La “sovrapposizione” quantistica rende la fotosintesi più efficiente.
Le reazioni della fase luce dipendente della fotosintesi clorofilliana.
Gli effetti quantici in un sistema biologico – per esempio in un complesso fotosintetico – sono stati osservati per la prima volta da Greg Engel e dai suoi collaboratori nel 2007, negli Stati Uniti. Questi effetti sono stati riprodotti in diversi laboratori a temperature di circa -193 gradi Celsius e in seguito a temperatura ambiente.
“La cosa sorprendente e interessante è che questi effetti quantici sono stati osservati in complessi biologici, che sono sistemi grandi, umidi e rumorosi,” spiega il coordinatore del progetto PAPETS, il dott. Yasser Omar, ricercatore presso l’Instituto de Telecomunicações e professore all’Universidade de Lisboa. “La sovrapposizione è fragile e ci si aspetterebbe che venga distrutta dall’ambiente.
La sovrapposizione contribuisce a un trasporto più efficiente dell’energia. Un eccitone – una quasi-particella quantica che trasporta energia – può viaggiare più velocemente lungo il complesso fotosintetico grazie al fatto che può esistere in due stati contemporaneamente. Quando arriva a una biforcazione, non ha bisogno di scegliere destra o sinistra, può procedere su entrambi i percorsi contemporaneamente.
“È come un labirinto,” afferma il dottor Omar. “Solo una porta conduce all’uscita, ma l’eccitone può provare sia quella di destra che quella di sinistra contemporaneamente. È più efficiente.”
Omar e i suoi colleghi ritengono che una confluenza di fattori aiuti a effettuare e mantenere la sovrapposizione, ovvero le dinamiche dell’ambiente vibrante, il cui ruolo è appunto quello che il progetto PAPETS si propone di capire e sfruttare.
Teoria e sperimentazione s’incontrano.
Le teorie studiate da PAPETS sono state testate in esperimenti di verifica che servivano anche ad acquisire altre informazioni. Per studiare il trasporto quantico nella fotosintesi, per esempio, i ricercatori hanno sparato veloci impulsi laser su sistemi biologici, per osservare il comportamento dell’interferenza lungo la rete di trasporto, un segno distintivo del fenomeno a onda.
“È come gettare sassi in un lago,” spiega Omar. “Si può vedere solo se le onde generate diventano più grandi o si cancellano l’un l’altra quando s’incontrano.”
Celle solari più efficienti e rilevazione degli odori.
Benché PAPETS sia essenzialmente un progetto di studio, sta fornendo informazioni anche su future applicazioni pratiche. I ricercatori di PAPETS stanno raggiungendo una comprensione più profonda di come funziona la fotosintesi e questo potrebbe facilitare la produzione futura di celle solari molto più efficienti.
L’olfatto – la capacità di riconoscere e distinguere odori diversi – è un altro settore promettente. Gli esperimenti si sono concentrati sul comportamento delle mosche Drosophilia. Finora i ricercatori sospettano che la creazione di un tunnel da parte degli elettroni associata alle vibrazioni interne di una molecola potrebbero essere un segnale dell’odore. Il dottor Omar paragona questa creazione di un tunnel a una palla di ping pong messa in una ciotola che attraversa uno dei lati della ciotola per apparire al di fuori di essa.
Questo lavoro potrebbe avere applicazioni nel settore alimentare, idrico, cosmetico e farmaceutico. Una migliore rilevazione artificiale dell’odore potrebbe essere usata anche per rilevare impurità o fattori inquinanti.
“Diversamente dalla vista, l’udito o il tatto, il senso dell’olfatto è difficile da riprodurre artificialmente in modo efficace” dichiara Omar.
Il progetto PAPETS, avviato a settembre del 2014 e che si concluderà ad agosto del 2016, ha ottenuto dall’Unione Europea un finanziamento di 1,8 milioni di euro.