La biologia quantistica

Un team UNSW Australia guidato da ricercatori ha scoperto come le alghe che sopravvivono a livelli molto bassi di luce sono in grado di accendere e spegnere un fenomeno quantistico strano che si verifica durante la fotosintesi.

La funzione nelle alghe di questo effetto quantistico, conosciuto come la coerenza, rimane un mistero, ma si pensa che potrebbe aiutarle a raccogliere molto più efficientemente l'energia dal sole. Lavorare su questi meccanismi  in un organismo vivente potrebbe portare a progressi tecnologici notevoli, come migliori celle solari organiche e dispositivi elettronici basati sulla quantistica.

Fa parte di un settore emergente denominato biologia quantistica, in cui sono in crescita le prove che i fenomeni quantistici operano in natura, non solo il laboratorio, e possono anche spiegare come gli uccelli si spostano utilizzando il campo magnetico terrestre.

"Abbiamo studiato piccole alghe unicellulari chiamati criptofite -dice l'autore, il professor Paul Curmi, della scuola UNSW di Fisica- che prosperano nel fondo di pozze d'acqua, o sotto spesse coltri di ghiaccio, dove li raggiunge molto poca luce ".

"La maggior parte delle criptofite hanno un sistema di raccolta della luce dove è presente la coerenza quantistica. Ma abbiamo trovato una classe di criptofite dove viene spento questo sistema a causa di una mutazione genetica che altera la forma di una proteina di raccolta della luce. Questa è una scoperta molto importante. Significa che saremo in grado di scoprire il ruolo della coerenza quantistica nella fotosintesi confrontando organismi con i due diversi tipi di proteine."

Nel mondo bizzarro della fisica quantistica, un sistema che è coerente - con tutte le onde quantistiche al passo con l'altro - può esistere in molti stati differenti contemporaneamente, un effetto noto come sovrapposizione: fenomeno è di solito solo osservato in condizioni di laboratorio strettamente controllate.

Il team, che comprende il professor Gregory Scholes (Università di Toronto-Canada), è stato sorpreso di scoprire nel 2010 che il trasferimento di energia tra molecole nei sistemi di raccolta di luce da due specie diverse criptofite era coerente.

Lo stesso effetto è stato trovato nei batteri verdi che sopravvivono anche in livelli molto bassi di luce.

"Il presupposto è che questo -dice il professor Curmi- potrebbe aumentare l'efficienza della fotosintesi, permettendo la  sua presenza nelle alghe e nei batteri,quasi senza luce. Una volta che una proteina-raccolta della luce ha catturato luce solare, è necessario ottenere che l'energia intrappolata sia al centro di reazione nella cellula più rapidamente possibile, dove l'energia viene convertita in energia chimica per l'organismo. E 'stato ipotizzato però che l'energia arriva al centro di reazione in modo casuale, come un  ubriaco raggiunge barcollando una casa. Ma secondo la coerenza quantistica permetterebbe di testare per l'energia ogni possibile percorso simultaneo, prima del viaggio attraverso il percorso più veloce."

Nel nuovo studio, il team ha utilizzato la cristallografia a raggi x per capire la struttura cristallina dei complessi di luce, raccolti da tre diverse specie di criptofite.

Hanno scoperto che in due specie una mutazione genetica porta all'inserimento di un amminoacido supplementare che modifica la struttura del complesso proteina, interrompendo  perciò la coerenza.

"Questo dimostra che  le criptofite sono l’evoluzione -dice il professor Curmi - di un interruttore genetico elegante ma potente che controlla la coerenza e cambia i meccanismi utilizzati per la raccolta della luce,".

Il prossimo passo sarà quello di confrontare la biologia di diversi criptofite, e se esse abitano diverse nicchie ambientali, capire se l'effetto coerenza quantistica sta aiutando la loro sopravvivenza.