Benvenuti in un nuovo e stranissimo mondo della natura.
Che e' controllato dalle bizzarre particelle subatomiche
della fisica quantistica.
Da fisico, durante la mia carriera lavorativa, ho studiato
come si comportano queste particelle in laboratorio.
Ma ora sono diretto verso il mondo naturale.
Sono in missione per dimostrare che la fisica quantistica
puo' risolvere i grandi misteri della biologia.
E' una vera avventura per me.
Sono molto lontano dal mio ambiente.
Cerchero' di applicare le idee precise
con cui sono familiare in un laboratorio di fisica
al mondo caotico degli esseri viventi.
Credo che la meccanica quantistica contenga molti dei segreti della vita.
Nel profondo delle cellule animali,
le particelle si muovono attraverso le pareti, come fantasmi.
Quando le piante catturano la luce solare,
le loro cellule vengono invase da tremolanti onde
che possono essere ovunque allo stesso tempo.
Anche i nostri sensi umani
sono sintonizzati con strane vibrazioni quantistiche.
nel fantastico mondo della biologia quantistica,
la vita e' un gioco di probabilita'
giocato secondo regole quantistiche.
Spero di riuscire a convincervi
che la meccanica quantistica e' essenziale per spiegare
molti dei processi importanti della vita e che, potenzialmente,
potrebbe essere alla base dell'esistenza stessa della vita.
:=:== Sottotitoli di SRT project ==:=:
'I segreti della meccanica quantistica E sia la vita'
Traduzione: Blackcherry [SRT project]
Venite a tradurre con noi! www.phoenix.forumgalaxy.com
La mia ricerca inizia con uno degli spettacoli piu' maestosi della natura:
la migrazione.
Ogni inverno, oche facciabianca arrivano puntuali
sullo stesso fiume scozzese.
La fine di un epico viaggio di 3000 km da Svalbard,
nel circolo polare artico.
Naturalmente, molti uccelli migrano a sud per l'inverno
e tornano a casa per l'estate.
Ma come fanno gli uccelli a navigare con tanta precisione
e' stato per decenni uno dei piu' grandi misteri della biologia.
Per questo le recenti scoperte hanno generato scalpore.
Negli ultimi anni,
una specie di uccelli ha contribuito a una rivoluzione scientifica.
Io sono uno dei numerosi fisici che e' rimasto scioccato dalla scoperta
che questi uccelli navigano usando uno dei trucchetti piu' bizzarri
della scienza.
Sfruttano una peculiarita' della meccanica quantistica
che ha sconcertato persino i piu' grandi fisici,
da Richard Feynman allo stesso Albert Einstein.
Potreste rimanere sorpresi nello scoprire l'identita'
di questa creatura misteriosa.
Salutate il pettirosso quantistico.
Il pettirosso quantistico
Questo e' il pettirosso europeo.
Ogni anno migra dal Nord Europa
alla punta della Spagna e poi torna indietro.
In questo laboratorio tra i boschi,
il biologo Henrik Mouritsen sta cercando di risolvere il mistero
di come riesca a farlo.
Ma si e' ritrovato nel mio mondo,
lo strano mondo della meccanica quantistica.
La meccanica quantistica descrive lo strano comportamento
delle particelle subatomiche.
In questo reame del molto piccolo,
dobbiamo abbandonare la logica comune e l'intuizione.
In questo mondo gli oggetti possono distribuirsi come onde.
Le particelle quantistiche si trovano in molti posti contemporaneamente
e comunicano misteriosamente l'una con l'altra.
Volevo comprendere come fanno gli uccelli a trovare la strada,
ed e' venuto fuori che le osservazioni
puntavano sempre di piu' a questa come l'unica spiegazione
che potesse mettere d'accordo tutti i dati.
Henrik indaga su una vecchia teoria
secondo cui i pettirossi viaggiano seguendo il campo magnetico terrestre.
Il suo laboratorio consiste di un'ingegnosa gabbia magnetica.
Questi coni di plastica rivestiti di carta sensibile ai graffi
rappresentano la chiave delle misure.
Il campo magnetico artificiale di Henrik e' simile a quello terrestre,
ma puo' essere allineato in qualsiasi direzione.
All'interno dei coni, i pettirossi rispondono sempre al campo,
lasciando dei graffi in una sola direzione.
Il grande mistero e': come?
Il campo magnetico terrestre e' incredibilmente debole,
troppo debole per essere percepito da qualunque creatura.
Ma Henrik ha trovato un indizio interessante
mettendo una maschera ai pettirossi quantistici.
