Il battito quantistico ed il groviglio biologico

Uno dei processi naturali che in questo momento è sottoposto più di altri all'indagine degli sperimentatori e dei teorici, fisici, chimici e biologi, tutti assieme a cercare di carpirne i misteri, è quello della fotosintesi, il processo in cui l'energia solare viene utilizzata per convertire l'anidride carbonica in composti organici. Pare curioso, uno s'immagina che un argomento che ha studiato sin dai primi anni di scuola sia perfettamente compreso e, nelle sue linee generali, certamente lo è.

photosynthetic antenna and reaction center function

Le piante e le alghe (ed anche i cianobatteri) sono dotate di due speciali complessi multi proteici, due fotosistemi che permettono l'assorbimento della luce ed il trasferimento di energia ed elettroni. I light harvesting complexes sono le “antenne”, costituite da proteine e pigmenti, che raccolgono la luce che viene poi catturata nel centro di reazione fotosintetico (clorofilliano). Quando la luce (la radiazione elettromagnetica in generale) investe un atomo o una molecola, complessa quanto vi pare, può accadere che un elettrone venga promosso da un livello energetico all'altro (l'energia interna di un atomo o di una molecola assume sempre livelli discreti) ma il destino di tale eccitazione è quello di durare per un tempo limitato e così la molecola si diseccita saltando ad un livello energetico più basso emettendo a sua volta radiazione elettromagnetica. Se la molecola non è isolata ma si trova invece nelle strette vicinanze di un'altra molecola, parte di questa energia di diseccitazione potrà essere trasferita dalla molecola donatrice alla molecola accettante.  Gli organismi fotosintetici operano sfruttando un processo analogo e sono fatti in maniera tale da ottimizzare la rapidità di trasferimento di questa energia, con un'efficienza irraggiungibile da qualsiasi sistema artificiale, impossibile da spiegare nei termini delle classiche equazioni di diffusione. 

Electronic coherence beating

Alcuni esperimenti, pubblicati dal 2004 ad oggi su Nature e Science, in particolare il lavoro di Engel et al. pubblicato su Nature nel 2007, hanno mostrato con chiarezza che questo trasferimento di energia coinvolge un fenomeno di coerenza quantistica, riportando l'individuazione di un segnale di “battito quantistico”, l'evidenza di un comportamento oscillatorio delle eccitazioni elettroniche sia nella molecola donatrice che nella molecola accettante (come le increspature che si formano quando le pietre sono gettate in uno stagno). Tali oscillazioni, incontrandosi ed interferendo costruttivamente possono generare una sovrapposizione di stati quantici che può sondare tutti i potenziali percorsi energetici e scegliere quasi istantaneamente il percorso più veloce verso il centro di reazione, senza subire costi energetici. La descrizione “classica” del processo di trasferimento di energia, quella in cui l’energia di eccitazione “salta” dai pigmenti al centro di reazione passo dopo passo, giù, lungo la scala di energia molecolare, è stata spedita definitivamente in soffitta.
Questi, in estrema sintesi, i fatti ma dai fatti alle speculazioni (nel senso buono del termine) il passo è breve ed ogni volta che appaiono fenomeni di coerenza quantistica pare quasi un obbligo tirar fuori l’entanglement. L'entanglement è un aspetto peculiare dei sistemi quantistici interagenti legato alle “relazioni reciproche” (le correlazioni) tra questi sistemi, al rapporto di mutua dipendenza che si instaura tra di essi. Mentre in Fisica Classica gli eventi che avvengono in una certa regione spazio-temporale non possono essere influenzati da un cambiamento che avviene in un'altra regione spazio-temporale distante, quando due sistemi quantistici sono correlati è impossibile descriverli come due entità separate, indipendentemente dalla distanza che li separa. Una correlazione non locale di natura puramente quantistica tra due o più sistemi fisici è proprio quella che viene detta entanglement. Se c'è quindi evidenza di effetti coerenti nel trasferimento di energia nella piante, allora la comprensione di come le eccitazioni elettroniche sono accoppiate tra loro e con i modi vibrazionali della proteina è un prerequisito necessario per poter determinare come si manifesta l’entanglement in questi sistemi. Bisogna costruire il modello ma le cose non sono così scontate come pare.
Già Vedral e Farrow avevano ricavato un semplice modello per riprodurre gli effetti di coerenza trovati negli esperimenti senza il bisogno di ricorrere a particolari misure di entanglement al contrario di Sarovar et al. impegnati nel determinare tempi e temperature per le quali l'entanglement è osservabile in una struttura proteica. Sarovar stesso, assieme ad altri due colleghi dell'Università di California (Berkeley), pubblica ora su arXiv una rassegna critica dei più recenti modelli teorici che provano a catturare le caratteristiche salienti della parte efficiente del trasferimento di energia nei complessi fotosintetici. Ne conclude che, malgrado gli sforzi, il ruolo dell’entanglement nei sistemi biologici appare ancora ben lontano dall'essere compreso anche se questi modelli forniscono le prime misure quantitative che permettono di ricavare alcune informazioni dettagliate sulla natura dell’interazione tra le oscillazioni elettroniche e l'ambiente che le circonda che le misure più tradizionali non sono in grado di valutare. 
I processi biologici sono fenomeni dinamici complessi ed i sistemi biologici non possono essere ridotti a meccanismi perfetti di fisica dello stato solido, a raffinati prototipi da laboratorio. Non è affatto scontato predisporre misure calcolabili dell’entanglement nei sistemi complessi ma è proprio questa la linea di ricerca che ora vede impegnati molti fisici teorici, ricercatori che possono sfruttare con soddisfazione le grandi opportunità che la collaborazione con colleghi di altre discipline fornisce loro.

Engel, G., Calhoun, T., Read, E., Ahn, T., Mančal, T., Cheng, Y., Blankenship, R., & Fleming, G. (2007). Evidence for wavelike energy transfer through quantum coherence in photosynthetic systems Nature, 446 (7137), 782-786 DOI: 10.1038/nature05678

K. Birgitta Whaley, Mohan Sarovar, & Akihito Ishizaki (2010). Quantum entanglement phenomena in photosynthetic light harvesting complexes To appear in the proceedings of the 22nd Solvay Conference in Chemistry on "Quantum Effects in Chemistry and Biology" arXiv: 1012.4059v1