La fotosintesi nei cianobatteri dal punto di vista della meccanica quantistica

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In linea generale possiamo definire la fotosintesi come un processo semplice, le piante, le alghe verdi ed alcuni tipi di batteri ricevono la luce solare e l’anidride carbonica e li trasformano in energia.

I cianobatteri

I cianobatteri, appartenenti al Dominio dei Prokaryota, al Regno dei Bacteria ed al Phylum dei Cyanobacteria chiamati un tempo, in modo decisamente inappropriato, alghe azzurre, sono un phylum di batteri fotosintetici. Sono organismi unicellulari procarioti definibili fotoautotrofi, ossia in grado di sintetizzare le proprie molecole organiche a partire da sostanze inorganiche e servendosi di energia non derivante da sostanze organiche assimilate. Da un punto di vista tassonomico costituiscono uno dei 23 phyla del regno dei Bacteria.

coltura di cianobatteri
Figura 1 – Coltura di cianobatteri

In modo analogo a quanto avviene nelle alghe, nei muschi, nelle felci e nelle piante a seme, la fotosintesi ha luogo nella membrana tilacoidea, ossia un complesso sistema di sacculi delimitati da una membrana immersi nel liquido stromatico all’interno del cloroplasto. La principale differenza nella fotosintesi tra cianobatteri ed organismi vegetali “superiori” si può ritrovare nel range di assorbimento luminoso. I cianobatteri non si servono solo di quella parte dello spettro visibile che di norma utilizzano le piante verdi, infatti, oltre alle clorofille tradizionali possiedono altri pigmenti colorati tra cui: ficobiline, ficocianina, ficoeritrina, alloficocianina, etc. Evolutivamente parlando si ritiene che i cianobatteri siano stati i primi organismi che hanno prodotto l’ossigeno atmosferico come scarto della fotosintesi ossigenica.  

trasporto elettronico nelle molecole del tilacoide
Figura 2 – trasporto elettronico nelle molecole del tilacoide

La scoperta

Qualcosa oltre ai vari meccanismi molecolari classici della fotosintesi ha lasciato però i biologi sconcertati nel corso degli anni, ossia la velocità dell’intero processo fotosintetico. Un quanto di energia (un fotone) dopo un viaggio di miliardi di chilometri nello spazio, si scontra contro un elettrone contenuto in un piccolo batterio fotosintetico che sta galleggiano in modo cosmopolita nelle acque terresti, oppure in una foglia di un albero mossa dal vento. Questo elettrone, colpito dal fotone (quanto di luce), inizia a rimbalzare tra i complessi antenna nel fotosistema e si fa strada attraverso una piccola parte delle cellule che compongono la foglia e rilascia la sua energia in eccesso alle molecole in grado di riceverla agendo così da carburante chimico per alimentare l’organismo batterio-vegetale.

Secondo la fisica classica, l’elettrone eccitato dovrebbe impiegare un tempo finito per trasportare la sua energia al meccanismo fotosintetico prima di emergere dall’altro lato del fotosistema, tuttavia il nostro elettrone compie il suo percorso troppo velocemente rispetto a quanto stimato attraverso i calcoli. Oltre a questo, la particella imputata perde pochissima energia in tutto il processo. Il rilascio di calore possiamo definirlo trascurabile.

L’esperimento

Secondo Gregory Scholes dell’università di Toronto, tramite esperimenti condotti servendosi di laser monocromatici su alghe verdi e su cianobatteri, si instaura un fenomeno di coerenza quantistica e di sovrapposizione degli stati durante il processo fotosintetico. Molecole che si trovano vicine partecipano ad uno stato oscillatorio coerente che nel mondo della meccanica quantistica prende il nome di “entangled”.

La particella, o meglio l’elettrone, non deve percorrere una traiettoria per volta all’interno del fotosistema, ma trovandosi in una condizione di sovrapposizione di stati può percorrerne diverse simultaneamente.