Abbiamo un cappuccio in pelle, simile a quello che si mette ai falchi,
ma per un pettirosso, che ha un foro davanti a un solo occhio.
Cio' che abbiamo osservato e' che se gli copriamo l'occhio destro,
disattiviamo il processo di orientamento magnetico
che avviene nella parte sinistra del loro cervello, e viceversa.
La bussola magnetica del pettirosso sembrerebbe trovarsi nei suoi occhi.
Posso mostrarvi cosa succede usando i miei occhi.
Noi usiamo gli occhi per vedere,
ma abbiamo anche un secondo meccanismo di percezione della luce.
Se punto questa torcia al mio occhio,
potete vedere che la mia pupilla si restringe.
E' un meccanismo di difesa per proteggere l'occhio.
Il mio occhio sta rispondendo alle particelle di luce, i fotoni.
L'energia trasportata dai fotoni
e' sufficiente ad attivare reazioni chimiche.
Dopotutto, e' cio' che controlla i miei muscoli oculari.
La luce deve causare delle reazioni chimiche simili
negli occhi del pettirosso.
Infatti, e' la sorgente di energia di uno speciale tipo di bussola...
che si trova nelle sue cellule...
nello strano mondo delle particelle subatomiche,
un mondo dove solo la fisica quantistica
puo' spiegare gli eventi.
Per capire meglio, immaginate che le reazioni nell'occhio del pettirosso
avvengano in montagne e valli di energia.
Per avviare una reazione,
dobbiamo spingere le molecole sulla cima di una montagna.
Grazie agli esperimenti di Henrik,
sappiamo che la luce fa la maggior parte del lavoro.
Ma quando raggiungiamo la sommita',
la molecola diventa estremamente sensibile alla spinta piu' leggera.
Il punto e' che adesso la bussola chimica del pettirosso
si trova in equilibrio su un picco di energia tra due valli.
Scendendo da un lato produce una serie di prodotti chimici,
scendendo dall'altro lato, ne produce altri.
A quanto punto, anche una variazione minuscola del campo magnetico terrestre
puo' spingere giu' la molecola.
Il modo in cui cio' avviene va contro la logica comune.
L'ultimo pezzo del puzzle
dipende da un delle idee piu' pazzesche della fisica.
Non preoccupatevi se la troverete difficile da capire,
anche Albert Einstein la definiva 'terrificante'.
Quest'idea e' chiamata 'entanglement quantistico'.
Descrive particelle che sembrano comunicare
piu' veloci della luce.
Nel 1935 Einstein pubblico' un famoso articolo
in cui affermava che fosse impossibile.
Ma Einstein aveva torto.
Negli ultimi anni, degli esperimenti estremamente delicati hanno mostrato
che le particelle subatomiche sono davvero correlate.
Significa che possono influenzarsi a vicenda
segretamente e istantaneamente attraverso lo spazio.
E ora sembra che la stessa cosa accade nell'occhio del pettirosso.
Quando un fotone entra nell'occhio del pettirosso,
crea cio' che viene chiamata una 'coppia di elettroni correlati'.
Funziona cosi': ogni elettrone ha due stati possibili.
Per semplicita', io li chiamero' 'rosso' e 'verde'.
La cosa e' strana e' che finche' non misuro,
l'elettrone non e' ne' l'uno ne' l'altro,
ma entrambi allo stesso tempo.
Immaginate gli elettroni come dischi che ruotano.
Sono simultaneamente rossi e verdi.
Lanciando una freccetta
posso costringere il primo elettrone a scegliere uno dei due stati.
Finora e' solo un gioco di probabilita'.
Non conosco il risultato finche' non ci provo.
Ora so che il mio primo elettrone e' rosso.
Supponiamo che misuro anche il secondo elettrone.
Penserete che ho il 50 percento di probabilita' di ottenere rosso o verde.
Questo e' cio' che vi aspettereste nel mondo normale, quello quotidiano.
Ma vi sbagliate.
Nell'entanglement quantistico,
gli elettroni sono misteriosamente connessi.
Per esempio, se ottengo rosso per il primo,
ottengo sempre rosso per il secondo.
Non e' piu' un gioco di probabilita'.
E' come se il primo elettrone dicesse al secondo cosa fare.
Ecco perche' Einstein lo definiva terrificante.
Sembra che gli elettroni sappiano che devono avere lo stesso colore,
indipendentemente da quanto sono lontani.
La parte davvero importante
e' che i due elettroni non devono necessariamente avere lo stesso colore.
