La fotosintesi clorofilliana è uno dei processi più importanti del nostro mondo, se non il più importante. La clorofilla, infatti, permette di catturare i fotoni ed usarne l’energia nei processi biologici. Nel primo decennio degli anni duemila questo processo energetico iniziò ad essere studiato non solo da biologi e botanici, ma anche dai fisici, che ben presto ne scoprirono i risvolti quantistici. Il processo biologico fotosintetico sfrutta infatti il principio base usato per il funzionamento dei computer quantistici in condizioni fino a prima considerate impossibili.
Le strutture della fotosintesi
All’interno della cellula fotosintetica si trovano i cloroplasti, strutture sferoidali sospese nel citoplasma cellulare. All’interno dei cloroplasti troviamo i tilacoidi, strutture a forma di disco contenenti la clorofilla, un pigmento.
La clorofilla è una molecola organica che richiama la struttura dell’eme dell’emoglobina. La molecola della clorofilla a è caratterizzata da un nucleo porfirinico formato da quattro anelli pirrolici, un atomo di magnesio (Mg) e numerosi doppi legami coniugati:
Fotosintesi
Il processo della fotosintesi clorofilliana è estremamente efficiente; riesce infatti ad utilizzare quasi il 100% dell’energia luminosa che cattura.
Nella fase luminosa del processo, i cromofori sono le antenne che captano i fotoni. Quando un fotone colpisce l’atomo di magnesio, gli cede energia sufficiente per liberare dall’orbita atomica più esterna un elettrone; l’elettrone in questione compie un salto quantico in accordo con quanto postulato da Bohr. Si forma così una lacuna positiva (la struttura prende il nome di ‘eccitone’).
L’ eccitone è estremamente instabile, l’elettrone staccatosi viene attirato dall’atomo di magnesio per ricostituire la stabilità della molecola con la restituzione dell’energia presa dal fotone sotto forma di calore. L’eccitone deve essere quindi trasportato nel più breve tempo possibile nel ‘centro di reazione’, la struttura dove l’energia assorbita dai fotoni viene convertita in energia chimica utilizzabile dall’organismo (il trasporto si realizza grazie all’alta concentrazione di clorofilla). Lo stato di eccitazione passa da una molecola all’altra fino a trovare il centro di reazione. Storicamente si pensava che il trasporto seguisse una direzione casuale fino a scontrarsi fortunatamente con il centro di reazione. Questo però non è un viaggio breve ed il rischio è che seguendo la traiettoria sbagliata il prezioso eccitone perda la sua carica prima di raggiungere la destinazione. Essendo il processo della fotosintesi molto efficiente, questo modello di salti casuali dell’eccitone non lo sembra spiegare nel migliore dei modi.
Gregory Engel e collaboratori nel 2007 usarono una tecnica chiamata ‘spettroscopia elettronica bidimensionale in trasformata di Fourier’ per indagare lo spostamento di carica dell’eccitone alla ricerca del centro di reazione. La tecnica si basa sul bombardare con brevi e intensi impulsi laser i campioni in esame; il campione rimanda dei segnali di luce captati da appositi sensori. I ricercatori usarono dei microbi fotosintetici chiamati ‘chlorobi’ presenti nei bacini solfurei. Nell’articolo che pubblicarono su Nature intitolato “Evidence for wavelike energy transfer through quantum coherence in photosynthetic systems”, il team di Engel mette in evidenza come i dati raccolti indichino che il viaggio dell’eccitone non ha una traiettoria singola, ma è come se viaggiasse su più traiettorie contemporaneamente, come un’onda. Il segnale che ne risultava era simile alla figura di interferenza a bande dell’esperimento della doppia fenditura. Questo tipo di segnale, simile ai battimenti delle onde acustiche, dimostrava nel processo una coerenza quantistica [1].
Gli scienziati di tutto il mondo si incuriosirono e si susseguirono esperimenti per provare o confutare i risultati del gruppo di Engel. Ma più si facevano esperimenti, più i dati venivano confermati anche a temperatura ambiente e in proteine presenti nella maggior parte dei vegetali della terra. In “Quantum Coherence Enabled Determination of the Energy Landscape in Light-Harvesting Complex II” pubblicato nel 2009 da The journal of physical chemistry si dimostra che il complesso LHCII mostra lo stesso comportamento (questo complesso è presente in più del 50% delle specie vegetali).
Il perché di tanto sgomento è presto detto: la coerenza quantistica è un fenomeno estremamente labile ed influenzabile da fattori esterni -primo tra tutti la temperatura- che eccitando e facendo vibrare molecole e atomi, va a rompere il delicato meccanismo della coerenza
La coerenza quantistica è il principio su cui si basano i computer quantistici che abbisognavano di temperature il più possibile vicine allo zero assoluto per mantenerla stabile e non cadere nella decoerenza, condizioni molto lontane da quelle in cui un organismo può sopravvivere.
