Home MateriaBiologia Cosa studia la biologia quantistica?

Cosa studia la biologia quantistica?

by Adriana Carelli
Uccelli

Introduzione

La  riguarda l’applicazione di principi di meccanica quantistica e chimica teorica a problematiche che si riferiscono alla . Molti processi biologici riguardano la conversione di energia per l’utilizzo in trasformazioni chimiche, e sono quindi, in essenza, di natura quantistica. Questi processi concernono reazioni chimiche, assorbimento della luce, formazione di stati elettronici eccitati, trasferimento dell’energia di eccitazione, trasferimento di protoni ed elettroni (ioni idrogeno) in molti processi chimici, come per esempio la fotosintesi, i fenomeni olfattivi e la respirazione cellulare. La Biologia quantistica utilizza modelli computerizzati per analizzare e rivelare la natura di processi biologici che sono fondamentali per gli organismi viventi. Questa scienza si occupa dell’influenza dei fenomeni quantici non banali, che può essere spiegata riducendo il processo biologico alla fisica fondamentale, sebbene questi effetti sono difficili da studiare e possono essere di natura speculativa. Al momento non ci sono evidenze di biologia quantistica che comportano effetti quantici osservabili in organismi macroscopici (a parte esperimenti mentali come il gatto di Schrodinger) o che si siano rivelati cruciali per l’esistenza della vita.

Applicazioni della biologia quantistica

La

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.

Gli scienziati hanno scoperto che in questo complesso FMO 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.

I sistemi biologici pertanto mostrano gli stessi effetti quantistici dei sistemi non biologici. Le tecniche di osservazione sviluppate per queste ricerche potrebbero essere applicate a sistemi differenti, viventi o meno.

Mutazione del

L’acido desossiribonucleico, il DNA, funge da istruzioni per la produzione di proteine in tutto il corpo. E’ composto da 4 nucleotidi: guanina, timina, citosina e adenina. L’ordine di questi nucleotidi crea le diverse proteine.
Ogni volta che una cellula si riproduce, deve copiare questi filamenti di DNA. Tuttavia, a volte durante il processo di copia del filamento di DNA può verificarsi una mutazione o un errore nel codice del DNA. Una teoria  alla base della mutazione del DNA è spiegata nel modello di mutazione del DNA di Lowdin.  In questo modello, un nucleotide può cambiare la sua forma attraverso un processo di tunnel quantistico. Per questo motivo, il nucleotide modificato perderà la sua capacità di accoppiarsi con la sua coppia di basi originale e come conseguenza si avrà una mutazione nel DNA.

Un fattore che può causare una mutazione nel DNA è l’esposizione ai raggi ultravioletti. Le radiazioni infatti possono modificare i legami nelle pirimidine e fare creare legami non consoni.

In molti procarioti questi legami vengono riparati nella loro forma originale da un processo enzimatico di riparazione del DNA. In questo processo si crea uno ione negativo, e l’elettrone in più viene utilizzato, attraverso il tunneling, per riparare il DNA danneggiato.

Attività enzimatica

Gli possono usare il tunneling quantistico per trasferire elettroni a lunghe distanze. È possibile che l’architettura quaternaria proteica possa essersi evoluta per consentire un costante aggrovigliamento e coerenza quantistica.
Il tunneling si riferisce alla capacità di una  particella di massa piccola, di attraversare le barriere energetiche. Questa capacità è dovuta al principio di complementarità, secondo cui alcuni oggetti hanno coppie di proprietà che non possono essere misurate separatamente senza cambiare il risultato della misurazione. Gli elettroni hanno proprietà sia delle onde che delle particelle, quindi possono passare attraverso le barriere fisiche come un’onda senza violare le leggi della fisica. Gli studi dimostrano che i trasferimenti di elettroni a lunga distanza tra i centri redox attraverso il tunnel quantico svolgono ruoli importanti nell’attività enzimatica della fotosintesi e della respirazione cellulare.
Senza tunnel quantistico, gli organismi non sarebbero in grado di convertire l’energia abbastanza rapidamente per sostenere la crescita.

La magnetorecezione è un senso che consente a un organismo di rilevare un campo magnetico per percepire la direzione, l’altitudine o la posizione. Questa modalità sensoriale viene utilizzata da una serie di animali per l’orientamento e la navigazione, e come metodo per gli animali per sviluppare mappe regionali. Ai fini della navigazione, la magnetorecezione si occupa del rilevamento del campo magnetico terrestre.
La magnetorecezione è presente in batteri, artropodi, molluschi e membri di tutti i principali gruppi tassonomici di vertebrati.  Non si pensa che gli esseri umani abbiano un senso magnetico, ma c’è una proteina (un criptocromo) nell’occhio che potrebbe servire a questa funzione.

Video sulla biologia quantistica

Video con spiegazione generale

In questo video vediamo come le piante utilizzano processi quantistici, viene spiegato il processo di fotosintesi

In questo video vediamo l’utilizzo dei fenomeni quantistici nelle reazioni enzimatiche

In questo video vediamo spiegato il fenomeno della magnetorecezione utilizzato dagli uccelli

 

Fonti:

Immagine di copertina:
Foto di André Rau da Pixabay

POTREBBE INTERESSARTI

Leave a Comment