Un salto qualitativo nella comprensione dei processi biologici
Il progetto PAPETS (Phonon-Assisted Processes for Energy Transfer and Sensing) si è concentrato su due processi biologici fondamentali: la fotosintesi (il processo per mezzo del quale le piante verdi usano la luce del sole per sintetizzare le sostanze nutrienti da biossido di carbonio e acqua) e l’olfatto (la capacità di riconoscere e distinguere odori diversi). Capire come funziona la fotosintesi al livello più fondamentale potrebbe avere come risultato la progettazione di celle solari molto più efficienti, mentre migliori tecnologie di rilevamento artificiale degli odori potrebbero essere usate per rilevare impurità o inquinamento in cibo, acqua, cosmetici o industrie farmaceutiche. Lezioni dalla natura “A differenza della vista, dell’udito o del tatto, il senso dell’olfatto è difficile da riprodurre artificialmente in modo efficace,” spiega il coordinatore del progetto PAPETS, il dott. Yasser Omar, dell’Instituto de Telecomunicações in Portogallo. “Siamo riusciti a dimostrare che le vibrazioni interne di una molecola sono la firma del suo odore e crediamo che questo potrebbe comportare il tunnelling degli elettroni.” Questi risultati, ottenuti per mezzo di rigorosi esperimenti scientifici e studi del comportamento dei moscerini Drosophila, sono stati dimostrati a varie esposizioni scientifiche, aiutando a comunicare concetti scientifici complessi a un pubblico ampio. “Le nostre esposizioni hanno fornito una spiegazione guidata e interattiva delle probabilità che il nostro senso dell’olfatto usi le vibrazioni delle sostanze odoranti per distinguere le fragranze,” spiega Omar. “Facciamo sentire ai visitatori delle fragranze con la stessa struttura ma arricchite con diversi livelli di isotopi di idrogeno. Questi composti hanno forma simile ma vibrano a frequenze diverse. Coloro che sono riusciti a distinguere gli isotopi riuscivano di conseguenza riuscivano a sentire l’odore delle molecole che hanno una forma molto simile ma vibrano in modo diverso, in effetti sentivano l’odore delle vibrazioni!” Un altro progresso del progetto comportava lo studio di un meccanismo vibronico che spiega in che modo l’energia è trasportata in complessi fotosintetici. Si è scoperto che questo aveva un ruolo essenziale nel processo di separazione di carica dei fotovoltaici organici e i risultati di questo sono stati pubblicati sulla rivista “Nature Communications” a dicembre 2016. “Questo suggerisce la possibilità che il concetto dell’accoppiamento vibronico, sviluppato dallo studio della fotosintesi, potrebbe essere sfruttato per migliorare le celle solari,” dice Omar. Il progetto ha esaminato in che modo gli organismi fotosintetici usano antenne delicate per raccogliere energia dalla luce del sole. Dopo aver catturato la luce, la sua energia viene rapidamente trasferita all’interno dell’antenna, che conserva la sua funzionalità operando in un ambiente fluttuante. Il team del progetto è riuscito a registrare con precisione questo processo in azione per la prima volta. Queste informazioni uniche potrebbero in definitiva essere applicate nella progettazione di antenne solari artificiali. Applicare la fisica quantica Questi importanti passi avanti sono stati possibili grazie all’applicazione della fisica quantica e in particolare del principio della “sovrapposizione”. Questo principio afferma che una particella può essere descritta come presente in due stati contemporaneamente. La sovrapposizione, anche se può essere difficile da concepire per i non esperti, ha solide basi scientifiche. La sovrapposizione contribuisce a un trasporto più efficiente dell’energia,” dice Omar. “Un eccitone, una quasi-particella quantica che trasporta energia, riesce a viaggiare più velocemente lungo il complesso fotosintetico grazie al fatto che può viaggiare attraverso sue diversi percorsi contemporaneamente. La cosa sorprendente ed eccitante è che questi effetti quantici sono stati osservati in complessi biologici, che sono sistemi grandi, umidi e rumorosi. La sovrapposizione è fragile e ci aspetteremmo che venga distrutta dall’ambiente.” Il progetto PAPETS, che è stato completato a novembre 2016, ha contribuito a far progredire ulteriormente la conoscenza del ruolo degli effetti quantici in processi biologici, cioè nella fotosintesi, e le conoscenze che sono state acquisite hanno importanti applicazioni pratiche. Il confine tra biologia e fisica quantistica rimane un’area ricca di valore scientifico ancora da scoprire.
Parole chiave
PAPETS, fotosintesi, energia, biologico, quantum, sovrapposizione, acqua, biossido di carbonio