Sembra che per rendere possibile questo tipo di trasporto la natura abbia imparato a ‘danzare’ insieme all’eccitone. Le strutture molecolari all’interno dei tilacoidi hanno delle proprie frequenze di oscillazione, questi rumori di fondo sosterrebbero il trasporto dell’onda-eccitone mantenendo la coerenza per il tempo necessario affinché l’energia trovi la via per il centro di reazione (Highly efficient energy excitation transfer in light-harvesting complexes: The fundamental role of noise-assisted transport, S. Huelga, M. Plenio ).
Non era ritenuto possibile che sistemi biologici fossero in grado di sfruttare la coerenza a temperature compatibili con la vita, ma se nessuno può dire a Dio se può giocare, allo stesso modo nessuno può dire alla natura quello che può o non può fare.
Cristian Bortoli
Medico
Approfondimento
[1] Stato quantistico e coerenza quantistica
Nella coerenza quantistica, lo stato di un sistema quantistico è descritto da una funzione d’onda (o vettore di stato), spesso indicato con il simbolo |ψ⟩. Questo stato quantistico rappresenta l’insieme completo delle informazioni sul sistema e contiene tutte le possibili configurazioni o risultati che il sistema può assumere quando viene misurato.
Un vettore di stato quantistico può esistere in uno stato sovrapposto, che è una combinazione lineare di stati di base o stati propri del sistema. Ad esempio, uno stato quantistico di una particella può essere una sovrapposizione di diversi stati di posizione o di spin. Ciò significa che la particella può essere contemporaneamente in più posizioni o avere più orientamenti di spin, con probabilità associate a ciascun possibile stato.
La coerenza quantistica si manifesta quando gli stati sovrapposti interagiscono in modo coerente, consentendo l’interferenza tra i diversi possibili stati. Ad esempio, se uno stato quantistico può essere scritto come la somma di due componenti, allora la probabilità di misurare ciascuna delle componenti dipenderà dall’interazione tra di esse. Ciò può portare a effetti osservabili, come l’interferenza quantistica, che non hanno corrispondenza nel mondo classico.
Tuttavia, quando un sistema quantistico interagisce con l’ambiente esterno, può subire il fenomeno della decoerenza, che causa la perdita della coerenza quantistica e il collasso dello stato quantistico in uno stato definito (noto come ‘collasso della funzione d’onda’). Questo accade a causa delle interazioni casuali con le particelle ambientali, che introducono errori e disturbi che interferiscono con la coerenza del sistema quantistico.
In breve, lo stato in coerenza quantistica si riferisce al vettore di stato che descrive il sistema quantistico e contiene le informazioni complete sulle possibili configurazioni e risultati che il sistema può assumere. La coerenza quantistica si riferisce alla proprietà di esistere in uno stato sovrapposto, in cui più stati possono coesistere e interagire in modo coerente.
Un esempio semplice di stato quantistico può essere quello di una particella che può essere in uno dei due stati di base, chiamati comunemente |0⟩ e |1⟩. Questi stati rappresentano una base computazionale per un qubit, l’analogo quantistico del bit classico.
Lo stato di un qubit può essere una combinazione lineare di |0⟩ e |1⟩, esprimibile come:
|ψ⟩ = α|0⟩ + β|1⟩,
dove α e β sono numeri complessi che rappresentano le ampiezze di probabilità associate ai rispettivi stati di base. Inoltre, il modulo quadro delle ampiezze di probabilità (|α|² e |β|²) rappresenta la probabilità di trovare il qubit nello stato |0⟩ o |1⟩ rispettivamente; e la somma dei quadrati delle ampiezze di probabilità deve essere uguale a 1 (|α|² + |β|² = 1) per garantire la normalizzazione dello stato.
Ad esempio, un possibile stato quantistico di un qubit potrebbe essere:
|ψ⟩ = √0.6|0⟩ + √0.4|1⟩.
In questo caso, α = √0.6 e β = √0.4. Ciò significa che la probabilità di misurare il qubit nello stato |0⟩ è 0.6 (|α|²), mentre la probabilità di misurarlo nello stato |1⟩ è 0.4 (|β|²).
È importante notare che, mentre uno stato classico sarebbe definito in modo deterministico, ad esempio come 0 o 1, uno stato quantistico permette una sovrapposizione di entrambi gli stati di base con ampiezze di probabilità associate. Questo apre la possibilità di effetti di interferenza quantistica e calcoli paralleli, caratteristici della coerenza quantistica.
