Cosa sappiamo della natura quantistica della fotosintesi

Immagine di un sistema ibrido per potenziare la fotosintesi. (Photocredit: CNR/nanopress).

Da tempo sappiamo che i processi fotosintetici sfruttano processi a noi noti grazie alla meccanica quantistica. Ieri è stato pubblicato un interessante articolo su Nature Communications che, a mio modo di vedere, rappresenta il punto d’arrivo di una serie di ricerche correlate. Prima di parlarne è necessaria una breve digressione che svolgo in due tappe: (1) le proteine-antenne, e (2) lo sviluppo di un composto sintetico in grado di potenziarne le funzioni.

(1) Le proteine antenne. Alcuni organismi fotosintetici, come le piante e alcuni batteri, hanno imparato a convertire in maniera estremamente efficiente la luce solare in energia: il 95% della luce solare assorbita viene infatti usata per governare le reazioni metaboliche. Considerando che l’efficienza delle celle fotovoltaiche attualmente sul mercato è di circa il 20%, è evidente che lo studio di questa “magica conversione” è una delle maggiori sfide per ottenere energie pulita e sostenibile (che, dunque, non faccia affidamento sui combustibili fossili). Un recente studio pubblicato su Science presenta alcuni risultati interessanti sulla natura dei meccanismi quantistici coinvolti nella fotosintesi. 

Di quale meccanismo nascosto si serve la natura per trasferire l’energia in modo efficiente? Vari gruppi di ricerca nel mondo hanno dimostrato che questo trasporto di energia altamente efficiente è collegato ad un fenomeno molto noto in meccanica quantistica. Tuttavia, fino ad ora, nessuno aveva osservato direttamente i possibili effetti di un tale meccanismo di trasporto quantistico a temperatura ambiente. I ricercatori dell’Istituto di Scienze Fotoniche ICFO a Barcellona, in collaborazione con i biochimici dell’Università di Glasgow sono riusciti a mostrare che i meccanismi quantistici di trasferimento di energia sono sufficientemente resistenti anche a temperatura superiori allo zero assoluto.

Il fenomeno quantistico qui in gioco è quello della coerenza che interessa le cosiddette proteine-antenna responsabili dell’assorbimento della luce solare. Per raccogliere l’energia dal Sole, le piante utilizzano i cromofori, molecole che assorbono alcune lunghezze d’onda della luce visibile. Quando la luce solare colpisce una pianta, gli elettroni esterni dei cromofori assorbono energia dai fotoni in arrivo e poi li trasferiscono dalla molecola ad un’altra a uno stato di energia più basso. Il trasferimento si ripete attraverso una catena di molecole creando un effetto domino che separa un elettrone dall’ultimo cromoforo della catena, che fornisce energia immagazzinata dalla pianta sotto forma di un carboidrato (una molecola di zucchero ad alta energia di legame). In questo modo i cromofori svolgono tre funzioni: assorbono l’energia dalla luce solare (accettori), donano l’energia assorbita, e trasferiscono l’energia ad un’altra molecola (ponti).

Ad oggi sappiamo che (i) l’energia assorbita da un cromoforo viaggia attraverso reti multiple nello stesso momento in modo tale da prendere il percorso più rapido. E che (ii) il rumore quantistico (ossia le continue fluttuazioni che interessano questo livello della materia), consente il trasferimento dell’energia dai cromofori ai centri di reazione della fotosintesi. Per comprendere meglio questi stadi del processo, il gruppo di ricerca coordinato da Niek van Hulst ha sviluppato una tecnica sperimentale d’avanguardia.

Sono state scattate delle vere e proprie istantanee che mostrano il modo in cui ogni singola molecola trasporta energia: è stato possibile “vedere” come funziona la fotosintesi nelle proteine-antenna grazie ad alcune tecniche spettroscopiche: “siamo stati in grado di osservare come i flussi di energia viaggiano attraverso i sistemi fotosintetici con una risoluzione spaziale e temporale senza precedenti. Ciò ha permesso di osservare il ruolo fondamentale degli effetti quantistici nella fotosintesi in condizioni ambientali”, spiega Richard Hildner, primo autore della pubblicazione.

