che la fotosintesi clorofilliana raggiunge la sua straordinaria efficienza proprio grazie ai principi quantistici.

In particolare nei meccanismi della fotosintesi, gli elettroni sfruttano il principio di sovrapposizione, permettendo loro di:

– Esistere simultaneamente in più punti

– Selezionare istantaneamente il percorso energeticamente più efficiente

– Trasformare la luce solare in ossigeno e nutrienti con un’efficacia sorprendente

Esploriamo brevemente insieme i principi fondamentali della meccanica quantistica, per comprendere come questi meccanismi si manifestino nei sistemi biologici.

I concetti della fisica quantistica sfidano persino i fisici che li hanno sviluppati, rivelando un universo subatomico che si comporta in modo sorprendentemente diverso dalle nostre aspettative classiche. Questa nuova comprensione della materia ha rivelato proprietà estremamente controintuitive che mettono in discussione la nostra percezione della realtà fisica.

Le proprietà quantistiche più affascinanti includono:

1. La sovrapposizione quantistica, per cui un elettrone può esistere simultaneamente in più posizioni, sfidando la logica della fisica classica.

2. L’effetto tunnel quantistico, che permette alle particelle di attraversare barriere energetiche teoricamente invalicabili, quasi come se potessero “oltrepassare i muri”. Questo fenomeno sovverte completamente la nostra comprensione classica delle interazioni energetiche.

3. L’entanglement quantistico, un legame misterioso che consente a particelle separate da enormi distanze di rimanere istantaneamente connesse, comunicando istantaneamente trascendendo lo spazio-tempo.

Questi postulati descrivono un universo intrinsecamente probabilistico, fluido e interconnesso, dove la realtà è molto più complessa di quanto appaia.

Fin dagli anni ’20, scienziati pionieristici come Niels Bohr ed Erwin Schrödinger, e successivamente Frohlich (2–4), hanno iniziato a esplorare le implicazioni di questi fenomeni quantistici per la comprensione dei sistemi biologici. Bohr ha dedicato diverse conferenze alla natura quantistica della vita, aprendo nuove prospettive sulla connessione tra fisica atomica e biologia.

Per molto tempo, la comunità scientifica ha ritenuto che l’ambiente cellulare – caldo, umido e dinamico – fosse incompatibile con i delicati meccanismi quantistici, che erano stati sempre osservanti in condizioni estreme di vuoto e temperature prossime allo zero assoluto, rendendo difficile immaginare questi processi nelle strutture biologiche.

Con il loro lavoro, Engel e i suoi colleghi hanno definitivamente confutato questa convinzione, aprendo la strada a successive ricerche che hanno dimostrato come certi enzimi (proteine indispensabili alla vita) riescano a far avvenire le reazioni chimiche necessarie alla cellula grazie al principio di tunneling quantistico, e come la capacità di orientamento degli uccelli migratori sia correlata alla proprietà dell’entanglement. Infatti nella retina di questi animali alcuni elettroni possono “agganciare” il campo magnetico terrestre seguendolo fino a destinazione.

Queste scoperte in breve hanno rivoluzionato la biologia e hanno riportato in auge lavori e teorie pubblicati negli anni ’90 del novecento che indagavano persino la natura della coscienza umana, considerandola come un processo quantistico.

Di questo e di altro parleremo nei successivi articoli incentrati su questa nuova branca della fisica quantistica (5,6), entrando più nello specifico nella descrizione di questi fenomeni.

Per un primo approfondimento consiglio la seguente bibliografia:

1.           Engel GS, Calhoun TR, Read EL, Ahn TK, Mančal T, Cheng YC, et al. Evidence for wavelike energy transfer through quantum coherence in photosynthetic systems. Nature. 2007;446(7137):782–6.

2.           Bohr N. I QUANTI E LA VITA UNITA’ DELLA NATURA. UNITA’ DELLA CONOSCENZA. Boringhieri B, curatore. Hoepli; 2012.

3.           Schrodinger E. What is Life? With Mind and Matter and Autobiographical Sketches. Cambridge: Cambridge University Press, curatore. 1992.

4.           Frohlich H. Long-Range Coherence and Energy Storage in Biological Systems. 1968;11:641–9.

5.           Ball P. Physics of life: The dawn of quantum biology. Nature. 2011;474(7351):272–4.

6.           Calvillo L, Redaelli V, Ludwig N, Qaswal AB, Ghidoni A, Faini A, et al. Quantum Biology Research Meets Pathophysiology and Therapeutic Mechanisms: A Biomedical Perspective. Quantum Rep. 4 aprile 2022;4(2):148–72.