Illustrazione del complesso proteico che nei batteri è deputato alla raccolta dell'energia luminosa: i cerchi in giallo e in verde indicano gli stati eccitati. ( © Thomas la Cour Jansen/University of Groningen)

Uno degli aspetti più peculiari della meccanica quantistica, il cosiddetto principio di sovrapposizione, entra a far parte del mondo della fotosintesi. Lo ha dimostrato, per la prima volta in modo convincente, uno studio effettuato da Thomas la Cour Jansen e colleghi dell’Università di Groningen, nei Paesi Bassi, pubblicato su “Nature Chemistry” Probabilmente il risultato mette fine a un annoso dibattito sul coinvolgimento della meccanica quantistica nei processi biologici e potrebbe fornire utili indicazioni per realizzare dispositivi che sfruttano la luce per produrre energia, un processo in cui piante e batteri sono ancora il punto di riferimento.Nel corso di miliardi di anni di evoluzione, la natura ha trovato una soluzione efficiente per catturare la luce solare, grazie a particolari molecole, chiamate pigmenti, impacchettate in complessi proteici. In passato era stata dedicata molta attenzione alla reazione fotosintetica che avviene nei batteri della famiglia Chlorobiaceae, in particolare al complesso Fenna-Matthews-Olson (FMO). Questa proteina media il trasferimento di energia dai clorosomi, strutture proteiche legate alla membrana cellulare batterica deputate alla raccolta della luce, al centro di reazione fotosintetico, dove avviene effettivamente la fotosintesi grazie all’azione di altri complessi formati da diverse proteine.L’interesse per il complesso Fenna-Matthews-Olson è dovuto alla sua relativa semplicità strutturale, che ne facilità l’analisi. E in effetti alcuni importanti risultati sono arrivati. Per esempio, gli scienziati hanno scoperto che in questo complesso l’incidenza di un fotone, un quanto di luce, può eccitare gli stati elettronici di due molecole contemporaneamente. Questo stato di eccitazione elettronica misto è l’esito della combinazione di stati quantistici di elettroni diversi, secondo il principio di sovrapposizione: il sistema dei due elettroni, complessivamente, si può descrivere solo considerando una probabilità di eccitazione del primo elettrone combinata con una probabilità di eccitazione del secondo elettrone.L’eccitazione complessiva dei due elettroni dura poco più di un picosecondo (un milionesimo di milionesimo di secondo). Si tratta di un intervallo di tempo incredibilmente breve in termini assoluti, ma più lungo di quanto ci si aspetterebbe secondo le leggi della meccanica quantistica. Per questo, alcuni chimici teorici hanno sollevato seri dubbi sul fatto che si trattasse proprio di una sovrapposizione di stati eccitati esclusivamente di tipo elettronico.Studi teorici recenti hanno offerto un’altra spiegazione, che considera anche possibili stati cosiddetti “vibronici”, che nascono dell’accoppiamento tra gli stati degli elettroni e le energie vibrazionali degli atomi che compongono le molecole. E la sperimentazione di Jansen e colleghi, effettuata usando una tecnica di microscopia elettronica su un complesso di Fenna-Matthews-Olson tenuto a 77 kelvin (-196 °C), ha confermato le attese.“Nel caso di una simile sovrapposizione, la spettroscopia dovrebbe mostrare uno specifico segnale oscillante, ed è proprio quello che abbiamo visto”, ha spiegato Jansen. “Abbiamo scoperto che gli effetti quantistici sono durati proprio quanto previsto dalla teoria e abbiamo dimostrato che gli effetti sono riconducibili all’energia sovrapposta di due molecole contemporaneamente”.Jansen e colleghi quindi hanno concluso che i sistemi biologici mostrano gli stessi effetti quantistici dei sistemi non biologici. Le tecniche di osservazione sviluppate per questa ricerca potrebbero essere applicate a sistemi differenti, viventi o meno.“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”. (red)