Biologia quantistica

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La biologia quantistica riguarda l’applicazione di principi di meccanica quantistica e chimica teorica a problematiche che si riferiscono alla biologia. Molti processi biologici riguardano la conversione di energia per l’utilizzo in trasformazioni chimiche, e sono quindi, in essenza, di natura quantistica. Questi processi concernono reazioni chimiche, assorbimento della luce, formazione di stati elettronici eccitati, trasferimento dell’energia di eccitazione, trasferimento di protoni ed elettroni (ioni idrogeno) in molti processi chimici, come per esempio la fotosintesi, i fenomeni olfattivi e la respirazione cellulare[1]. La Biologia quantistica utilizza modelli computerizzati per analizzare e rivelare la natura di processi biologici che sono fondamentali per gli organismi viventi[2]. Questa scienza si occupa dell'influenza dei fenomeni quantici non banali[3], che può essere spiegata riducendo il processo biologico alla fisica fondamentale, sebbene questi effetti sono difficili da studiare e possono essere di natura speculativa.[4] Al momento non ci sono evidenze di biologia quantistica che comportano effetti quantici osservabili in organismi macroscopici (a parte esperimenti mentali come il gatto di Schrodinger) o che si siano rivelati cruciali per l’esistenza della vita.

Storia[modifica | modifica wikitesto]

Per tutto l’arco del ventesimo secolo, diversi scienziati hanno ragionato teoricamente sulle applicazioni della teoria dei quanti alle problematiche biologiche. Tra i pionieri di questa disciplina, sono da ricordare Erwin Schrödinger ed il suo libro del 1944, What is life, dove l’autore ha introdotto la nozione di di “cristallo aperiodico”, struttura contenente informazione genetica nei legami covalenti, e applicato il concetto quantistico di “ salto quantico” alla biologia, per spiegare l’origine delle mutazioni. Altri importanti contributi alla teorie di Biologia quantistica provengono da Niels Bohr, Pascual Jordan e Max Delbruck[5]; Per-Olov Löwdin ha proposto l’idea dell’effetto tunnel della Meccanica quantistica come meccanismo esplicativo delle mutazioni nel DNA, facendo riferimento al termine “Biologia quantistica”, come nuovo campo di studio[6].

Applicazioni[modifica | modifica wikitesto]

Fotosintesi[modifica | modifica wikitesto]

Magnifying glass icon mgx2.svgLo stesso argomento in dettaglio: Fotosintesi.
Schema del complesso FMO. La luce eccita gli elettroni del sistema di captazione; diverse proteine trasferiscono poi l'eccitazione nel complesso FMO e quindi nel centro di reazione per continuare la fotosintesi.

La fotosintesi è un antichissimo processo biochimico, che sfrutta la luce del sole come fonte energetica per la sintesi di molecole organiche necessarie alla sopravvivenza di numerosi gruppi di organismi. Questo efficiente meccanismo utilizza diverse classi di molecole biologiche, i pigmenti, contenuti in speciali strutture cellulari e circondate da complessi di proteine.
Diversi studi hanno focalizzato l'attenzione sui differenti fotosistemi, ed in particolare sul complesso Fenna-Matthews-Olson (FMO), studiato in batteri fototrofici della famiglia Chlorobiacee. Per esempio, un lavoro del 2007 ha trovato evidenze dirette di coerenza quantistica nel fotosistema FMO, che giocano un ruolo importante nel trasferimento elettronico.[7]
Hayes et al, nel 2010, hanno rinvenuto prove di coerenza quantistica, verosimilmente responsabile dell’alta efficienza delle reazioni di trasferimento elettronico, in diversi pigmenti coinvolti nella fase luminosa della fotosintesi.[8]
Un recente studio effettuato all'università di Groningen, dimostra che uno degli aspetti più peculiari della meccanica quantistica, il principio di sovrapposizione, è parte integrante del processo fotosintetico. Secondo gli autori, nel complesso FMO un quanto di luce (fotone) può eccitare contemporaneamente due molecole del fotosistema, come risultato della combinazione di stati quantistici di elettroni diversi, secondo il principio di sovrapposizione; questo fenomeno si può spiegare solo sommando le due probabilità di eccitazione dei due differenti elettroni.[9]

Il trimero proteico FMO.[10] Le molecole di batterioclorofilla (BChl) a sono in verde, l'atomo centrale di Mg in rosso e la proteina in grigio. Ogni monomero contiene BChl.

