La danza quantistica della vita: come la fotosintesi sfrutta il mondo subatomico

La fotosintesi è uno dei processi più affascinanti della natura, attraverso il quale le piante trasformano la luce solare in energia chimica. Quello che per decenni è sembrato un processo puramente chimico, oggi rivela una sorprendente verità: nel cuore della fotosintesi si nasconde un delicato balletto quantistico.

Per molto tempo, gli scienziati sono rimasti perplessi dall’incredibile efficienza della fotosintesi: quando la luce colpisce una foglia, quasi ogni fotone catturato viene convertito in energia utilizzabile dalla pianta, con un’efficienza che supera il 95% in condizioni ottimali, motivo per cui la foglia è diventata oggetto di studio nei laboratori che si occupavano di creare efficienti pannelli solari.

Proprio all’interno di questi studi, quasi per serendipità, Engel e colleghi (1) hanno scoperto il segreto di questa straordinaria efficienza: la fotosintesi sfrutta il principio di sovrapposizione quantistica per garantire la massima produzione di ossigeno e nutrienti, nonostante la continua variazione delle condizioni ambientali esterne. E, contro ogni precedente convinzione, la coerenza quantistica viene mantenuta per tutta la cascata elettronica che è alla base della fotosintesi stessa. Infatti l’implicazione più sorprendente di questa scoperta è il fatto che questi delicati effetti quantistici possano persistere in un ambiente caldo e rumoroso della cellula, sopravvivendo al rumore termico. Le ricerche suggeriscono che le proteine che circondano i complessi fotosintetici creino un ambiente protettivo, permettendo agli stati quantistici di sopravvivere abbastanza a lungo da svolgere il loro ruolo cruciale. Sembra che le membrane plasmatiche siano fra gli elementi chiave che permettono alle cellule di creare al loro interno ambienti protetti e separati. Concettualmente questo processo è simile a quello che avviene nei nostri acceleratori di particelle, dove gli scienziati creano un ambiente totalmente separato dall’esterno, caratterizzato da precise condizioni ambientali che permettono ai delicati processi quantistici di mantenere la loro efficienza senza collassare.

Vediamo un po’ più nel dettaglio il meccanismo scoperto da Engel e colleghi: nel centro di reazione fotosintetico, le molecole di clorofilla formano strutture che possiamo chiamare “antenne”. Quando un fotone viene assorbito da queste molecole, crea uno stato di eccitazione che deve viaggiare attraverso questo complesso fino a raggiungere il centro di reazione. Secondo la fisica classica, questa energia dovrebbe “rimbalzare” casualmente tra le molecole, perdendo molta energia nel processo.

Invece, grazie al mantenimento della coerenza quantistica all’interno del complesso fotosintetico, l’energia si comporta come un’onda quantistica, esplorando simultaneamente tutti i possibili percorsi verso il centro di reazione. Questo fenomeno, chiamato “sovrapposizione quantistica”, permette all’energia di trovare istantaneamente il percorso più efficiente, come se fosse guidata da un GPS.

C’è un’immagine comunemente usata spiegare la sovrapposizione al pubblico non specializzato (Fig. 1), in cui il lettore può vedere un vaso o due facce, ma le due figure esistono allo stesso tempo. È “la scelta” della mente del lettore a rendere visibile l’una o l’altra. Questa “scelta” potrebbe rappresentare ciò che viene descritto come collasso della funzione d’onda. Gli elettroni nei processi fotosintetici sono in uno stato “sovrapposto” fino a quando non “collassano”, in base alle condizioni ambientali, innescando la cascata biochimica che trasforma i fotoni in energia chimica, nel miglior pannello solare conosciuto (1–4).

La fotosintesi quantistica ci mostra come la natura abbia evoluto sistemi in grado di sfruttare i più sottili effetti della meccanica quantistica per sostenere la vita sulla Terra. Questa scoperta non solo ha rivoluzionato la nostra comprensione della biologia, ma sta anche ispirando una nuova generazione di tecnologie sostenibili.

Fig. 1

Letture per approfondire:

1. Engel GS, Calhoun TR, Read EL, Ahn TK, Mančal T, Cheng YC, et al. Evidence for wavelike energy transfer through quantum coherence in photosynthetic systems. Nature. 2007;446(7137):782–6.

2. Calvillo L, Parati G. Immune System and Mind-Body Medicine – An Overview. In: Brain and Heart Dynamics [Internet]. Cham, Switzerland: Springer International Publishing; 2019. p. 1–19. Available from: http://link.springer.com/10.1007/978-3-319-90305-7_9-1

3. Calvillo L, Redaelli V, Ludwig N, Qaswal AB, Ghidoni A, Faini A, et al. Quantum Biology Research Meets Pathophysiology and Therapeutic Mechanisms: A Biomedical Perspective. Quantum Rep. 2022 Apr 4;4(2):148–72.

4. Al-Khalili J. Life on the Edge: The Coming of Age of Quantum Biology. Bantam Press; 2014.