Ogni proteina, pur essendo chimicamente identica, utilizza un percorso diverso per trasportare energia; la scoperta più sorprendente concerne la relazione che si instaura tra la “scelta” del percorso e le condizioni ambientali. Sembrerebbe, infatti, che ogni proteina si “adatti” all’ambiente cercando la soluzione ottimale in termini di efficienza. Sembrerebbe lecito concludere che è proprio la coerenza quantistica a mantenere elevati i livelli di efficienza del trasporto nei sistemi biologici. Ulteriori conferme in merito non condurranno solo alla costruzione di celle solari sempre più efficienti. Esiste dunque una relazione tra effetti quantistici nella fotosintesi ed evoluzione del sistema biologico nel suo complesso? Gli effetti quantistici sono, dunque, parte di un pattern evolutivo più complesso?

(2) Il composto sintetico. L’anno scorso i ricercatori dell’Università di Chicago hanno creato un composto sintetico che imita le dinamiche quantistiche complesse da tempo osservate nei processi di fotosintesi. Controllare ed utilizzare gli effetti quantistici nei dispositivi che raccolgono la luce non è solo possibile, ma anche più facile di quanto ci si aspettasse; l’articolo è stato pubblicato nel numero del 19 aprile 2013 di Science Express e promette nuove frontiere nelle tecnologie per l’uso dell’energia solare.

Uncovering quantum secret in photosynthesis

Proteine che catturano l’energia solare. (Photocredit: ICFO).

Di solito gli effetti quantistici sono trascurabili quando i sistemi di riferimento sono macroscopici e hanno temperature medio-alte; tuttavia, esperimenti come quello condotto a Chicago dal Prof. Greg Engel hanno mostrato che la fotosintesi di alcuni batteri che vivono nelle profondità marine si basa sulla coerenza quantistica: in questi batteri, il 99% dell’energia solare assorbita viene convertita in energia chimica. Questa enorme efficienza, un miraggio per qualunque cella fotovoltaica, è dovuta in larga misura alla capacità delle proteine, che costituiscono il “corridoio” biochimico per il trasferimento di energia, di sfruttare la coerenza (e questo accade anche a temperatura ambiente).

I ricercatori hanno progettato piccole molecole che supportano longeve coerenze quantistiche, in modo da osservarle durante la sovrapposizione quantistica: la sovrapposizione di stati è il fenomeno noto grazie all’esperimento mentale del gatto di Schrödinger – che si trova in un limbo quantistico finché non lo osserviamo, in quanto è vivo e morto insieme. Il significato di questo Gedankenexperiment è il seguente: una singola particella quantistica, come ad esempio un elettrone, occupa contemporaneamente più di uno stato.

Vediamo l’esperimento. Le antenne fotosintetiche supportano la sovrapposizione per un tempo sorprendentemente lungo. Per spiegare il fenomeno, alcuni ricercatori si sono appellati all’evoluzione: sarebbe stata l’evoluzione a far mutare gli organismi in modo da “conservare” la capacità di proteggere le sovrapposizioni di stati. A prescindere da quale sia il supporto teorico dell’evidenza sperimentale, corroborata da varie simulazioni al computer, un risultato è stato raggiunto: una maggiore efficienza nell’assorbire l’energia solare e nel trasferirla alle cellule preposte alla conversione dell’energia termica in energia chimica.

La peculiarità dell’esperimento consiste nel dimostrare che questo meccanismo funziona anche nei composti artificiali che “imitano” un comportamento presente in natura. Modificando la fluoresceina – un colorante ad elevata fluorescenza – e legando diverse coppie di coloranti in una struttura rigida, hanno ottenuto un composto molecolare in grado di svolgere le stesse funzioni della clorofilla nei sistemi fotosintetici (le coerenze persistono per decine di femtosecondi a temperatura ambiente).

“Questo può sembrare un tempo non molto lungo – un femtosecondo è un milionesimo di miliardesimo di secondo”, ha detto Dugan Hayes, uno dei coautori dello studio. “Ma il movimento di eccitazioni attraverso questi sistemi si verifica anche su questa scala temporale ultraveloce, il che significa che queste sovrapposizioni quantistiche possono giocare un ruolo importante nel trasferimento di energia”.