Possono essere correlati in maniera diversa:
se il primo elettrone e' rosso,
il secondo e' sempre verde.
Pare che questa connessione misteriosa sia il segreto definitivo
della bussola del pettirosso quantistico,
poiche' la direzione del campo magnetico terrestre
puo' influenzare il risultato finale.
Vicino l'equatore e' piu' probabile che gli elettroni siano rosso-rosso,
ma vicino ai Poli, e' piu' probabile che siano rosso-verde.
Questo e' l'elemento essenziale che perturba l'equilibrio
della bussola chimica del pettirosso.
Minuscole variazioni del campo magnetico terrestre
cambiano il modo in cui sono correlati gli elettroni
nell'occhio del pettirosso.
E' quanto basta per attivare la sua bussola.
Ora vedremo come qualcosa debole come
il campo magnetico terrestre
puo' perturbare l'equilibrio, spingendo la reazione in un verso o nell'altro.
Se il messaggio cambia,
la reazione chimica sceglie una strada diversa
modificando la lettura della bussola del pettirosso.
Sorprendentemente pare che negli uccelli
l'orientamento si basi su un fenomeno quantistico.
Sarebbe uno dei primi,
se non il primo, nel campo della biologia.
I biologi farebbero meglio ad abituarsi alle stranezze della fisica.
Il pettirosso migra
usando il terrificante entanglement quantistico.
L'osservazione di piccoli effetti quantistici e' molto difficile,
anche nell'ambiente austero e controllato di un laboratorio di fisica.
E invece il pettirosso ci riesce facilmente.
Questi esperimenti sono reali e verificabili,
e nonostante possa vederli con i miei occhi,
faccio ancora fatica a crederci.
La migrazione degli uccelli ha unito la fisica e la natura
nella scienza della biologia quantistica.
C'e' tutto un nuovo mondo da esplorare.
Ma i suoi pionieri hanno scoperto che non riguarda solo gli uccelli.
Riguarda ognuno di noi.
Perche' gli ultimi esperimenti ci dicono
che state facendo della meccanica quantistica in questo istante.
Credeteci o no, ma lo state facendo con il vostro naso.
Il naso quantistico
Ciao, Jem!
Ciao.
Ciao, piccolina.
Ciao.
Il nostro senso olfattivo e' straordinario
ed e' molto diverso dagli altri sensi della vista e dell'udito.
Tra i migliaia di odori che possiamo riconoscere,
molti di loro riescono a suscitare potenti ricordi ed emozioni.
E' come se il nostro olfatto fosse direttamente connesso
alla nostra coscienza interiore.
C'e' anche un'altra differenza.
La vista e l'udito si basano sulla ricezione di onde,
la luce e il suono,
ma l'olfatto si basa sulla ricezione di particelle,
le molecole chimiche.
Di recente gli scienziati hanno iniziato a capire
che quando annusiamo,
accade qualcosa di molto misterioso.
Per decenni i biologi hanno creduto di sapere esattamente
come fanno i nostri nasi a individuare diverse sostanze chimiche.
Ma fisici come Jenny Brookes
hanno pensato che potesse esserci un nuovo elemento.
Qualcosa che odora di meccanica quantistica.
Molte persone parlano dell'olfatto e della scienza dell'olfatto
come un problema che e' stato risolto e di cui sappiamo tutto.
Sappiamo molte cose sull'olfatto. Sappiamo quali sono gli ingredienti
e quali sono gli strumenti che usiamo per annusare.
Ma direi che c'e' ancora qualcosina da capire.
Per capire meglio,
ho bisogno di un aiuto per un test di olfatto.
Lo scovera' Jem.
Ogni essere umano emana un cocktail di sostanze chimiche.
Il naso di Jem riesce a fiutarne anche un singolo grammo
dissolto in una citta' intera.
Percio' non avra' problemi a trovare l'uomo che cerco.
Ecco a voi Colin il giardiniere,
un uomo che e' abituato ad annusare fiori.
Va bene, Colin, ora mettero' alla prova le tue abilita' olfattive.
- Fantastico. - Ho una serie di sostanze chimiche
e voglio che tu mi dica cosa ti sembrano.
D'accordo.
Iniziamo con una facile.
Oh, questo e'...
Sembra menta...
Giardino botanico di Logan
Sembra Vicks alla menta.
- Si', e' quello. E'... - Una di quelle creme che...
- e' mentolo. - Mentolo, si'.
Si', ma e' l'essenza.
Va bene, ecco la prossima.
