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đ Aprile 2025
đď¸ Alessio Coppola
La biologia quantistica è una scienza interdisciplinare che studia l'applicazione della fisica quantistica alla biologia.
La fisica quantistica è una teoria che descrive i processi del mondo microscopico, sulla scala degli atomi e delle molecole, dove avvengono fenomeni molto diversi da quelli che sperimentiamo nella vita quotidiana.
La biologia quantistica parte da una domanda: âLa fisica quantistica ha un ruolo rilevante per spiegare alcuni processi biologici?â
La risposta sembrerebbe âNoâ.
I fenomeni quantistici, infatti, sono molto delicati ed effimeri. Per poterli osservare in laboratorio bisogna usare tecniche sofisticate: raffreddare gli atomi vicino allo zero assoluto (-273,15 °C), usare macchine a vuoto e isolare gli esperimenti dai disturbi esterni (ad esempio i chip quantistici dellâIBM di Google lavorano a -270 °C).Â
Tutto questo è molto diverso dall'ambiente caldo, complesso e rumoroso di una cellula.
Tuttavia da una ventina di anni esperimenti di biochimica e spettroscopia hanno mostrato che alcuni meccanismi biologici potrebbero funzionare grazie alla fisica quantistica.
Storia
Le origini della biologia quantistica risalgono al 1929 in una conferenza del fisico Niels Bohr che suggerĂŹ che la fisica quantistica, appena scoperta in quegli anni, potesse avere qualche ruolo nello svelare il mistero della vita.
Queste idee ispirarono vari fisici, tra i quali Pascual Jordan, considerato il fondatore della biologia quantistica, che nel 1932 pubblicò il primo articolo scientifico su questo tema.
Dopo la scoperta della struttura a doppia elica del DNA nel 1953 e le nuove scoperte della biologia molecolare, la biologia quantistica passò per vari anni in secondo piano. Solo negli anni â90, quando apparvero nuove tecniche sperimentali, come i laser a impulsi veloci, alcuni esperimenti cominciarono a mostrare la possibile presenza di fenomeni quantistici in sistemi biologici.
Pascual JordanÂ
Credits: Unknown (Mondadori Publishers), Public domain, via Wikimedia Commons
Fotosintesi clorofilliana
Un processo biologico che potrebbe coinvolgere fenomeni quantistici è la fotosintesi clorofilliana, con il quale le piante e alcuni batteri usano la luce solare per formare composti organici e produrre oltre 15.000 tonnellate di biomassa al secondo.
Allâinizio della fotosintesi, la luce crea un âpacchetto di energiaâ chiamato eccitone, che si muove in un âlabirintoâ di molecole di clorofilla per arrivare a un sito chiamato centro di reazione. Questo centro, però, può essere molto lontano dallâeccitone e le molecole di clorofilla sono molto fitte tra loro.
Come fa lâeccitone a âcapireâ quale strada scegliere per arrivare al centro di reazione?
Secondo uno studio del 2007 dellâUniversitĂ della California, Berkeley, lâeccitone potrebbe comportarsi come unâonda grazie a un fenomeno chiamato sovrapposizione quantistica. Lâeccitone non farebbe un unico percorso nel labirinto di molecole di clorofilla (Figura A) ma potrebbe seguire tutte le strade possibili allo stesso tempo (Figura B) e selezionare quella piĂš efficiente per arrivare al centro di reazione. Questo spiegherebbe la grande efficienza della fotosintesi.
Tuttavia il dibattito su queste ricerche resta ancora aperto.
Figura A (sopra): l'eccitone segue un unico percorso per arrivare al cenrtro di reazione
Figura B (sotto): l'eccitone segue tutte le strade possibili tramite la sovrapposizione quantistica
Magnetoricezione degli uccelli
Un altro fenomeno studiato dalla biologia quantistica è la magnetoricezione degli uccelli, il meccanismo con cui questi animali si orientano usando il campo magnetico terrestre, per spostarsi ad esempio durante le migrazioni.
Negli anni â70 alcuni studiosi dellâIstituto Max Planck di Gottinga in Germania proposero un processo chiamato meccanismo della coppia di radicali in cui due elettroni restano âcollegatiâ tra loro grazie a un effetto quantistico chiamato entanglement (letteralmente âintreccioâ).
Secondo la fisica quantistica, se due elettroni sono "entangled", ciò che accade ad uno dei due elettroni influenza istantaneamente lâaltro, indipendentemente dalla loro distanza. Nello studio suddetto si proponeva che i due elettroni "entangled" fossero sensibili al campo magnetico terrestre e questo avrebbe permesso allâuccello di orientarsi.Â
Anche queste ricerche sulla magnetoricezione restano ancora aperte.
Conclusioni
La biologia quantistica è un campo di ricerca che sta aprendo la strada a un nuovo modo di studiare i sistemi viventi, portando scienziati di discipline diverse (fisica, chimica, biologia) a porsi nuove domande e a progettare nuovi esperimenti che potrebbero far luce su varie questioni della biologia.
Referenze:
Coppola A., Il pettirosso e la foglia: la biologia quantistica, tratto da AA.VV., Bestie, Batteri e altre BanalitĂ Biologiche, Apice Libri 2024
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