Aspetti biologici della fisica quantistica

 

La meccanica quantistica ha ormai oltre un secolo, da quel pomeriggio d’autunno del 1900 in cui Max Planck scoprì che gli scambi di energia nei fenomeni di emissione e di assorbimento delle radiazioni elettromagnetiche avvengono in forma discreta, non già in forma continua come sosteneva la teoria elettromagnetica classica. Da quel momento, la rivoluzione scientifica che ebbe luogo portò a scoperte sensazionali sulla struttura più intima della materia e dell’Universo, introducendo aspetti e caratteristiche completamente nuovi per gli scienziati dell’epoca.

FotosintesiLa 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.

La Biologia Quantistica è un campo scientifico ancora relativamente giovane in cui fisici teorici (il più impegnato è il fisico teorico inglese Jim Al-Khalili), chimici e biologi molecolari di tutto il mondo stanno lavorando alla raccolta di dati sperimentali e intuizioni speculative nel comune intento di fare luce – attraverso la meccanica quantistica – su alcuni aspetti ancora poco chiari della biologia.

In questo articolo ci soffermeremo solo sui 3 esempi più consolidati nei rispettivi ambiti: vegetale, animale e umano, rimandando un’analisi più approfondita alla pubblicazione di ulteriori dati dalla comunità scientifica. Ciò che interessa soprattutto evidenziare è l’inevitabile collegamento di fenomeni fisici complessi quali l’indeterminazione, l’effetto Tunnel e l’entanglement (definito dallo stesso Einstein come “un’azione spettrale a distanza“) all’interno di strutture biologiche. Un collegamento che ci porta ancora una volta a ribadire come le strutture più intime della materia siano tra loro interconnesse nel Tutto universale.

 

Fotosintesi

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”.

 

Migrazione degli uccelli

Robin_entanglement
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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 (vedi figura): il crittocromo 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.

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. 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.

 

Natura quantistica della coscienza

Prendiamo in esame la teoria di Penrose-Hameroff (PE) sull’ipotizzato funzionamento quantistico del cervello, teoria peraltro criticata da Tegmark e altri, ma supportata da altrettanti.

Roger Penrose
Roger Penrose

Il fisico matematico e filosofo della scienza inglese Roger Penrose ha sviluppato l’ipotesi denominata Orch-OR (Orchestrated objective reduction) secondo la quale la coscienza ha origine da processi all’interno dei neuroni, piuttosto che dalle connessioni tra i neuroni (la visione convenzionale). Il meccanismo è ritenuto essere un processo di fisica quantistica chiamato riduzione oggettiva che viene orchestrata dalle strutture molecolari dei microtubuli delle cellule cerebrali (costituenti il citoscheletro delle cellule stesse). Insieme al medico Stuart Hameroff, Penrose ha suggerito una relazione diretta tra le vibrazioni quantistiche dei microtubuli e la formazione della coscienza .

I due scienziati hanno scoperto che i microtubuli presenti nel cervello si trovano tra loro in perfetto stato di entanglement. Come concordano Penrose e Hameroff, il “momento conscio” corrisponde “al collasso della funzione d’onda che raccoglieva in sé, in un unico stato quantistico, il complesso entanglement globale che unisce i microtubuli del cervello” . Questa fase viene denominata “riduzione obiettiva orchestrata” (Orch-OR).

Penrose e Hameroff affermano che l’emergere della coscienza si verifica solamente quando una “orchestra” di microtubuli (all’interno dei neuroni) in stato di coerenza quantistica fa in modo che la funzione d’onda che li governa collassi generando ogni volta un momento di coscienza secondo la semplicissima legge:

E = h/2πt

dove:

E = nanogrammi di proteine nei microtubuli
h/2π = costante di Planck
t = durata del fenomeno di coscienza

La formula denota che minore è il tempo t, maggiore è l’energia associata al fenomeno di “coscienza”. Se t = ∞, non esiste nessuna coscienza. Se t=0, il collasso genera una coscienza idealmente infinita.

Recentemente, il fisico Massimo Teodorani ha fatto notare come questa sia la stessa identica legge che governa il modo in cui fluttuazioni in forma di particelle virtuali nascono dal vuoto quantistico. E alcune di esse possono generare Universi fatti di materia, incluso quello in cui esistiamo. Ne consegue che, secondo Teodorani, se la teoria di Penrose e Hameroff fosse confermata, allora materia e coscienza sarebbero intrinsecamente legate tra loro. Da ciò si deduce che la coscienza emerge solamente se c’è materia in particolari condizioni di entanglement sotto forma di coerenza quantistica. Se non c’è materia non c’è coscienza attiva quindi, secondo Teodorani, l’universo fisico non può essere privo di coscienza.

Una recente pubblicazione (2014) del Physics of Life Reviews ha presentato la conferma sperimentale della presenza di vibrazioni quantistiche nei microtubuli dei neuroni cerebrali.

Scrive Penrose: “L’evoluzione della vita cosciente su questo pianeta è dovuta a successive mutazioni occorse nel tempo. Queste, presumibilmente, rappresentano eventi quantistici e quindi sarebbero esistite sotto forma di stati multipli sovrapposti fino a quando l’evoluzione ha portato a un essere cosciente, la cui vera esistenza dipende da tutte le corrette mutazioni che hanno realmente avuto luogo”.

 

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