Dovresti riuscire a riconoscerla.
C'e' quando impasto qualcosa con le mie figlie.
Zucchero a velo, tipo.
- Vanilla. - Vanilla, si'.
Quando il nostro naso percepisce una sostanza,
invia un segnale nervoso al nostro cervello.
Sostanze diverse creano sensazioni diverse.
La spiegazione classica
ha a che fare con la forma delle molecole.
La teoria classica, che risale agli anni '50,
dice che la molecola degli odoranti ha una forma particolare
che gli permette di adattarsi bene
nella molecola dei recettori nel nostro naso.
Se ha la forma giusta e' come inserire la mano in un guanto
o la chiave in una serratura, infatti e' chiamato
'meccanismo chiave-serratura'.
Se ha la forma sbagliata, non si adatta al recettore.
Ma se ha la forma giusta, si adatta al recettore
innescando quella sensazione olfattiva unica.
Recettori diversi sono connessi a parti diverse del nostro cervello.
Quando una molecola di mentolo entra in un recettore specifico,
scatena quella sensazione di menta.
Ma la teoria chiave-serratura ha sempre avuto un problema,
e il prossimo test di Colin vi mostrera' il motivo.
Va bene, che mi dici...
di questo?
Un odore piuttosto forte.
Oh, questo e'...
Si'...
Cosa ti ricorda? Cosa ti fa mentire in mente?
Quali ricordi?
Penso a Natale.
Torte di Natale.
- Si', marzapane. - Marz... marz... Si'!
- Si', e' proprio lui. Gia'. - Mandorle.
Colin ha identificato l'odore di marzapane
o di mandorle.
E' dovuto all'odorante chiamato 'benzaldeide'.
Quello che non gli ho dato da annusare e' quest'altra sostanza:
il cianuro.
Il benzaldeide e il cianuro hanno lo stesso odore,
quello di mandorla,
ma queste molecole hanno forme completamente diverse.
Percio' il meccanismo chiave-serratura
non puo' essere la spiegazione completa al nostro olfatto.
Perche' due molecole con forme diverse
hanno lo stesso odore?
La biologia quantistica ha una spiegazione pazzesca.
Dice che il nostro naso non annusa le molecole delle sostanze,
le ascolta.
Cio' che conta non e' solo la forma dell'odorante.
Osserviamo meglio questo modellino della molecola di cianuro.
La pallina bianca e' un atomo di idrogeno
e il bastoncino grigio e' il legame che lo tiene unito
al carbonio e all'azoto.
Ma la realta' non e' cosi' semplice.
Posso mostrarvi meglio cosa succede
se prendiamo queste grandi sfere bianche.
Vedete, gli atomi non stanno semplicemente fermi.
I legami che li tengono uniti
sono come delle corde vibranti,
e questo ci permette di pensare all'olfatto
con una prospettiva completamente nuova.
La nuova bizzarra teoria quantistica dell'olfatto
e' tutta una questione di legami vibranti.
Le molecole delle sostanze chimiche suonano musica per i nostri nasi.
Immaginate che un recettore nel mio naso
sia la mia chitarra.
Prima che possa suonare,
un odorante deve entrare nel mio naso.
Quando si posiziona nel recettore,
i suoi legami chimici
forniscono le corde,
che sono pronte per essere suonate.
I recettori contengono particelle quantistiche:
gli elettroni.
Quando saltano da un atomo all'altro,
fanno vibrare i legami degli odoranti,
come fanno le mie dita con le corde di una chitarra.
Cio' che e' straordinario in questa teoria
e' che ci dice che il nostro senso dell'olfatto
dipende dalla vibrazione delle molecole,
ovvero dal loro comportamento ondulatorio,
e non molto dalla particolare forma dell'odorante.
Il nostro senso dell'olfatto
potrebbe assomigliare piu' al senso dell'udito.
Una particolare molecola, diciamo di erba,
vibra ad una certa frequenza.
Una molecole diversa, diciamo menta,
vibra a un'altra frequenza.
Questo spiegherebbe perche' il cianuro odora come le mandorle.
Le due molecole hanno forme diverse,
ma i loro legami chimici vibrano
alla stessa frequenza.
La vibrazione costante nell'odorante e'...
quasi letteralmente una particella di suono.
Quindi, si', stiamo dicendo che l'olfatto
potrebbe essere esattamente un evento di risonanza acustica.
Potrebbe essere molto simile a...
all'udito e alla vista.
E' davvero possibile che ascoltiamo con il naso?
Una teoria bizzarra ha bisogno di un esperimento bizzarro
per essere provata.
