Fino a poco tempo fa lo strano mondo dei quanti e la complessità sfuggente della vita sembravano due domini distanti, senza alcun punto di contatto. Ma la «biologia quantistica» – questa nuovissima scienza – inizia a intrecciare le cose, svelando antichi misteri.
Sulla base di recentissimi esperimenti, rigorosi e ripetibili, si stano forse cominciando a capire cosa succede nel profondo delle cellule vivente, e finalmente avviando la comprensione di fenomeni che per secoli erano parsi inspiegabili, proprio attingendo al bizzarro e contro-intuitivo mondo dei quanti.
L’incredibile forza della fotosintesi, ad esempio, sembra dovere la sua inarrivabile efficienza al fatto che, a un certo punto del processo, le particelle subatomiche coinvolte si trovano contemporaneamente in due punti distinti grazie ai fenomeni quantistici.
Anche il funzionamento degli enzimi, la base stessa del nostro essere in vita, deve la sua perfezione quasi miracolosa al fatto che nel corso della reazione chimica alcune particelle sembrano «svanire» da un punto per «materializzarsi» istantaneamente da un’altra parte.
Le strane proprietà del mondo quantistico su esseri viventi
Una nuova analisi di un recente esperimento su batteri fotosintetici suggerisce che i ricercatori potrebbero essere riusciti a porne alcuni in uno stato di entanglement, mostrando per la prima volta l'effetto delle strane proprietà del mondo quantistico su esseri viventi e segnando il passaggio della biologia quantistica da ipotesi teorica a realtà tangibile.
Il mondo quantistico è strano. In teoria, e in una certa misura in pratica, i suoi principi richiedono che una particella possa apparire in due luoghi contemporaneamente - un fenomeno paradossale noto come sovrapposizione - e che due particelle possano diventare "entangled", condividendo informazioni su distanze arbitrariamente grandi attraverso un meccanismo ancora sconosciuto.
L'esempio forse più famoso di stranezza quantistica è il gatto di Schrödinger, un esperimento ideale proposto da Erwin Schrödinger nel 1935. Il fisico austriaco immaginava che un gatto posto in una scatola insieme a una sostanza radioattiva potenzialmente letale potesse, per le strane leggi della meccanica quantistica, esistere in uno stato di sovrapposizione ed essere sia morto che vivo, almeno fino all’apertura della scatola e all’osservazione del suo contenuto.
Questo concetto è stato convalidato sperimentalmente innumerevoli volte su scale quantistiche. Alla scala del nostro mondo macroscopico apparentemente più semplice e di sicuro più intuitivo, tuttavia, le cose cambiano. Nessuno ha mai visto una stella, un pianeta o un gatto in uno stato di sovrapposizione o di entanglement quantistico. Ma fin dalla formulazione iniziale della teoria quantistica, all'inizio del XX secolo, gli scienziati si sono chiesti dove si incrociano esattamente i mondi microscopici e macroscopici. Quanto può essere grande il regno quantistico? E potrebbe essere abbastanza grande perché i suoi aspetti più strani influenzino profondamente e chiaramente gli esseri viventi?
Effetti quantistici nel processo di fotosintesi
Negli ultimi due decenni il campo emergente della biologia quantistica ha cercato di rispondere a queste domande, proponendo ed effettuando su organismi viventi esperimenti che potrebbero essere in grado di sondare i limiti della teoria quantistica. Questi esperimenti hanno già dato risultati allettanti ma non conclusivi.
Alcuni ricercatori hanno mostrato che il processo di fotosintesi - in cui gli organismi producono sostanze nutritizie usando la luce - può comportare alcuni effetti quantistici. Il modo in cui gli uccelli navigano o fiutano gli odori suggerisce che gli effetti quantistici possano verificarsi in modi insoliti all'interno degli esseri viventi. Ma questi studi toccano solo la superficie del mondo quantistico. Finora, nessuno è mai riuscito a indurre un intero organismo vivente - nemmeno un batterio unicellulare - a mostrare effetti quantistici come l'entanglement o la sovrapposizione.
Di conseguenza, un nuovo articolo di un gruppo di ricercatori dell'Università di Oxford sta facendo aggrottare parecchie fronti per le sue affermazioni sulla riuscita di un esperimento di entanglement fra batteri e fotoni, particelle di luce.
Il 'batterio di Schrödinger’
In un esperimento condotto nel 2016 da David Coles e colleghi dell'Università di Sheffield, avevano sequestrato, tra due specchi diverse, centinaia di batteri verdi sulfurei, che sono fotosintetici, per poi ridurre via via la distanza tra gli specchi fino a poche centinaia di nanometri, molto meno della larghezza di un capello umano. Facendo rimbalzare della luce bianca tra gli specchi, i ricercatori speravano che le molecole fotosintetiche all'interno dei batteri si accoppiassero - o interagissero - con la cavità, il che significava essenzialmente che i batteri avrebbero continuato ad assorbire, emettere e riassorbire i fotoni che rimbalzavano. L'esperimento ha avuto successo: fino a sei batteri si sono accoppiati in quel modo. Sostengono però che i batteri non hanno soltanto interagito con la cavità. Nella loro analisi dimostrano che il segno energetico prodotto nell'esperimento potrebbe essere coerente con i sistemi fotosintetici di batteri entangled con la luce all'interno della cavità.