“Si tratta di un’osservazione importante per chiunque sia interessato al mondo della meccanica quantistica”, ha concluso Jansen. "In particolare, i risultati possono giocare un ruolo importante nello sviluppo di nuovi dispositivi tecnologici per lo stoccaggio dell’energia solare o per lo sviluppo di computer quantistici” , spiega Thomas la Cour Jansen, uno degli autori. [11]
La revisione critica dei lavori mette in discussione se gli effetti rilevati dagli studi di Biologia quantistica non siano da attribuire a manifestazioni di dinamiche nucleari all’interno dei pigmenti, piuttosto che a manifestazioni dovute all’effetto della coerenza quantistica di lunga durata.[12][13][14][15][16][17][18] Per spiegare l’origine della presunta coerenza quantistica di lunga durata, la comunità scientifica ha elaborato diverse proposte. Per esempio, uno studio del 2008, ha sottolineato l’effetto sinergico di temperatura e coerenza quantistica, nel determinare incremento dell’efficienza tra il 70% e il 99% del trasferimento dell’energia nelle reazioni fotosintetiche.[19][20]
Un'altra proposta si basa sull’interazione fra effetto tunnel e coerenza quantistica, per creare un dissipatore di energia che muove velocemente l’elettrone verso il centro di reazione.[21]

Un altro lavoro ha suggerito che le simmetrie presenti nella disposizione geometrica del complesso possono favorire un efficiente trasferimento di energia al centro di reazione, in un modo simile al perfetto trasferimento di stato nelle reti quantistiche.[22] Secondo accurati esperimenti di controllo, l'interpretazione secondo cui gli effetti quantici durano più di cento femtosecondi è oggetto di discussione.[23]

Mutazioni nel DNA[modifica | modifica wikitesto]

Magnifying glass icon mgx2.svgLo stesso argomento in dettaglio: Mutazioni genetiche.

Note[modifica | modifica wikitesto]

