La biologia quantistica🧬⚛️

📅 Aprile 2025

🖊️ 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: “La fisica quantistica ha un ruolo rilevante per spiegare alcuni processi biologici?”


La risposta sembrerebbe “No”.

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 dell’IBM di Google lavorano a -270 °C). 

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 ’90, 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 Jordan 

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.


All’inizio della fotosintesi, la luce crea un “pacchetto di energia” chiamato eccitone, che si muove in un “labirinto” di molecole di clorofilla per arrivare a un sito chiamato centro di reazione. Questo centro, però, può essere molto lontano dall’eccitone e le molecole di clorofilla sono molto fitte tra loro.

Come fa l’eccitone a “capire” quale strada scegliere per arrivare al centro di reazione?


Secondo uno studio del 2007 dell’Università della California, Berkeley, l’eccitone potrebbe comportarsi come un’onda grazie a un fenomeno chiamato sovrapposizione quantistica. L’eccitone 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 più 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 ‘70 alcuni studiosi dell’Istituto Max Planck di Gottinga in Germania proposero un processo chiamato meccanismo della coppia di radicali in cui due elettroni restano “collegati” tra loro grazie a un effetto quantistico chiamato entanglement (letteralmente “intreccio”).


Secondo la fisica quantistica, se due elettroni sono "entangled", ciò che accade ad uno dei due elettroni influenza istantaneamente l’altro, indipendentemente dalla loro distanza. Nello studio suddetto si proponeva che i due elettroni "entangled" fossero sensibili al campo magnetico terrestre e questo avrebbe permesso all’uccello di orientarsi. 

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