Sovrapposizioni quantistiche longeve. Per individuarne i segni, i ricercatori hanno costruito in laboratorio una pellicola del flusso di energia delle molecole usate nei sistemi laser a femtosecondi. Gli impulsi laser sono controllati e, quando colpiscono il campione preposto, emettono un segnale che viene catturato da una macchina fotografica. La scansione ottica permette di isolare i ritardi di tempo che separano gli impulsi laser e di creare una pellicola che rappresenta il flusso di energia nel sistema, che viene codificato come una serie di spettri bidimensionali. Ogni spettro è un singolo fotogramma e contiene diverse informazioni: il luogo in cui risiede l’energia del sistema e il percorso che ha seguito per arrivarci.

Questi filmati mostrano non solo le connessioni tra stati di diversi livelli di energia, ma soprattutto l’evoluzione temporale del sistema nel suo complesso: dalle oscillazioni dei segnali ai quantum beats. “I battiti quantistici la firma di coerenza quantistica, derivante dall’interferenza tra i diversi stati energetici nella sovrapposizione, e sono simili al rumore che si sente quando due strumenti non accordati tentano di riprodurre la stessa nota”, ha spiegato Dugan Hayes.

Il risultato mette in discussione anche da un punto di teorico un’ipotesi ancora oggi diffusa, secondo cui i meccanismi biochimici propri dei sistemi viventi sono insensibili alle proprietà quantistiche – in primis l’entanglement (la correlazione che lega diversi stati quantistici di particelle distanti), e la coerenza. Non si può negare che queste proprietà, pur venendo meno nei viventi di taglia macroscopica a causa dell’interazione con l’ambiente (che causerebbe la decoerenza quantistica, ovvero la disincronizzazione delle funzioni d’onda), abbiano un significativo ruolo nel funzionamento delle parti e delle strutture complesse di cui sono fatti.

photosynthesis

Immagine dei cloroplasti nelle cellule di Plagiomnium. (Photocredit: wikipedia.org).

(3) Vediamo ora al nuovo studio pubblicato su Nature Communications. In sostanza completa e conferma ulteriormente alcune teorie già note. Gli studi di cui abbiamo parlato confermano che i cromofori trasmettono energia attraverso onde. La novità consiste nel fatto che in questo nuovo esperimento non è necessario raffreddare il sistema fin sotto lo zero assoluto per osservare i fenomeni quantistici. A temperatura ambiente è possibile infatti osservarli nei sistemi biologici.

I ricercatori hanno mostrato con molta chiarezza che il trasferimento di energia nelle macromolecole è assistito da specifici moti vibrazionali dei cromofori: “abbiamo scoperto che il trasferimento di energia durante la fotosintesi non può essere descritto con leggi classiche e, per di più, questo comportamento non classico migliora l’efficienza del trasferimento di energia”, ha spiegato Alexanda Olaya – Castro, coautrice della ricerca. Queste vibrazioni sono moti periodici e quando  l’energia associata alla vibrazione è superiore alla scala di temperatura del sistema allora viene scambiata solo un’unità o quanto di energia (il che permette anche di calcolare quanta energia viene trasferita complessivamente dal sistema).

Vari processi biomolecolari sono influenzati da specifici moti vibrazionali: il trasferimento di elettroni all’interno di macromolecole (i centri di reazione nei sistemi fotosintetici), il cambiamento strutturale di un cromoforo a seguito dell’assorbimento di fotoni (come nei processi legati alla vista) o il riconoscimento di una molecola (si pensi all’olfatto). I risultati di questa ricerca suggeriscono quindi che un esame più approfondito delle dinamiche vibrazionali coinvolte in questi processi potrebbe spingere a ricercare altri prototipi biologici che si comportano in modo non classico.

Paper di riferimento:

Edward J. O’Reilly, Alexandra Olaya-Castro, Non-classicality of the molecular vibrations assisting exciton energy transfer at room temperature, in Nature Communications, 5, (2014), doi:10.1038/ncomms4012.

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