Biologia Quantistica: nuova frontiera nella conoscenza dei meccanismi che generano e mantengono la vita

La scienza ha dimostrato inequivocabilmente che i sistemi macroscopici, dal livello cosmico ai pianeti fino a livello dei corpi materiali che riusciamo a percepire con i nostri sensi, obbediscono senza eccezioni alle leggi della fisica newtoniana mentre, con altrettanta certezza, i sistemi microscopici, a livelli atomici e molecolari, obbediscono alle leggi della fisica quantistica.

Il problema nasce per i sistemi biologici, dove nasce e si sviluppa la vita, almeno nelle sue forme più avanzate e complesse, che si situano in quella terra di mezzo caratterizzata da sistemi dei media grandezza, i sistemi cosiddetti mesoscopici.

Tali sistemi, se esaminati nel loro complesso obbediscono alla fisica di Newton ma se visti sotto l’aspetto delle loro componenti elementari dovrebbero obbedire alle leggi della fisica quantistica. Una fisica che – ricordiamo – presenta diversi aspetti controintuitivi come la sovrapposizione degli stati, l’accoppiamento tra i suoi componenti atomici e subatomici, la dualità onda-particella, l’effetto tunnel, l’energia del vuoto ecc..

Un importante passo in avanti nella conoscenza dei corpi viventi è stato realizzato con l’ibridazione di più discipline che hanno dato luogo alla Teoria dei sistemi1 che coniuga molte leggi della fisica classica , della matematica e della cibernetica con le leggi della biologia.

E’ pure evidente, sempre a livello molecolare, che vigono, in biologia, le leggi chimiche che governano le reazioni chimiche tra i singoli elementi e tra i composti organici ed inorganici; è anche innegabile che senza i successi della biologia molecolare non sarebbero state possibili le innumerevoli scoperte sulla anatomia e fisiologia del corpo umano, prodromiche alle definizioni di diagnosi corrette ed efficaci terapie della moderna medicina.

Dall’inevitabile, quanto controverso, incontro tra la fisica quantistica e la biologia molecolare, reso ancora più complicato dall’attuale eccessiva specializzazione delle discipline scientifiche, sta nascendo un promettente filone di ricerche denominato Biologia quantistica.

La nuova disciplina si ripromette di applicare le leggi della fisica quantistica per spiegare i meccanismi deputati a far sì che nei sistemi biologici avvengano, con sporadici errori, solo e sempre le reazioni chimiche tra biomolecole che rispondono alla necessità di mantenere gli equilibri omeodinamici che assicurano le funzioni vitali.

Considerando un approccio bottom-up le caratteristiche fondamentali di tale ricerca non possono prescindere dallo studio dei comportamenti dei componenti delle strutture atomiche e dei legami tra gli atomi degli elementi che formano le molecole biologiche.

In effetti l’intuizione di E. Schrodinger, uno dei padri della Fisica quantistica, che ipotizzò che gli elementi base della vita fossero composti da un numero non rilevante di particelle elementari soggette alle regole della nuova fisica dei quanti secondo un modello riconducibile ad un cristallo aperiodico2, si è rivelata corretta, come dimostrato un decennio più tardi dalla scoperta del DNA e dei suoi componenti che costituiscono il codice ereditario.

L’ordine, condizione non eludibile per il mantenimento dei fenomeni connessi con la vita, è dunque presente già a livello dei composti molecolari, ordine che poi viene amplificato dalle giuste reazioni chimiche. Il problema fondamentale è però ancora insoluto; rimane infatti ancora senza una risposta esauriente la domanda fondamentale: come riesce il sistema “vivente” a mantenere l’ordine, la coerenza tra le parti, l’autoorganizzazione e le informazioni necessarie a mantenere tutte e sole le funzioni vitali nel caos di urti molecolari evitando reazioni chimiche plausibili sul piano teorico ma non utili alla “vita”?

Le attuali linee di ricerca della Biologia quantistica si stanno mostrando molto promettenti nel trovare spiegazioni valide per comprendere questi meccanismi. Se appare quasi certo, sul piano teorico, che la Fisica dei quanti giochi un ruolo fondamentale in questo senso, la sperimentazione-elemento che resta essenziale anche nell’infinitamente piccolo- presenta spesso difficoltà enormi nella costruzione e nell’impiego degli apparati di misura che validino la teoria.

Citiamo qui alcune ipotesi che vanno in questa direzione, con l’avvertenza che, per avere valore scientifico, necessitano di ulteriori conferme sperimentali.

E’ noto che la biologia attribuisce agli enzimi proprietà di catalizzatore di processi biologici ma il cui meccanismo di azione è ancora sconosciuto.

Ricordiamo, inoltre, che la fisica quantistica prevede che una particella abbia una probabilità diversa da zero di attraversare spontaneamente una barriera di energia potenziale anche quando la sua energia cinetica, secondo la meccanica classica, non lo permetterebbe. E’ questo l’effetto tunnel quantistico che ha ricevuto innumerevoli conferme sperimentali.

Ebbene, sembrerebbe che gli enzimi sfruttino questo effetto per trasferire particelle subatomiche, separate spazialmente ed energeticamente, quali elettroni e protoni, da un capo all’altro delle molecole coinvolte, accelerando così le relative reazioni chimiche.

Ancora più interessante, da una prospettiva clinica, è l’ipotesi che lo stesso effetto tunnel sia responsabile di mutazioni genetiche , favorendo lo spostamento fisico di particelle da una posizione all’altra di una delle basi azotate che compongono i nucleotidi del DNA e dell’RNA.

Il cambiamento di posizione provoca, infatti, un diverso assetto dei legami idrogeno con la base complementare, determinando una mutazione.

Un’altra caratteristica del mondo quantistico, la sovrapposizione degli stati di un elemento subatomico, sia esso interpretabile come onda o come particella dotata di massa, sembra responsabile dell’efficienza dell’importante processo di fotosintesi clorofilliana, con cui le piante trasformano la radiazione solare in energia chimica.

Infatti, secondo studi e sperimentazioni effettuati dall’ICFO, l’Istituto di Scienze Fotoniche di Barcellona, i cui risultati sono stati pubblicati su un articolo della rivista Science3, l’energia della luce , assorbita dalle proteine dei vegetali a livello di singoli fotoni risiede in due stati contemporaneamente, cioè in uno stato di sovrapposizione descritto dalla teoria quantistica, in contraddizione evidente con la teoria della fisica classica.

Concludiamo questo articolo, sottolineando che quasi sempre gli avanzamenti nella conoscenza dei fenomeni che accadono fuori e dentro di noi sono resi possibili da una stretta collaborazione tra scienziati e ricercatori di diverse discipline, distinte solo per necessità pratiche dovute alla loro vastità, che solo mettendo insieme le loro attitudini ed i loro saperi possono permettere importanti risultati utili al progresso della scienza e quindi dell’intera società.

Occorre riscoprire , insomma, l’unità della scienza generando quel clima di universalismo collaborativo già auspicato dal grande pedagogista J. Dewey quasi un secolo fa.

 

Prof. Luciano D’Abramo
1 – Si veda , ad esempio, il testo: “La teoria dei sistemi. Presupposti, caratteristiche e sviluppi del pensiero sistemico”
curato da F. E. Emery, Franco Angeli Editore-1994
2 – E. Schrodinger , “Che cos’è la vita?”- Adelphi; 1947
3 – Si veda per approfondimenti l’articolo di Autori vari “Quantum Coherent Energy Transfer over Varying Pathways in Single Light-Harvesting Complexes “- Science 21 Jun 2013: Vol. 340, Issue 6139, pp. 1448-1451

 

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