L’ossigeno è un elemento fondamentale per quasi tutti gli esseri viventi che popolano il nostro pianeta, ma per molte specie di microbi, questo elemento estremamente reattivo, è un vero e proprio veleno.
Per questo, queste piccole forme di vita sembrano utilizzare gli effetti quantistici per mitigarne gli effetti e far funzionare i propri processi biologici.
Il batterio Chlorobium tepidum, isolato per la prima volta in una sorgente calda della Nuova Zelanda, fa parte di una famiglia di microorganismi che dipendono dai composti dello zolfo per poter svolgere la fotosintesi; non utilizzano ossigeno e non lo emettono come sottoprodotto.
Il batterio Chlorobium tepidum ha sviluppato un modo interessante per proteggere i suoi processi fotosintetici dagli effetti velenosi dell’ossigeno, utilizzando effetti quantistici per rallentare la produzione di energia.
Un team di ricercatori dell’Università di Chicago e della Washington University di St.Louis ha dimostrato come il batterio modifica la sua risonanza quantistica per fare in modo che il suo sistema perda energia in presenza di ossigeno, impedendogli di distruggere il suo apparato fotosintetico.
La nostra esperienza quotidiana sembra distante e totalmente sconnessa dagli effetti quantistici che si osservano nel microcosmo, dove lo stato di una particella è solo una possibilità fino a quando un’osservazione non interviene a “bloccarla” in una posizione.
Le particelle elementari che compongono i nostri atomi e le nostre molecole non sono oggetti solidi ma risuonano in una gamma di possibilità prima di sceglierne una ben precisa.
Anche se questo comportamento sembra essere molto chiaro, rimangono dubbi sulla frequenza con cui qualcosa di così complesso come un organismo vivente possa sfruttare le caratteristiche più sottili degli effetti quantistici per sopravvivere ed evolvere.
“Prima di questo studio, la comunità scientifica ha visto le firme quantistiche generate nei sistemi biologici e ha posto la domanda: questi risultati erano solo una conseguenza della biologia costruita da molecole o avevano uno scopo?” spiega il chimico dell’Università di Chicago Greg Engel.
La vita e gli effetti quantistici
Le prove che gli effetti quantistici facciano parte degli organismi viventi si stanno accumulando da un po’ di tempo.
Una ricerca recente ha dimostrato come i mutamenti in un campo magnetico agiscono sulla rotazione o “spin” di un elettrone all’interno di specifiche proteine ​​sensibili alla luce chiamate crittocromi.
Questo particolare fenomeno potrebbe spiegare come alcuni esseri viventi possono percepire la magnetosfera del nostro pianeta, utilizzando questa capacità per orientarsi.
Ma occorre cautela, identificare sottili effetti quantistici in una reazione sensoriale è una cosa, osservarne gli effetti nella sopravvivenza di un organismo è un’altra cosa.
“Questa è la prima volta che osserviamo la biologia sfruttare attivamente gli effetti quantistici”, afferma Engel.
C. tepidum, come detto, è un batterio anaerobico, quindi non utilizza e soprattutto non rilascia ossigeno come “prodotto di scarto” delle sue reazioni.
L’ossigeno è un elemento fondamentale per gli esseri viventi come noi, in quanto le nostre cellule lo utilizzano per produrre energia dal glucosio, ma distrugge i legami chimici se penetra all’interno di un microorganismo anaerobico.
La chiave di questa catena di reazioni è un gruppo di proteine ​​e pigmenti chiamato complesso Fenna-Matthews-Olson (FMO). Agisce da mediatore tra i componenti di raccolta della luce del sistema e il pavimento della fabbrica in cui l’energia viene convertita.
Inizialmente si è pensato che il processo FMO si basava sulla coerenza quantistica, utilizzando la natura ondulatoria delle particelle per facilitare il trasferimento degli elettroni in modo efficiente.
Studi successivi hanno costretto a ripensare il ruolo di questi effetti quantistici nel processo FMO, sostenendo che, semmai, la coerenza quantistica potrebbe effettivamente rallentare l’intero processo.
In questo ultimo studio della coerenza quantistica all’interno del processo FMO, i ricercatori stanno prendendo in considerazione l’effetto che l’ossigeno potrebbe avere sull’intero sistema.
Utilizzando una tecnica di spettroscopia laser ultraveloce per acquisire dettagli sull’attività del complesso, il team ha mostrato come la presenza di ossigeno potrebbe cambiare il modo in cui l’energia viene “diretta” dai componenti di raccolta della luce al centro della reazione.
Il team ha scoperta che un paio di molecole di cisteina, al centro del processo, agiscono come innesco rilasciando un protone ogni volta che reagivano con un una molecola di ossigeno.
Il protone emesso influenza direttamente gli effetti quantistici all’interno del complesso FMO, riducendo efficacemente l’energia dalle aree che altrimenti sarebbero aperte all’ossidazione.
L’interruzione quantistica priva il batterio di energia, ma gli permette di liberarsi dagli effetti tossici dell’ossigeno.
“La semplicità del meccanismo suggerisce che potrebbe essere trovato in altri organismi fotosintetici in tutto il panorama evolutivo”, ha spiegato l’autore Jake Higgins, uno studente laureato all’Università di Chicago Dipartimento di Chimica.
“Se più organismi sono in grado di modulare dinamicamente gli effetti quantistici nelle loro molecole per produrre cambiamenti più ampi nella fisiologia, potrebbe esserci una serie completamente nuova di effetti selezionati dalla natura che non conosciamo ancora”.
Potrebbe esistere un intero mondo di biologia quantistica che aspetta solo di essere scoperto.