Questo fenomeno spiega la rapidità e l’efficienza dell’intero processo in quanto l’eccitazione riguarda fin da subito due o più molecole dei pigmenti antenna, che dal punto di vista quantistico rappresentano un sistema unico, anche se fisicamente separato.

Sovrapposizione di stati

Quando parliamo di sovrapposizione di stati intendiamo riferirci al primo principio della meccanica quantistica che afferma che proprio come avviene per le onde della fisica classica, due o più stati quantistici (rappresentazioni matematiche di un sistema fisico) possono essere sommati fornendo un nuovo stato quantistico.

Quindi il fotone catturato da una molecola di clorofilla eccita un elettrone che viene trasportato al centro reattivo dove permette la formazione di energia chimica ed intermedi ridotti. Nel tragitto non segue una strada sola, segue più strade nello stesso momento in modo da arrivare al centro reattivo nel modo più efficiente possibile, senza disperdere calore.

Tutto questo ci permette di comprendere che la coerenza quantistica o entanglement è alla base della capacità del processo fotosintetico di trasformare circa il 99% dell’energia solare in energia chimica. Un’efficienza di questo tipo è, ad oggi, irraggiungibile da qualunque cella fotovoltaica.

Il caso dei batteri verdi sulfurei

Se volessimo per un attimo spostare la nostra attenzione sui batteri verdi sulfurei come, ad esempio, quelli appartenenti al genere Chlorobium, il quale vive nelle profondità marine fino a 2000 metri negli abissi in condizioni di scarsa luminosità, potremmo osservare che la quantità di luce solare che possono sfruttare è talmente limitata da essere trasformata quasi al cento per cento in nutrimento utile.

Grazie agli avanzamenti tecnologici nella tecnica di microscopia non-lineare ultrarapida hanno permesso di comprendere che il trasporto di energia nelle PPC (pigment protein complex) è molto più attivo di quanto mai ipotizzato prima.

chlorobium
Figura 3 – Chlorobium visto attraverso tecnica TEM

Le frequenze delle vibrazioni rotazionali nelle PPC entrano in risonanza con le onde di eccitoni, senza disturbarle: quindi le vibrazioni possono passare dagli eccitoni (particelle eccitate) alle strutture proteiche e viceversa, con uno scambio continuo in equilibrio che permette di mantenere la coerenza.

Considerazioni

Scholes ha dichiarato “in un certo senso è come se le alghe ed i batteri sapessero qualcosa di meccanica quantistica due miliardi di anni prima dell’uomo”.

Quanto fenomeni di tipo quantistico sono stati fondamentali per lo sviluppo della vita sulla Terra? Quanti ancora non ne conosciamo? Fenomeni di questo tipo potremmo ritrovarli anche altrove nel nostro cosmo? Fino a pochi anni fa non si pensava che fenomeni di questo tipo fossero possibili all’interno di organismi viventi. La teoria più in voga affermava che i sistemi viventi si basassero unicamente su meccanismi biochimici insensibili a proprietà quantistiche come la coerenza. Queste proprietà, infatti, decadono rapidamente per interazioni con l’ambiente circostante. Questi studi, e la fotosintesi in particolare, per ora smentiscono la teoria più gettonata dando una nuova luce a tutti quei fenomeni estremamente microscopici che accadono in organismi già di per sé microscopici.

Bibliografia

Immagini

Fig. 1 – https://it.wikipedia.org/wiki/Cyanobacteria#/media/File:Blue-green_algae_cultured_in_specific_media.jpg

Fig. 2 – Nature.com

Fig. 3 – Batterio del genere Chlorobium, che vive nelle profondità marine, in condizione di luce molto scarsa (© Dr. Terry Beveridge/Visuals Unlimited/Corbis)

Immagine in evidenza – https://physicsworld.com/a/is-photosynthesis-quantum-ish/

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