Vi parlerò di un ramo emergente
della scienza,
un ramo ancora misterioso ma incredibilmente appassionante
che sta crescendo con rapidità.
La biologia quantistica si pone una domanda molto semplice:
la meccanica quantistica,
quella misteriosa, meravigliosa teoria
di un mondo subatomico di atomi e molecole
alla base della fisica e della chimica moderne,
svolge un ruolo importante anche all'interno delle cellule?
In altre parole: esistono processi, meccanismi, fenomeni
relativi agli organismi viventi che possono essere spiegati
soltanto con l'aiuto della meccanica quantistica?
La biologia quantistica non è una novità,
se ne parla dai primi anni Trenta.
Ma è solo da una decina di anni che esperimenti meticolosi,
nei laboratori di biochimica e grazie alla spettroscopia,
hanno dimostrato con chiarezza che alcuni meccanismi specifici
sono spiegabili solo con la meccanica quantistica.
La biologia quantistica unisce fisici quantistici, biochimici,
biologi molecolari, è davvero interdisciplinare.
Il mio settore è la fisica quantistica, quindi sono un fisico nucleare.
Sono più di trent'anni
che cerco di capire a fondo la meccanica quantistica.
Uno dei suoi ideatori, Niels Bohr, disse:
'Se non ti lascia a bocca aperta, vuol dire che non l'hai capita'.
Quindi sono contento che riesca ancora a stupirmi.
Meglio così.
Insomma, studio le strutture più piccole dell'universo,
i mattoncini della realtà.
Se pensiamo alle grandezze in scala,
cominciamo con un oggetto comune come una palla da tennis,
e scendiamo verso ordini di grandezza inferiori,
dalla cruna di un ago a una cellula fino a batteri ed enzimi,
e alla fine alla dimensione "nano".
Forse avete già sentito parlare di nanotecnologia.
Un nanometro è un miliardesimo di metro.
Io mi occupo in particolare del nucleo, il puntino al centro dell'atomo.
In scala è addirittura più piccolo.
Questo è l'ambito della meccanica quantistica,
e ci è voluto molto tempo perché fisici e chimici
ci si abituassero.
I biologi, invece, secondo me, se la sono cavata bene.
Sono felicissimi con i loro modelli a sfere e bastoncini.
(Risate)
Le sfere sono gli atomi, i bastoncini i legami tra gli atomi.
Se i biologi non possono ricostruirli in laboratorio,
oggi hanno computer molto potenti
capaci di simulare grosse molecole.
Questa è una proteina formata da 100.000 atomi.
In realtà può essere spiegata anche senza meccanica quantistica.
La meccanica quantistica fu sviluppata negli anni Venti.
È un insieme di regole matematiche e di concetti assolutamente affascinanti
che spiegano il mondo del molto piccolo.
Questo mondo è molto diverso da quello che conosciamo,
è fatto da trilioni di atomi.
È un mondo basato sulla probabilità e sulla possibilità.
È un mondo incerto.
Un mondo di fantasmi
in cui le particelle si possono diffondere anche come onde.
Immaginando la meccanica quantistica o la fisica quantistica
come fondamenta della realtà stessa,
possiamo affermare
che la fisica quantistica è alla base della chimica organica.
Dopotutto, ci dà le regole che spiegano
come gli atomi, insieme, formano le molecole organiche.
Un gradino sopra la chimica organica sulla scala della complessità
c'è la biologia molecolare, che ci riconduce alla vita stessa.
Nulla di nuovo, in un certo senso.
Quasi banale.
Direte: 'Certo, alla fine la vita dipende dalla meccanica quantistica';
In realtà tutto dipende da questa.
Anche la materia inanimata formata da trilioni di atomi.
Insomma, c'è un livello quantico
con tutti i suoi misteri da investigare.
Possiamo anche dimenticarli, nella vita quotidiana:
una volta che trilioni di atomi si combinano,
quei misteri quantici si dissolvono.
Ma la biologia quantistica non si occupa di questo.
Non è così ovvia.
Certo, la meccanica quantistica è alla base della vita a livello molecolare.
La biologia quantistica consiste invece nel cercare ciò che non è scontato,
i concetti meno evidenti della meccanica quantistica,
per capire se sono davvero importanti
per spiegare i processi vitali.
Vi faccio un esempio sulla non-intuitività
del mondo dei quanti.
Ecco uno sciatore quantico.
Sembra intatto, in ottime condizioni fisiche,
ma sembra anche aver superato l'albero da entrambi i lati nello stesso momento.
Se vedeste un percorso simile
pensereste di sicuro che si tratti di un trucco.
Ma nel mondo dei quanti è sempre così.
Le particelle possono stare in due posti o fare più cose
nello stesso momento, sono multitasking.
Possono presentarsi sotto forma di onde.
Sembra una magia.
