L’importanza Della Biologia Quantistica Nella Scienza E Nella Tecnologia
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L’importanza Della Biologia Quantistica Nella Scienza E Nella Tecnologia

Maia Mulko
Maia Mulko

La biologia quantistica è un’area di studio che analizza le applicazioni della meccanica quantistica nei processi biologici. Nonostante le sue origini risalgano agli anni ‘30 del Novecento, è considerato un campo interdisciplinare relativamente nuovo, in grado di spiegare i fenomeni delle cellule viventi attraverso effetti quantistici non banali. In che modo la tecnologia può trarne vantaggio?

Cos’è La Biologia Quantistica?

La biologia quantistica si interroga, nello specifico, sulle ripercussioni degli effetti quantistici non banali nei processi biologici degli organismi viventi che li contengono.

Gli effetti quantistici non banali presi in esame sono:

Effetto tunnel: Nella meccanica classica, se lanciamo una palla contro la parete, questa rimbalza perché l’energia delle sue particelle è minore di quella della parete. Invece, nella meccanica quantistica, gli elettroni possiedono un carattere ondulatorio e possono emettere una funzione d’onda capace di attraversare una barriera che abbia un potenziale maggiore dell’energia delle sue particelle. Questo fenomeno è conosciuto come effetto tunnel.

Sovrapposizione quantistica: Due stati quantistici possono sovrapporsi per generarne un terzo. L’esempio più lampante è l’informatica quantistica. A differenza del bit dell’informatica classica che può avere solo il valore di 1 o 0, il qubit dell’informatica quantistica può possedere entrambi i valori contemporaneamente.

Coerenza quantistica: In fisica, la coerenza è una proprietà delle onde che consente un’interferenza stazionaria. A tal fine, è necessario che le onde mantengano una forma e una frequenza identiche tra loro.

La coerenza quantistica si verifica quando la sovrapposizione quantistica si mantiene stabile; come se le onde interferissero l’una con l’altra fino a formarne una terza o, in questo caso, un terzo stato che è una sovrapposizione dei due precedenti. Se ciò non avviene, possiamo parlare di decoerenza quantistica, in cui lo stato fisico quantistico si converte in uno stato fisico classico.

Correlazione quantistica: È collegata alla sovrapposizione, solo che nella correlazione quantistica, le particelle condividono i propri stati sovrapposti fino a perdere l’indipendenza e l’individualità, formando un tutto inscindibile (finché non precipitano nella decoerenza). Questo fenomeno si può verificare anche se le particelle si trovano a una grande distanza l’una dall’altra.

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Applicazioni Della Biologia Quantistica

La biologia quantistica ha utilizzato l’effetto tunnel per spiegare la catalisi enzimatica: in questo processo, gli elettroni all’interno degli enzimi fungono da catalizzatori per generare reazioni tra i composti organici, tuttavia gli esperti erano interessati alla modalità in cui ciò avveniva. Nel 1989, uno studio dell’Università della California, Berkeley ha evidenziato che durante la catalisi dell’ossidazione dell’alcol benzilico, il trasferimento di ossigeno si verificava con l’effetto del tunnel quantistico. Malgrado alcuni interrogativi, oggigiorno questa teoria è generalmente accettata.

Nello studio delle piante, la biologia quantistica ha sviscerato l’efficacia della fotosintesi nel seguente modo: quando un fotone stimola un elettrone in una molecola di clorofilla, forma un eccitone, ovvero una quasiparticella che contiene sia l’elettrone che la lacuna prodotta da tale movimento. L’eccitone arriva al centro della reazione fotosintetica con un trasferimento d’energia così perfetto da poter essere spiegato solo in termini quantistici, poiché esplora tutte le strade possibili in maniera simultanea prima di scegliere la più efficace, il che richiede una sovrapposizione quantistica.

La biologia quantistica è stata applicata anche allo studio della magnetorecezione, ovvero l’abilità di alcuni animali di riconoscere i campi magnetici terrestri (fondamentale per l’orientamento). Si pensa che la magnetorecezione funzioni tramite una proteina sensibile alla luce, chiamata criptocromo, che si trova nella retina degli uccelli e di altre specie animali. Le reazioni prodotte in questa proteina generano radicali liberi (elettroni che circolano da soli in una molecola, senza accoppiarsi tra loro). Tuttavia, attraverso la correlazione quantistica, questi elettroni possono allinearsi diversamente a seconda del campo magnetico e questa reazione viene trasmessa al cervello degli animali.

Un altro senso che sembrerebbe relazionato a fenomeni quantistici è l’olfatto. Gli studi di Malcolm Dyson (nel 1938) e del biofisico Luca Turin (nel 1996) indicano che i recettori delle proteine G percepiscono gli odori attraverso le diverse frequenze vibratorie delle molecole chimiche che li producono. Queste molecole si uniscono ai recettori istituendo un ponte in modo che gli elettroni possano occupare tutta la proteina tramite l’effetto tunnel, in combinazione con una quasiparticella dalle proprietà vibratorie chiamata fonone.

Tuttavia, il contributo recente più importante della biologia quantistica è probabilmente quello che collega l’effetto tunnel dei protoni alle mutazioni del DNA (che implica la scomparsa di un protone che poi riappare in un luogo adiacente dall’altra parte della barriera di potenziale, in questo caso, una base azotata). Tutto ciò può favorire la comprensione delle malattie causate da queste mutazioni, il perché si producono e come evitarle; ma potrebbe anche permettere l’individuazione tempestiva del cancro.

Mursla è una delle startup che si sono prefissate questo scopo. Nello specifico, punta a commercializzare in un futuro prossimo prodotti basati sulla biologia quantistica con fini diagnostici, indirizzati più a un pubblico comune che a uno specializzato. Dato che i tumori si manifestano prima a livello proteico nel sangue, gli scienziati di Mursla vogliono impiegare una tecnologia in grado di esaminare le proteine da una goccia di sangue alla ricerca di segnali legati al cancro.

Ciò non sarebbe possibile senza la biologia quantistica che sta cambiando il modo in cui gli esperti vedono le biomolecole, il comportamento quantistico-meccanico che le circonda e tutto quello che possiamo realizzare con queste nuove informazioni.

Il fisico teorico Jim Al-Khalili, uno dei ricercatori che studiano l’impatto degli effetti quantistici sulle mutazioni genetiche, pensa che gli effetti quantistici non banali presi in considerazione dalla biologia quantistica, potrebbero contribuire allo sviluppo di nuovi strumenti, tecniche o sensori. Inoltre, alcune di queste nuove tecnologie quantistiche potrebbero applicarsi alla biologia sintetica, facendo della biologia quantistica un ponte tra le due aree. Secondo Al-Khalili, altre tecnologie potrebbero rivoluzionare le energie rinnovabili producendo, ad esempio, nuovi tipi di celle fotovoltaiche.

A ogni modo, la biologia quantistica si trova agli albori e le possibilità, al momento, sono infinite.

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