La storia della fotosintesi attraverso esperimenti empirici e fisica quantistica (parte II)

Nella scorsa puntata abbiamo ripercorso a grandi tappe la storia delle ricerche sul processo fotosintetico. Se siete nuovamente qui significa che questa storia della fotosintesi alla luce della meccanica quantistica vi ha, quantomeno, stuzzicato!

Pensate che la quantità di energia solare catturata dalla fotosintesi è enorme, dell’ordine dei 100 terawatt (circa sei volte quanto consuma attualmente la civiltà umana, almeno secondo Wikipedia). Inoltre la fotosintesi è anche la fonte di carbonio dei composti organici degli organismi viventi.
Negli ecosistemi la materia circola continuamente: composti organici, ossigeno, anidride carbonica e acqua vengono prodotti e consumati senza sosta. L’energia che proviene dal Sole, invece, entra negli organismi viventi, in parte viene utilizzata per svolgere le funzioni vitali e, in parte, dispersa nell’ambiente in una forma che i fisici chiamano entropia.

Eravamo arrivati alla descrizione delle due fasi in cui è suddiviso il processo e non vi nascondo che si tratta di un argomento difficile ma, nonostante questo, a tutt’oggi il mio preferito in ambito botanico. Non per niente Mr. Calvin, il biochimico statunitense che per primo riuscì a descrivere le singole tappe del processo, si meritò il Nobel per la chimica per questo risultato!

  • La fase luminosa comprende reazioni che avvengono in presenza di luce. I pigmenti captano la radiazione luminosa, l’energia assorbita determina un’eccitazione delle molecole del centro di reazione del fotosistema, dove avviene la fotolisi dell’acqua, ossia la sua scissione in ossigeno e idrogeno innescando così un flusso di elettroni al fine di produrre delle molecole speciali (ATP e NADP) da utilizzare nella fase oscura.
  • Nella fase oscura non occorre luce, si elaborano i prodotti della fase luminosa attraverso un complesso di reazioni noto come ciclo di Calvin. In questa fase avviene la cosiddetta organicazione del carbonio, l’incorporazione dell’atomo di carbonio presente nella molecola inorganica di anidride carbonica in quella organica di glucosio.

Entrambe le fasi avvengono all’interno dei cloroplasti (li vedete nell’immagine di copertina), organuli presenti nelle cellule delle piante e nelle alghe eucariotiche.

Risparmiandovi i dettagli chimici, vi dico subito che l’efficienza energetica della prima parte del processo fotosintetico è straordinaria. La captazione dell’energia solare nella fotosintesi, come abbiamo visto, si basa su un complesso di meccanismi molecolari sofisticati al punto che dopo un secolo di ricerche e una dozzina di premi Nobel, si inizia solo adesso a capire come avviene il trasferimento dell’energia in modo efficiente.

A sinistra la fase luminosa che avviene nei tilacoidi (sacculi delimitati da membrana) dei cloroplasti: l’energia luminosa, grazie alla clorofilla, viene intrappolata nelle molecole di ATP. L’acqua viene scissa in idrogeno ed ossigeno (fotolisi) e l’idrogeno si lega alla molecola accettrice NADP che si trasforma in NADPH. L’ossigeno viene liberato in forma molecolare O2. Nella fase oscura, che avviene nello stroma (la parte fluida interna del cloroplasto), l’anidride carbonica viene trasformata in glucosio grazie all’idrogeno ceduto dal NADPH (che torna ad essere NADP) e all’energia chimica rilasciata dalla scissione dell’ATP.

Occorre precisare che la grande efficienza di cui abbiamo parlato non è l’efficienza complessiva del sistema fotosintetico. L’efficienza energetica delle reazione chimiche con cui le piante trasformano l’energia radiante in energia chimica è molto più bassa di quella della prima parte. Per aiutarci (o forse per confonderci ancora di più) nella spiegazione di questa notevole efficienza entrano in gioco le proprietà quantistiche.