Ci è voluto quasi un secolo perché fisici e chimici
si abituassero a questa stranezza.
Non sto incolpando i biologi
per non dover o voler imparare la meccanica quantistica.
Questa stranezza è una questione delicata,
e noi fisici ci impegniamo al massimo per conservarla in laboratorio.
Raffreddiamo il sistema quasi fino allo zero assoluto,
usiamo macchine a vuoto
e cerchiamo di isolarlo da qualsiasi disturbo esterno.
È molto diverso dall'ambiente caldo, caotico e rumoroso di una cellula.
La biologia, la biologia molecolare,
sembra aver descritto benissimo i processi vitali
dal punto di vista delle reazioni chimiche.
Queste reazioni chimiche sono riduzionistiche, deterministiche,
dimostrano che la vita è fatta dalla stessa materia che forma tutto,
e che se possiamo dimenticarci della meccanica quantistica
nel mondo macro, possiamo dimenticarcela anche in biologia.
Qualcuno però non era d'accordo con questa teoria.
Erwin Schrödinger, quello del famoso gatto di Schrödinger,
era un fisico austriaco.
Fu uno dei fondatori della meccanica quantistica negli anni Venti.
Nel 1944 scrisse un libro intitolato "Che cos'è la vita?"
Ebbe un impatto incredibile.
Influenzò Francis Crick e James Watson,
gli scopritori della struttura a doppia elica del DNA.
In una spiegazione del suo libro dice:
A livello molecolare, gli organismi viventi hanno un certo ordine,
una struttura molto diversa
da quella massa caotica di atomi e molecole
nella materia inanimata di pari complessità.
Di fatto la materia organica sembra organizzarsi in una struttura, quindi,
proprio come la materia inanimata portata quasi allo zero assoluto
in cui gli effetti dei quanti sono fondamentali.
La struttura, l'ordine all'interno di una cellula
è in qualche modo speciale.
Schrödinger ipotizzò che la meccanica quantistica potesse incidere sulla vita.
È un'ipotesi d'ampia portata
che alla fine non andò lontano.
Ma come ho detto all'inizio,
negli ultimi dieci anni sempre più esperimenti
hanno mostrato quali fenomeni biologici sembrano
connessi alla meccanica quantistica.
Voglio condividere con voi quelli più interessanti.
Questo è uno dei fenomeni più noti nel mondo dei quanti,
l'effetto tunnel.
La metà di sinistra mostra la distribuzione a onda
di un'entità quantica, una particella come un elettrone,
che non rimbalza contro il muro come una pallina.
È un'onda che ha una certa probabilità di attraversare
un muro, come un fantasma che passa dall'altra parte.
Nella metà di destra potete vedere un alone luminoso.
L'effetto tunnel suggerisce che una particella può colpire una barriera
impenetrabile, e poi, come per magia,
scomparire e riapparire nel lato opposto.
Per capire, diciamo che se vogliamo lanciare una palla oltre un muro
dobbiamo darle una spinta sufficiente perché superi quell'ostacolo.
Nel mondo dei quanti invece non dobbiamo lanciarla oltre il muro
ma contro il muro, e c'è una possibilità non nulla
che sparisca da quel lato per riapparire dall'altro.
Non sono semplici congetture.
Siamo contenti - beh, 'contenti' non è la parola esatta -
(Risate)
siamo abituati a tutto ciò.
(Risate)
L'effetto tunnel si verifica sempre,
e spiega perché il Sole brilla.
Le particelle fondono
e il Sole trasforma l'idrogeno in elio tramite l'effetto tunnel.
Negli anni Settanta e Ottanta si scoprì l'effetto tunnel
anche nelle cellule.
Gli enzimi, gran lavoratori, catalizzatori delle reazioni chimiche,
sono biomolecole che accelerano le reazioni chimiche nelle cellule
di molti ordini di grandezza.
Nessuno sa come lo facciano.
È stato scoperto
che uno dei trucchi usati dagli enzimi
sta nel trasferire particelle subatomiche, come elettroni e protoni,
da una parte all'altra di una molecola grazie all'effetto tunnel.
È efficiente, veloce, può scomparire,
un protone può scomparire e riapparire in un altro punto.
E gli enzimi lo aiutano a farlo.
Si tratta di ricerche condotte negli anni Ottanta,
in particolare da un team di Berkeley, Judith Klinman.
Oggi arrivano conferme anche dal Regno Unito:
gli enzimi lavorano così.
Anche il mio team ha condotto ricerche,
come vi ho detto sono un fisico nucleare,
ma spesso uso gli strumenti della meccanica quantistica
per studiare i nuclei degli atomi, applicandoli ad altre aree di studio.
Nel mio team ci chiedevamo
se l'effetto tunnel è coinvolto nelle mutazioni genetiche.
Lo ripeto, non è un'idea nuova, risale ai primi anni Sessanta.
