PAPETS: La fisica quantistica fornisce informazioni stupefacenti sui processi biologici
È possibile, ad esempio, che una cosa si trovi in due posti diversi allo stesso tempo? Secondo la fisica quantistica, è possibile. Più precisamente, in linea con il principio della “sovrapposizione”, si può descrivere una particella come esistente in due stati diversi contemporaneamente. Anche se per i non esperti potrebbe sembrare una pratica voodoo, la sovrapposizione ha solide fondamenta scientifiche. I ricercatori del progetto PAPETS stanno studiando questo e altri fenomeni che si trovano al confine tra la biologia e la fisica quantistica. Il loro obiettivo è quello di determinare il ruolo delle dinamiche vibrazionali nella fotosintesi e nell’olfatto. La “sovrapposizione” quantistica rende la fotosintesi più efficiente Gli effetti quantici in un sistema biologico – per esempio in un complesso fotosintetico – sono stati osservati per la prima volta da Greg Engel e dai suoi collaboratori nel 2007, negli Stati Uniti. Questi effetti sono stati riprodotti in diversi laboratori a temperature di circa -193 gradi Celsius e in seguito a temperatura ambiente. “La cosa sorprendente e interessante è che questi effetti quantici sono stati osservati in complessi biologici, che sono sistemi grandi, umidi e rumorosi,” spiega il coordinatore del progetto PAPETS, il dott. Yasser Omar, ricercatore presso l’Instituto de Telecomunicações e professore all’Universidade de Lisboa. “La sovrapposizione è fragile e ci si aspetterebbe che venga distrutta dall’ambiente. La sovrapposizione contribuisce a un trasporto più efficiente dell’energia. Un eccitone – una quasi-particella quantica che trasporta energia – può viaggiare più velocemente lungo il complesso fotosintetico grazie al fatto che può esistere in due stati contemporaneamente. Quando arriva a una biforcazione, non ha bisogno di scegliere destra o sinistra, può procedere su entrambi i percorsi contemporaneamente. “È come un labirinto,” afferma il dott. Omar. “Solo una porta conduce all’uscita, ma l’eccitone può provare sia quella di destra che quella di sinistra contemporaneamente. È più efficiente.” Il dott. Omar e i suoi colleghi ritengono che una confluenza di fattori aiuti a effettuare e mantenere la sovrapposizione, ovvero le dinamiche dell’ambiente vibrante, il cui ruolo è appunto quello che il progetto PAPETS si propone di capire e sfruttare. La teoria e la sperimentazione s’incontrano Le teorie studiate da PAPETS sono testate anche in esperimenti per verificarle e acquisire ulteriori informazioni. Per studiare il trasporto quantico nella fotosintesi, per esempio, i ricercatori hanno sparato impulsi laser veloci in sistemi biologici, osservando poi l’interferenza lungo la rete di trasporto, un segno distintivo del fenomeno a onda. “È come gettare sassi in un lago,” spiega il dott. Omar. “Si può vedere se le onde generate diventano più grandi o si cancellano l’un l’altra quando s’incontrano.” Applicazioni: celle solari più efficienti e rilevazione degli odori Benché PAPETS sia essenzialmente un progetto di studio, sta producendo informazioni che potrebbero avere applicazioni pratiche. I ricercatori di PAPETS stanno raggiungendo una comprensione più profonda di come funziona la fotosintesi e questo potrebbe avere come risultato celle solari molto più efficienti. L’olfatto – la capacità di riconoscere e distinguere odori diversi – è un altro settore promettente. Gli esperimenti si concentrano sul comportamento delle mosche Drosophilia. Finora i ricercatori sospettano che la creazione di un tunnel da parte degli elettroni associata alle vibrazioni interne di una molecola potrebbero essere un segnale dell’odore. Il dott. Omar paragona questa creazione di un tunnel a una palla di ping pong messa in una ciotola che attraversa uno dei lati della ciotola per apparire al di fuori di essa. Questo lavoro potrebbe avere applicazioni nel settore alimentare, idrico, cosmetico e farmaceutico. Una migliore rilevazione artificiale dell’odore potrebbe essere usata per rilevare impurità o inquinamento, ad esempio. “Diversamente dalla vista, l'udito o il tatto, il senso dell’olfatto è difficile da riprodurre artificialmente con un’alta efficacia,” dice il dott. Omar. Il progetto PAPETS coinvolge 7 partner, è stato avviato a settembre 2014 e si concluderà ad agosto 2016, e ha ottenuto un finanziamento dall’UE di 1,8 milioni di euro. Collegamento al sito web del progetto
Parole chiave
Fisica quantistica, biologia, fotosintesi, olfatto, principio di sovrapposizione, UE, CORDIS