La meccanica quantistica spiega l’efficienza della fotosintesi

[3 febbraio 2014]

Secondo la prima prova teorica univoca della meccanica quantistica nella fotosintesi, ovvero lo studio “Non-classicality of the molecular vibrations assisting exciton energy transfer at room temperature” pubblicato su Nature Communications, «le macromolecole che raccolgono la luce nelle cellule vegetali trasferiscono l’energia sfruttando vibrazioni molecolari la cui descrizione fisica non ha equivalenti nella fisica classica».

I due autori dello studio, Edward J. O’Reilly e Alexandra Olaya-Castro, del Department of Physics and Astronomy dell’university College London (Ucl), spiegano che «la maggior parte delle macromolecole di raccolta della luce sono composte da cromofori (responsabili del colore delle molecole) attaccati alle proteine, che effettuano il primo passo della fotosintesi, catturare la luce solare e trasferire l’energia associata altamente efficiente. Precedenti esperimenti suggeriscono che l’energia viene trasferita in modo ondulatorio, sfruttando fenomeni quantistici». Ma una spiegazione “non classica” non può essere dimostrata e descritta utilizzando le leggi della fisica classica. O’Reilly e la Olaya-Castro sottolineano che «spesso, per osservare o sfruttare i “quantum mechanical phenomena systems” questi devono essere raffreddati a temperature molto basse. Questo non sembra però essere il caso in alcuni sistemi biologici, che presentano proprietà quantistiche anche a temperatura ambiente».

Il team dell’Ucl ha tentato di identificare le caratteristiche di questi sistemi biologici che possono essere previsti solo dalla fisica quantistica, e per i quali non esistono “classici” analoghi. Secondo Olaya-Castro, «il trasferimento di energia nelle macromolecole di raccolta della luce è assistito da specifici moti vibrazionali dei cromofori. Abbiamo scoperto che le proprietà di alcune delle vibrazioni dei cromofori che assistono al trasferimento di energia durante la fotosintesi non potrebbero essere mai descritte con leggi classiche e, per di più, questo comportamento non classico migliora l’efficienza del trasferimento di energia».

L’Ucl prova a spiegare semplicemente questo fenomeno: le vibrazioni molecolari sono movimenti periodici degli atomi in una molecola, come il movimento di una massa attaccata ad una molla. Quando l’energia di una vibrazione collettiva di due cromofori corrisponde alla differenza di energia tra le transizioni elettroniche di questi cromofori, si verifica una risonanza e lo scambio di energia efficiente tra gradi elettronici che avviene liberamente. A condizione che l’energia associata alla vibrazione sia superiore al livello  di temperatura, viene scambiata solo un’unità distinta o quantum di energia. Di conseguenza, l’energia viene trasferita da un cromoforo all’altro, e la vibrazione collettiva mostra proprietà che non hanno una controparte classica.

Il team di O’Reilly e la Olaya-Castro  dice di aver trovato la firma inequivocabile della non-classicità che è dato da una “negative joint probability” di trovare i cromofori in determinate posizioni e momenti relativi. Nella fisica classica le distribuzioni delle probabilità sono sempre positive.

O’Reilly sottolinea che « ivalori negativi in queste distribuzioni di probabilità sono una manifestazione di una caratteristica veramente quantistica, cioè lo scambio coerente di un singolo quantum di energia. Quando questo accade i gradi di libertà elettronica e vibrazionale sono congiuntamente e transitoriamente in una sovrapposizione di stati quantistici, una caratteristica che non può mai essere prevista con la fisica classica».

Anche altri processi biomolecolari, quali il trasferimento di elettroni all’interno delle macromolecole (centi di reazione della fotosintesi), il cambiamento strutturale di un cromoforo con l’assorbimento di fotoni (vista), o il riconoscimento di una molecola da un’altra (olfatto ), sono influenzati da specifici moti vibrazionali. La conclusione alla quale giungono gli scienziati è che «i risultati di questa ricerca suggeriscono che un esame più approfondito delle dinamiche vibrazionali coinvolte in questi processi potrebbe fornire altri prototipi biologici sfruttando davvero fenomeni non-classici».