Come la biologia quantistica può spiegare le più grandi domande della vita.

Perché i pettirossi sanno che devono volare verso sud? Forse la risposta è più bizzarra del previsto: la fisica quantistica potrebbe essere responsabile di questo fenomeno. Jim Al-Khalili ci offre un quadro d'insieme del recentissimo e stranissimo mondo della biologia quantistica, in cui la "spettrale azione a distanza", come la definì Einstein, aiuta gli uccelli a orientarsi, e i quanti potrebbero spiegare l'origine della vita stessa.

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)