In sostanza, sembra che alcuni fotoni colpissero e mancassero contemporaneamente molecole fotosintetiche all'interno dei batteri, un segno distintivo dell'entanglement. "I nostri modelli mostrano che il fenomeno registrato è la firma di un entanglement tra la luce e certi gradi di libertà all'interno dei batteri", affermano.
Secondo il coautore dello studio Tristan Farrow, anche lui di Oxford, è la prima volta che un simile effetto è stato intravisto in un organismo vivente. "È certamente la chiave per dimostrare che siamo in qualche modo vicini all'idea di 'batterio di Schrödinger'", afferma. E suggerisce un altro potenziale esempio di biologia quantistica in natura: i batteri sulfurei verdi vivono nelle profondità dell'oceano dove la scarsità di luce, fonte di vita, potrebbe addirittura stimolare adattamenti evolutivi quantomeccanici per aumentare la fotosintesi.
Queste controverse affermazioni, tuttavia, vanno prese con molta cautela. In primo luogo, in questo esperimento la prova a favore dell’entanglement è circostanziale, e dipende da come si sceglie di interpretare la luce che attraversa ed esce dai batteri confinati nella cavità.
Gli scienziati riconoscono che i risultati dell'esperimento potrebbero essere spiegati anche da un modello classico privo di effetti quantistici. Peraltro, i fotoni non sono affatto classici: sono quantistici. Eppure, un modello "semi-classico" più realistico che usi le leggi di Newton per i batteri e quelle quantistiche per i fotoni, non riesce a riprodurre il risultato reale che Coles e colleghi hanno osservato nel loro laboratorio, il che suggerisce che gli effetti quantistici fossero in atto sia nella luce che nei batteri. La prova è un po' indiretta, ma penso che sia così solo perché stanno cercando di essere rigorosi ed escludere cose e rivendicare troppo, dice James Wootton, che si occupa di informatica quantistica all'IBM Zurich Research Laboratory.
L'altro caveat: le energie dei batteri e del fotone sono state misurate collettivamente, non in modo indipendente. Questo - secondo Simon Gröblacher della Delft University of Technology, nei Paesi Bassi, che non ha preso parte a questa ricerca - è in qualche modo un limite. "Sembra che stia accadendo qualcosa di quantistico", dice. "Ma… di solito, se si dimostra l'entanglement, bisogna misurare i due sistemi in modo indipendente" per confermare che qualsiasi correlazione quantistica tra essi sia autentica.
Nonostante queste incertezze, per molti esperti il passaggio della biologia quantistica da sogno teorico a realtà tangibile è una questione di “quando”, non di “se”.
Al di fuori dei sistemi biologici, le molecole, considerate in isolamento e collettivamente, hanno già mostrato effetti quantistici in decenni di esperimenti in laboratorio, quindi la ricerca di questi effetti per molecole simili all'interno di un batterio o addirittura del nostro stesso corpo sembrerebbe abbastanza sensata.
Negli esseri umani e in altri grandi organismi multicellulari, tuttavia, simili effetti quantistici molecolari in genere dovrebbero essere insignificanti, ma una loro manifestazione significativa all'interno di batteri, molto più piccoli, non sarebbe una sorpresa troppo sconvolgente. Sono un po' stupito per la sorpresa suscitata da questa scoperta, dice Gröblacher. Ma è ovviamente eccitante se lo si può dimostrare in un sistema biologico reale.
Gröblacher ha progettato un esperimento che potrebbe mettere in uno stato di sovrapposizione un minuscolo animale acquatico, un tardigrado, cosa molto più difficile che creare un entanglement fra i batteri e la luce, dato che i tardigradi hanno dimensioni centinaia di volte maggiori.
Farrow sta cercando modi per migliorare l'esperimento sui batteri; lui e i suoi colleghi sperano di mettere in entanglement due batteri, e non con la luce in modo indipendente. Gli obiettivi a lungo termine sono fondazionali e fondamentali, dice Farrow. Si tratta di capire la natura della realtà e se gli effetti quantistici siano utili alle funzioni biologiche. Alla radice delle cose, tutto è quantistico, aggiunge, alludendo alla questione se gli effetti quantistici abbiano un ruolo nel funzionamento degli esseri viventi.
Potrebbe essere, per esempio, che la selezione naturale abbia trovato il modo di sfruttare naturalmente i fenomeni quantistici, come nel già citato esempio della fotosintesi in batteri delle profondità marine povere di luce. Ma per arrivare a fondo di tutto ciò è necessario cominciare dalle piccole dimensioni.
Le ricerche si sono costantemente orientate verso esperimenti a macrolivello, con un recente esperimento che ha coinvolto, con successo, milioni di atomi. Provare che le molecole che compongono gli esseri viventi mostrano effetti quantistici significativi - anche se per scopi banali - sarebbe un passo successivo fondamentale. Esplorando questo confine fra mondo quantistico e classico, gli scienziati potrebbero avvicinarsi a capire che cosa significa essere macroscopicamente quantistici, se una tale idea fosse vera.
Il vento solare ha proprietà multidimensionali – CapitoloXVIII
La realtà attraverso la meccanica quantistica – Capitolo 16
Fonte: Jonathan O'Callaghan / Scientific American
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