Svelare il mistero delle piante

La clorofilla è la molecola chiave. Grazie al pigmento verde, le piante sono in grado di convertire la luce solare direttamente in energia chimica. Il modo in cui la molecola ATP, il mattone centrale della fornitura di energia nelle piante, viene prodotta nelle cellule vegetali con l'aiuto della luce, si trova oggi in qualsiasi buon testo di biologia. Eppure questo processo è ancora un mistero per la scienza. Soprattutto l'elevata efficienza con cui le piante convertono la luce solare è fonte di stupore per i ricercatori.

Mondi opposti

Diversi esperimenti condotti negli ultimi anni indicano che gli effetti fisici quantistici svolgono un ruolo importante nella conversione dell'energia. Grazie a questi effetti, l'energia catturata dalle molecole di clorofilla può essere trasferita dove si forma l'ATP senza grandi perdite. "Abbiamo una situazione paradossale", spiega Anton Potočnik, postdoc nel gruppo di Andreas Wallraff presso il Quantum Device Lab del Dipartimento di fisica. "Da un lato, gli effetti fisici quantistici caratterizzano il processo, mentre dall'altro la fotosintesi avviene in un ambiente acquoso e caldo in cui si applicano le regole della fisica classica".

Tuttavia, è proprio questa apparente contraddizione che potrebbe contenere la chiave: Diversi modelli teorici sostengono l'ipotesi che sia proprio l'interazione tra questi due mondi a spiegare l'elevata efficienza della fotosintesi. Tuttavia, non è ancora stato possibile verificare sperimentalmente se questo sia effettivamente il caso.

Un modello a tre qubit

È proprio questa lacuna che Potočnik ha ora colmato insieme ad Arno Bargerbos e ai suoi colleghi di ricerca. Come riporta l'autore nell'attuale numero della rivista pagina esternaComunicazioni su Nature riferisce che, insieme a scienziati dell'Università di Cambridge e dell'Università di Princeton, ha sviluppato un set-up sperimentale che può essere utilizzato per verificare sperimentalmente i vari modelli teorici.

Si tratta di un sistema quantistico semplice e completamente controllato che modella una struttura di base presente nelle cellule vegetali. Al centro ci sono tre bit quantistici superconduttori (qubit), accoppiati tra loro in misura variabile. Essi rappresentano le molecole di clorofilla, che assorbono l'energia luminosa e la trasmettono al complesso enzimatico che forma l'ATP.

"Il nostro setup sperimentale fornisce intuizioni precise su come la luce viene convertita in energia chimica, poiché possiamo influenzare in modo specifico i vari parametri", spiega Potočnik. "Questa comprensione è importante perché potrebbe aiutare a garantire che la luce venga convertita in elettricità nelle celle fotovoltaiche in modo più efficiente rispetto al passato".

Tutto dipende dalla vibrazione

Gli esperimenti di Potočnik confermano l'ipotesi che le oscillazioni naturali delle molecole di clorofilla svolgano un ruolo centrale nel trasferimento di energia. A seconda della velocità con cui le molecole si muovono, l'energia viene trasportata in modo più o meno efficiente.

Con i tre qubit accoppiati, gli scienziati hanno sviluppato un sistema che riproduce solo in modo rudimentale le condizioni reali delle cellule vegetali. "Ora che siamo riusciti a dimostrare in linea di principio che il nostro sistema riproduce realisticamente i processi, abbiamo in programma di costruire sistemi più complessi con un maggior numero di qubit nella fase successiva, per svelare finalmente il mistero della fotosintesi", spiega Potočnik.

La fisica quantistica nella vita quotidiana

L'approccio sperimentale dei ricercatori potrebbe fornire nuove conoscenze anche in altri settori. Ad esempio, gli scienziati sospettano che il nostro olfatto si basi anche su una combinazione di fisica quantistica e classica. Infatti, la fisica classica da sola non può spiegare perché siamo in grado di distinguere così tanti odori. "Ora si potrebbe verificare sperimentalmente se questo è il caso con un modello come il nostro", afferma Potočnik.