Effetti quantistici nei sistemi biologici
In esperimenti recenti svolti con l’impiego di tecniche di spettroscopia ultra-veloce è stato possibile approfondire processi biochimici negli organismi viventi. Nell’ambito del progetto QUANTUM BIOTECH (Quantum phenomena in biology: Theory and experiments towards novel solar energy quantum technologies), finanziato dall’UE, i ricercatori hanno esaminato la fotosintesi. Durante la fotosintesi, l’energia trasportata dai fotoni viene assorbita dagli appositi complessi antenna. Gli elettroni eccitati vengono trasferiti a un centro di reazione in cui la separazione di carica produce forme più stabili di energia chimica. I ricercatori hanno sviluppato modelli teorici per rappresentare questo trasferimento di energia. In particolare, il team di QUANTUM BIOTECH ha sfruttato il formalismo teorico dei percorsi stocastici di oggetti quantistici per descrivere il trasferimento di energia al centro di reazione attraverso grandi strutture complesse. Nel caso dei clorobi, i fotoni raccolti vengono trasferiti attraverso il complesso di proteine pigmento chiamato complesso Fenna-Matthews-Olson (FMO). È stata constatata una sorprendente efficienza del complesso FMO: quasi tutti i fotoni osservati venivano infatti trasferiti al centro di reazione. I ricercatori hanno quindi studiato la fattibilità del miglioramento di tali processi di raccolta dell’energia luminosa utilizzando fonti adatte di radiazione. Nella fotosintesi quando i fotoni colpiscono i recettori chiamati cromofori questi ultimi producono eccitoni. Queste particelle quantiche di energia saltano da un cromoforo all’altro finché non raggiungono il centro di reazione, dove la loro energia è sfruttata per costruire molecole necessarie alla vita. Gli eccitoni seguono vie casuali a meno che non sfruttino gli effetti quantistici che permettono loro di prendere simultaneamente più vie e selezionare la migliore. I ricercatori hanno realizzato un virus in grado di duplicare la velocità degli eccitoni, migliorando significativamente l’efficacia del progetto. Nello specifico hanno prodotto diverse varietà del virus che si lega a vari cromofori sintetici, inclusi i pigmenti organici. I virus selezionati avevano le scale di lunghezza corrette per favorire il cosiddetto effetto quantistico Goldilocks. Il team QUANTUM BIOTECH si è affidato alla spettroscopia laser e ai modelli dinamici per “osservare” il processo di raccolta dell’energia luminosa e dimostrare che i virus fanno sicuramente uso di coerenza quantistica per migliorare il trasporto di eccitoni. I risultati del progetto sono un proof of concept e indicano anche il modo per sviluppare celle solari economiche ed efficienti oltre a una catalisi fotoguidata.
Parole chiave
Meccanica quantistica, QUANTUM BIOTECH, fotosintesi, clorobi, celle solari
