Cosa c’entra la biologia con la fisica quantistica? Apparentemente poco: i biologi da decenni usano le leggi della chimica e della fisica classica per spiegare i processi che fanno funzionare la vita. Negli ultimi anni un gruppo di biologi ha però dimostrato che alcuni meccanismi utilizzati dagli esseri viventi possono esistere solo grazie a fenomeni quantistici.
Se prendiamo come esempio un pallone, il moto di miliardi di atomi al suo interno che si agitano e colpiscono la gomma ne definiscono la pressione e la temperatura, ma quello che noi vediamo è semplicemente un pallone. Quando gli diamo un calcio, la sua traiettoria e la sua velocità sono determinati dalle leggi della fisica classica, che è un’approssimazione statistica del comportamento di tutti i suoi atomi.
Schrodinger utilizza l’efficace espressione ‘ordine dal disordine’ per descrivere ogni oggetto inanimato intorno a noi, proprio perché la sua forma e le sue ordinate caratteristiche fisiche emergono dal comportamento disordinato delle particelle che lo costituiscono.
Chiaramente un oggetto deve essere abbastanza grande per poter supportare le leggi della fisica classica. Più l’oggetto è piccolo, più l’approssimazione statistica sbaglia e più il comportamento si avvicina a quello di un numero discreto di particelle che interagiscono tra loro. Avvicinandosi alla scala atomica le leggi che funzionano per il pallone non funzionano più e si entra nel mondo strano e “ordinato” della fisica quantistica.
Una cellula vivente non è molto diversa da un pallone: ha una membrana che la separa dal mondo esterno e un fluido all’interno che la riempie dandole adeguata consistenza. La termodinamica classica è ancora sufficiente per descrivere il comportamento dei fluidi.
Però la cellula è dotata di meccanismi che le permettono di mantenere ordine al suo interno, di nutrirsi e riprodursi. Il pallone in assenza di un calcio sta fermo, la cellula sembra avere un suo “progetto”.
Nessuno è ancora riuscito a spiegare come sia nata la vita, che cosa determini quel ‘progetto’. Ma nell’ultimo secolo molte cose sono state scoperte. La scoperta più importante in questo campo è stata certamente il dna: una molecola incredibile, che contiene miliardi di atomi messi in sequenza a formare un codice con una sua precisa sintassi e con un preciso significato.
Qui l’ordine emerge da una configurazione precisa a livello atomico: “ordine dall’ordine”. La posizione di ogni atomo è determinante per definire il comportamento della cellula, persino per sfruttare il disordine dei fluidi.
La trama più fine della realtà è ben descritta dalle incredibili leggi della fisica quantistica, che sono davvero strane: permettono alle particelle di fare delle cose che nel nostro macromondo non riusciamo nemmeno ad immaginare.
Una particella può essere in più posti contemporaneamente (diffusione), può essere sincronizzata con altre particelle lontanissime da lei (entanglement), può forzare delle barriere energetiche insormontabili (effetto tunnel). Ma, incredibilmente, tutte queste capacità magiche spariscono appena proviamo ad osservarle (fenomeno della misura). Solo a temperature bassissime (quando le particelle si muovono più lentamente e ci sono poche collisioni) si riescono a registrare i fenomeni quantistici.
Secondo i fisici alle temperature a cui possono esistere gli esseri viventi le fluttuazioni quantistiche dovrebbero quindi lasciare spazio alle leggi della fisica classica e della chimica.
Eppure un pugno di biologi e fisici visionari, come Johnjoe McFadden e Jim Al-Khalili, ha continuato a indagare su alcuni fenomeni che non hanno mai trovato spiegazione, dimostrando contro ogni previsione che gli esseri viventi riescono in taluni casi ad utilizzare le proprietà quantistiche.
Ad esempio l’effetto tunnel permette all’enzima collagenasi di smontare in pochi minuti atomo per atomo le resistentissime molecole di collagene permettendo a un girino di trasformarsi in una rana.
L’entanglement potrebbe dare una spiegazione alla capacità del pettirosso di percepire il campo magnetico terrestre: grazie ad un pigmento dalle proprietà quantomeccaniche posizionato nell’occhio pare che possa ‘vedere’ dove sono il nord e il sud.
La diffusione potrebbe spiegare l’efficienza elevatissima del processo di fotosintesi, permettendo il trasporto di ogni fotone al più vicino centro di reazione senza dissipazione di energia.
Molte ricerche sono ancora in corso e un velo di scetticismo emargina ancora il settore; ma la vita è misteriosa, così come lo è il comportamento “strano” delle particelle. Non mi stupirei se la spiegazione della vita stesse proprio laggiù nel mondo dei quanti.