I due filamenti di DNA, la struttura a doppia elica,
sono tenuti insieme da pioli, è come una scala a chiocciola.
Quei pioli sono legami idrogeno,
cioè protoni che fanno da collante tra i due filamenti.
Con uno zoom vedremmo che tengo queste grandi molecole,
i nucleotidi.
Aumentiamo lo zoom.
Ecco una simulazione al computer.
Le due sfere bianche centrali sono protoni,
e sono unite da un doppio legame idrogeno.
Una preferisce stare da un lato, l'altra dall'altro lato
dei due filamenti che scendono, qui non visibili.
Può succedere che i due protoni saltino.
Osservate le sfere bianche.
Possono saltare dall'altra parte.
Se i due filamenti di DNA si separano dando inizio al processo di replicazione,
e i protoni si trovano nella posizione sbagliata,
si può avere una mutazione genetica.
Lo sappiamo da una cinquantina d'anni.
Il punto è: quante probabilità ci sono che accada,
e se ci sono, come avviene?
I protoni saltellano, come le palline oltre il muro?
O sfruttano l'effetto tunnel, pur non avendo abbastanza energia?
I primi dati fanno pensare che l'effetto tunnel qui è importante,
ma non sappiamo ancora quanto;
la questione è ancora aperta.
È tutto incerto,
ma è una questione davvero importante,
se la meccanica quantistica agisce sulle mutazioni
allora avrà un peso notevole
nel capire certi tipi di mutazione,
forse anche quelle che rendono cancerogena una cellula.
Altro esempio di meccanica quantistica in biologia è la coerenza quantistica
in uno dei principali processi biologici,
la fotosintesi: piante e batteri assorbono luce solare
e la usano per creare biomassa.
La coerenza quantistica spiega le entità quantiche multitasking.
È lo sciatore quantico.
È paragonabile a un'onda,
quindi non si limita a spostarsi in una direzione
ma può seguire più percorsi nello stesso istante.
Qualche anno fa una ricerca scosse la comunità scientifica
mostrando con prove sperimentali
che la coerenza quantistica si manifesta all'interno dei batteri
responsabili della fotosintesi.
L'idea è che il fotone, la particella di luce solare,
il quanto di luce catturato da una molecola di clorofilla,
venga trasportato al cosiddetto centro reattivo
dove poi viene trasformato in energia chimica.
Nel tragitto non segue una strada sola;
segue più strade nello stesso momento
per arrivare al centro reattivo nel modo più efficiente,
senza disperdersi come calore.
Coerenza quantistica all'interno di una cellula.
Un'idea straordinaria,
provata dalla continua pubblicazione di nuovi studi
che confermano la sua veridicità.
Il mio terzo e ultimo esempio presenta l'idea più stupefacente.
È sempre molto incerta ma voglio condividerla con voi.
Il pettirosso europeo migra dalla Scandinavia
al Mediterraneo, ogni autunno,
e come molti altri insetti e animali marini
si orienta rispetto al campo magnetico terrestre.
Il campo magnetico terrestre è molto, molto debole,
cento volte più debole di una calamita da frigo,
eppure riesce a influenzare la chimica degli organismi viventi.
Su questo non c'è dubbio: negli anni Settanta due ornitologi tedeschi,
Wolgang e Roswitha Wiltschko, confermarono
che il pettirosso si orienta perché il campo magnetico terrestre
gli dà indicazioni sulla direzione, come una bussola incorporata.
Il mistero restava capire come ci riuscisse.
L'unica teoria avanzata,
non sappiamo se è la teoria corretta ma è l'unica,
sostiene che ciò avviene tramite l'entanglement quantistico.
Nella retina del pettirosso,
non vi prendo in giro, nella sua retina c'è il criptocromo,
una proteina fotosensibile.
Nel criptocromo una coppia di elettroni è coinvolta nell'entanglement quantistico.
Si parla di entanglement quantistico quando due particelle separate
rimangono in qualche modo in contatto tra di loro.
Neppure a Einstein andava giù questo fatto,
che definì "azione spettrale a distanza".
(Risate)
Se non piaceva neanche a Einstein, noi possiamo stare tranquilli.
Due elettroni della stessa molecola correlati quantisticamente
eseguono una danza
che influisce sul volo degli uccelli
nel campo magnetico terrestre.
Non sappiamo se questa è la spiegazione corretta,
ma non è fantastico pensare che la meccanica quantistica orienta gli uccelli?
La biologia molecolare sta ancora muovendo i primi passi.
Richiede ancora molte verifiche.
Ma ha solide basi scientifiche.
Credo che nei prossimi dieci anni
cominceremo a capire quanto sia fondamentale per la vita,
e che la vita si evolve anche grazie a stratagemmi quantistici.
Restate sintonizzati.
Grazie.
(Applausi)