La spettroscopia ottica non lineare e la modellizzazione teorica sono state fondamentali per rivelare che la coerenza tra gli stati di eccitazione elettronica ha un ruolo fondamentale nella fotosintesi. Senza la capacità di sfruttare il fenomeno della coerenza quantistica la fotosintesi non potrebbe raggiungere l’alta efficienza che la caratterizza e che la rende il mattone alla base della costruzione biologica.

L’efficienza è importante soprattutto per gli organismi fotosintetici che hanno scarsa disponibilità di energia luminosa. Alcuni solfobatteri che vivono nelle profondità marine sono in grado di trasformare quel poco di luce solare che ricevono quasi al cento per cento in nutrimento.

Uno studio del 2013, pubblicato su Nature Physics, ci spiega che l’energia viene trasferita attraverso l’eccitazione a catena di diversi stati quantistici molecolari, o eccitoni. Questi eccitoni mostrano una coerenza quantistica: ossia possono presentare simultaneamente una sovrapposizione di stati quantistici, ognuno caratterizzato da una diversa probabilità.

Nello stesso anno, per la prima volta, sono stati osservati nel dettaglio i processi fotochimici. A riuscirci, un gruppo di ricercatori dell’Istituto di scienze fotoniche (ICFO) del Parco tecnologico mediterraneo di Barcellona e dell’Università di Glasgow, autori di un articolo uscito su Science. Grazie alla spettroscopia ultraveloce è stato possibile ottenere immagini ad alta velocità degli stati delle proteine coinvolte nell’assorbimento della luce solare. Un risultato straordinario dal momento che i processi fotosintetici, non solo avvengono a scala molecolare, ma in tempi estremamente rapidi, dell’ordine di pochi trilionesimi di secondo.
Inoltre, mentre gli studi sugli effetti quantistici sono condotti a temperature estremamente basse per evitare i fenomeni di decoerenza, nel caso della fotosintesi si lavora a temperatura ambiente.

Complesso antenna di alghe criptofite. Così si chiama il sistema di pigmenti e proteine integrate nella membrana tilacoidale del cloroplasto che trasferiscono l’energia luminosa del fotone ad una molecola di clorofilla a del centro di reazione di un fotosistema. Credit: Alexandra Olaya-Castro, UCL.

L’idea che i meccanismi biochimici su cui si basa il vivente non siano descrivibili tramite proprietà quantistiche come l’entanglement (la correlazione che può legare a distanza diversi stati quantistici di particelle) viene messa in discussione. In questa rubrica abbiamo già parlato del principio di sovrapposizione, il primo postulato della meccanica quantistica, e di come sia in contrasto con la meccanica classica. A livello macroscopico, infatti, non è possibile osservare una sovrapposizione di stati distinti, il gatto è vivo o il gatto è morto, solo una delle due affermazioni è vera.
Esiste, quindi, un confine tra mondo quantistico e mondo classico?

Se un fenomeno alla base della vita sul pianeta, come quello della fotosintesi, può essere spiegato da proprietà quantistiche, è legittimo chiedersi se sia possibile che questo riguardi anche altri processi biologici. Con questa riflessione non si vuole assolutamente giustificare il filone delle sciocchezze quantistiche che girano in questi ultimi tempi, solo stimolare ad immaginare possibili futuri campi di ricerca!

Onore al lampo e alla scintilla | grande rispetto per la clorofilla | gloria al fotone e all’elettrone | viva l’idrogeno e il carbone | la fibra ottica e il silicio | viva l’istinto del sacrificio. (Lorenzo Cherubini)

Serena Piccardi

  •  
  •  
  •  
  •  
  •  
  •  
  •  
  •  
  •  
0 Commenti

Lascia una risposta

Il tuo indirizzo email non sarà pubblicato. I campi obbligatori sono contrassegnati *

*

©2017 virgoletteblog.it ideato da Filippo Piccini sito web realizzato da Riccardo Spadaro

Log in with your credentials

Forgot your details?