Se prendiamo come esempio un pallone, il moto di miliardi di atomi al suo interno che si agitano e colpiscono la gomma ne definiscono la pressione e la temperatura, ma quello che noi vediamo è semplicemente un pallone. Quando gli diamo un calcio, la sua traiettoria e la sua velocità sono determinati dalle leggi della fisica classica, che è un’approssimazione statistica del comportamento di tutti i suoi atomi.
Schrodinger utilizza l’efficace espressione ‘ordine dal disordine’ per descrivere ogni oggetto inanimato intorno a noi, proprio perché la sua forma e le sue ordinate caratteristiche fisiche emergono dal comportamento disordinato delle particelle che lo costituiscono.
Chiaramente un oggetto deve essere abbastanza grande per poter supportare le leggi della fisica classica. Più l’oggetto è piccolo, più l’approssimazione statistica sbaglia e più il comportamento si avvicina a quello di un numero discreto di particelle che interagiscono tra loro. Avvicinandosi alla scala atomica le leggi che funzionano per il pallone non funzionano più e si entra nel mondo strano e “ordinato” della fisica quantistica.
Una cellula vivente non è molto diversa da un pallone: ha una membrana che la separa dal mondo esterno e un fluido all’interno che la riempie dandole adeguata consistenza. La termodinamica classica è ancora sufficiente per descrivere il comportamento dei fluidi.
Però la cellula è dotata di meccanismi che le permettono di mantenere ordine al suo interno, di nutrirsi e riprodursi. Il pallone in assenza di un calcio sta fermo, la cellula sembra avere un suo “progetto”.
Nessuno è ancora riuscito a spiegare come sia nata la vita, che cosa determini quel ‘progetto’. Ma nell’ultimo secolo molte cose sono state scoperte. La scoperta più importante in questo campo è stata certamente il dna: una molecola incredibile, che contiene miliardi di atomi messi in sequenza a formare un codice con una sua precisa sintassi e con un preciso significato.
Qui l’ordine emerge da una configurazione precisa a livello atomico: “ordine dall’ordine”. La posizione di ogni atomo è determinante per definire il comportamento della cellula, persino per sfruttare il disordine dei fluidi.
La trama più fine della realtà è ben descritta dalle incredibili leggi della fisica quantistica, che sono davvero strane: permettono alle particelle di fare delle cose che nel nostro macromondo non riusciamo nemmeno ad immaginare.
Una particella può essere in più posti contemporaneamente (diffusione), può essere sincronizzata con altre particelle lontanissime da lei (entanglement), può forzare delle barriere energetiche insormontabili (effetto tunnel). Ma, incredibilmente, tutte queste capacità magiche spariscono appena proviamo ad osservarle (fenomeno della misura). Solo a temperature bassissime (quando le particelle si muovono più lentamente e ci sono poche collisioni) si riescono a registrare i fenomeni quantistici.
Secondo i fisici alle temperature a cui possono esistere gli esseri viventi le fluttuazioni quantistiche dovrebbero quindi lasciare spazio alle leggi della fisica classica e della chimica.
Eppure un pugno di biologi e fisici visionari, come Johnjoe McFadden e Jim Al-Khalili, ha continuato a indagare su alcuni fenomeni che non hanno mai trovato spiegazione, dimostrando contro ogni previsione che gli esseri viventi riescono in taluni casi ad utilizzare le proprietà quantistiche.
Ad esempio l’effetto tunnel permette all’enzima collagenasi di smontare in pochi minuti atomo per atomo le resistentissime molecole di collagene permettendo a un girino di trasformarsi in una rana.
L’entanglement potrebbe dare una spiegazione alla capacità del pettirosso di percepire il campo magnetico terrestre: grazie ad un pigmento dalle proprietà quantomeccaniche posizionato nell’occhio pare che possa ‘vedere’ dove sono il nord e il sud.
La diffusione potrebbe spiegare l’efficienza elevatissima del processo di fotosintesi, permettendo il trasporto di ogni fotone al più vicino centro di reazione senza dissipazione di energia.
Molte ricerche sono ancora in corso e un velo di scetticismo emargina ancora il settore; ma la vita è misteriosa, così come lo è il comportamento “strano” delle particelle. Non mi stupirei se la spiegazione della vita stesse proprio laggiù nel mondo dei quanti.
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Per approfondire
Erwin Schrödinger (1944), Che cos’è la vita?, Adelphi
Jim Al-Khalili e Johnjoe McFadden (2015), La fisica della vita, Bollati Boringhieri
Gabriele, sei avanti….