  1. ^ Quantum Biology. University of Illinois at Urbana-Champaign, Theoretical and Computational Biophysics Group.
  2. ^ Quantum Biology: Powerful Computer Models Reveal Key Biological Mechanism Science Daily Retrieved Oct 14, 2007
  3. ^ J. C. Brookes, Quantum effects in biology: golden rule in enzymes, olfaction, photosynthesis and magnetodetection, in Proceedings of the Royal Society A, vol. 473, n. 2201, 2017, p. 20160822, Bibcode:2017RSPSA.47360822B, DOI:10.1098/rspa.2016.0822, PMC 5454345, PMID 28588400.
  4. ^ (EN) Jim Al-Khalili, How quantum biology might explain life's biggest questions. URL consultato il 7 dicembre 2018.
  5. ^ Leyla Joaquim, Olival Freira e Charbel El-Hani, Quantum Explorers: Bohr, Jordan, and Delbruck Venturing into Biology, in Physics in Perspective, vol. 17, n. 3, September 2015, pp. 236–250, Bibcode:2015PhP....17..236J, DOI:10.1007/s00016-015-0167-7.
  6. ^ Lowdin, P.O. (1965) Quantum genetics and the aperiodic solid. Some aspects on the Biological problems of heredity, mutations, aging and tumours in view of the quantum theory of the DNA molecule. Advances in Quantum Chemistry. Volume 2. pp. 213-360. Academic Press
  7. ^ Engel GS, Calhoun TR, Read EL, Ahn TK, Mancal T, Cheng YC, etal, Evidence for wavelike energy transfer through quantum coherence in photosynthetic systems., in Nature, vol. 446, n. 7137, 2007, pp. 782–6, Bibcode:2007Natur.446..782E, DOI:10.1038/nature05678, PMID 17429397.
  8. ^ G. Panitchayangkoon, Hayes, D., Fransted, K. A., Caram, J. R., Harel, E., Wen,J. Z., Blankenship, R. E. e Engel, G. S., Long-lived quantum coherence in photosynthetic complexes at physiological temperature, in Proc. Natl. Acad. Sci., vol. 107, n. 29, 2010, pp. 12766–12770, Bibcode:2010PNAS..10712766P, DOI:10.1073/pnas.1005484107, PMC 2919932, PMID 20615985, arXiv:1001.5108.
  9. ^ Erling ThyrHaug, Roel Tempelaar, Marcelo J.P. Alcocer, Karel Žídek, David Bína, Jasper Knoester, Thomas L.C. Jansen e Donatas Zigmantas, Identification and characterization of diverse coherences in the Fenna–Matthews–Olson complex, in Nature Chemistry, 10, 780-786, 2018.
  10. ^ D.E. Tronrud, M.F. Schmid e B.W. Matthews, Structure and X-ray amino acid sequence of a bacteriochlorophyll a protein from Prosthecochloris aestuarii refined at 1.9 A resolution, in Journal of Molecular Biology, vol. 188, n. 3, April 1986, pp. 443–54, DOI:10.1016/0022-2836(86)90167-1, PMID 3735428.
  11. ^ http://www.lescienze.it/news/2018/05/23/news/fisica_quantistica_fotosintesi-3993289/
  12. ^ R. Tempelaar, T. L. C. Jansen e J. Knoester, Vibrational Beatings Conceal Evidence of Electronic Coherence in the FMO Light-Harvesting Complex, in J. Phys. Chem. B, vol. 118, n. 45, 2014, pp. 12865–12872, DOI:10.1021/jp510074q, PMID 25321492.
  13. ^ N. Christenson, H. F. Kauffmann, T. Pullerits e T. Mancal, Origin of Long-Lived Coherences in Light-Harvesting Complexes, in J. Phys. Chem. B, vol. 116, n. 25, 2012, pp. 7449–7454, DOI:10.1021/jp304649c, PMC 3789255, PMID 22642682.
  14. ^ A. Kolli, E. J. O’Reilly, G. D. Scholes e A. Olaya-Castro, The fundamental role of quantized vibrations in coherent light harvesting by cryptophyte algae, in J. Chem. Phys., vol. 137, n. 17, 2012, pp. 174109, DOI:10.1063/1.4764100.
  15. ^ V. Butkus, D. Zigmantas, L. Valkunas e D. Abramavicius, Vibrational vs. electronic coherences in 2D spectrum of molecular systems, in Chem. Phys. Lett., vol. 545, n. 30, 2012, pp. 40 – 43, DOI:10.1016/j.cplett.2012.07.014.
  16. ^ V. Tiwari, W. K. Peters e D. M. Jonas, Electronic resonance with anticorrelated pigment vibrations drives photosynthetic energy transfer outside the adiabatic framework, in Proc. Natl. Acad. Sci. USA, vol. 110, n. 4, 2013, pp. 1203–1208, DOI:10.1073/pnas.1211157110.
  17. ^ E. Thyrhaug, K. Zidek, J. Dostal, D. Bina e D. Zigmantas, Exciton Structure and Energy Transfer in the Fenna−Matthews− Olson Complex, in J. Phys. Chem. Lett., vol. 7, n. 9, 2016, pp. 1653–1660, DOI:10.1021/acs.jpclett.6b00534, PMID 27082631.
  18. ^ Y. Fujihashi, G. R. Fleming e A. Ishizaki, Impact of environmentally induced fluctuations on quantum mechanically mixed electronic and vibrational pigment states in photosynthetic energy transfer and 2D electronic spectra, in J. Chem. Phys., vol. 142, n. 21, 2015, pp. 212403, DOI:10.1063/1.4914302.
  19. ^ Masoud Mohseni, Patrick Rebentrost, Seth Lloyd e Alán Aspuru-Guzik, Environment-assisted quantum walks in photosynthetic energy transfer, in The Journal of Chemical Physics, vol. 129, n. 17, 7 novembre 2008, pp. 174106, Bibcode:2008JChPh.129q4106M, DOI:10.1063/1.3002335, ISSN 0021-9606 (WC · ACNP), PMID 19045332, arXiv:0805.2741.
  20. ^ M B Plenio e S F Huelga, Dephasing-assisted transport: quantum networks and biomolecules - IOPscience, in New Journal of Physics, vol. 10, n. 11, 1º novembre 2008, pp. 113019, Bibcode:2008NJPh...10k3019P, DOI:10.1088/1367-2630/10/11/113019, arXiv:0807.4902.
  21. ^ Hohjai Lee, Quantum coherence accelerating photosynthetic energy transfer [collegamento interrotto], in Chemical Physics, Springer Series in Chemical Physics, vol. 92, 2009, pp. 607–609, Bibcode:2009up16.book..607L, DOI:10.1007/978-3-540-95946-5_197, ISBN 978-3-540-95945-8.
  22. ^ Mattia Walschaers, Jorge Fernandez-de-Cossio Diaz, Roberto Mulet e Andreas Buchleitner, Optimally Designed Quantum Transport across Disordered Networks, in Physical Review Letters, vol. 111, n. 18, 29 ottobre 2013, pp. 180601, Bibcode:2013PhRvL.111r0601W, DOI:10.1103/PhysRevLett.111.180601, PMID 24237498, arXiv:1207.4072.
  23. ^ A. Halpin, P.J.M. Johnson, R. Tempelaar, R.S. Murphy, J. Knoester, T.L.C. Jansen e R.J.D. Miller, Two-Dimensional Spectroscopy of a Molecular Dimer Unveils the Effects of Vibronic Coupling on Exciton Coherences, in Nature Chemistry, vol. 6, n. 3, 2014, pp. 196–201, Bibcode:2014NatCh...6..196H, DOI:10.1038/nchem.1834, PMID 24557133.
Controllo di autoritàGND (DE4176596-5 · NDL (ENJA00576779