Ecco come funziona.
Questa molecola ha un aroma muschiato,
come il profumo.
Se la teoria e' corretta,
dovrei poter cambiare il suo odore
modificando le vibrazioni.
La molecola muschiata
contiene moltissimi atomi di idrogeno come questo,
legati ad atomi di carbonio.
E se sostituissi tutti questi atomi di idrogeno
con una forma diversa di idrogeno chiamata deuterio?
Cio' non cambiera' la forma della molecola,
ma cambiera' il modo in cui vibra.
Ecco perche': il deuterio pesa il doppio
del normale idrogeno,
quindi vibra piu' lentamente.
Avere vibrazioni diverse significa avere un odore diverso,
quindi se creassi una nuova forma di questa sostanza,
piena di atomi di deuterio invece del normale idrogeno,
l'odore dovrebbe essere diverso.
I biologi quantistici hanno trovato un modo unico
di effettuare questi esperimenti.
Un confronto di odori,
utilizzando il naso piu' sensibile che sono riusciti a trovare.
I moscerini della frutta.
Innanzitutto, i moscerini sono stati addestrati a evitare
le versioni modificate della molecola muschiata.
Ad essere sincero, non ho idea
di come si addestri un moscerino della frutta,
ma a quanto pare e' possibile.
Nel laboratorio, i moscerini dovevano attraversare una specie di labirinto.
Poi gli veniva data una scelta:
andare a destra, verso il bell'odore muschiato,
o a sinistra, verso la cattiva versione modificata.
Riuscivano decisamente ad annusare la differenza.
Preferivano sempre l'originale
e giravano a destra.
L'esperimento dei moscerini fornisce prove molto forti
che la teoria quantistica dell'olfatto funziona davvero.
Ma, in definitiva, lavora in armonia
con la teoria chiave-serratura.
Prima, l'odorante si adatta al recettore,
poi subentrano le vibrazioni molecolari.
Per quanto incredibile,
moscerini, esseri umani e cani
potrebbero annusare il suono della biologia quantistica.
Il nostro senso olfattivo e' affascinante e misterioso,
ma e' ancora piu' eccezionale che la capacita' di un odore particolare
di dare via a tutta un'onda di ricordi ed emozioni nella mia mente
sia supportata e suscitata dalla meccanica quantistica.
La misteriosa influenza della fisica quantistica
raggiunge ogni angolo del mondo naturale.
Infatti, risiede tra le pareti
di ogni cellula vivente sulla Terra.
Gli ultimi esperimenti suggeriscono una soluzione magica
a uno dei piu' grandi misteri della natura.
Il miracolo della metamorfosi.
La rana quantistica
La trasformazione di un girino in una rana
non e' mai stata pienamente spiegata.
In poco meno di 6 settimane il girino si scompone
e si ricompone nella sua forma adulta.
Il grande mistero e' come possa avvenire cosi' velocemente.
Se ci pensate, non c'e' niente di piu' straordinario
di un girino che si trasforma in una rana.
Prendete la sua coda, ad esempio.
In un periodo di diverse settimane, viene riassorbita dal corpo,
e le proteine e le fibre che compongono la carne
vengono riciclate per formare gli arti della rana.
Ma perche' cio' accada, bilioni e bilioni
di reazioni chimiche lavorano insieme,
rompendo molecole e formandone di nuove,
tutto secondo una danza orchestrata.
Le fibre che tengono insieme la carne sono molto, molto forti.
Sono un po' come queste corde che tengono insieme la mia zattera.
Per smantellare la zattera, dovrei sciogliere
questi strettissimi nodi.
Sotto questa prospettiva,
un girino e' tenuto insieme da lunghi fasci di proteine
tenuti insieme da legami chimici.
I legami sono cosi' forti da poter durare per anni,
piu' a lungo del ciclo vitale del girino.
Quindi come fa a trasformarsi in una rana in sole poche settimane?
La spiegazione contiene una delle molecole piu' importanti per la vita:
piccoli aggeggi nelle nostre cellule chiamati 'enzimi'.
Gli enzimi sono i veri e propri ingranaggi della cellula.
Sono delle piccole macchine che nelle nostre cellule
producono le trasformazioni chimiche che avvengono tutti giorni.
Sono assolutamente fondamentali.
Il motivo e' perche' sono capaci
di accelerare fortemente le reazioni chimiche.
Permettetemi di mostrarvi quanto velocemente agiscono gli enzimi.
In questa bottiglia c'e' una sostanza chiamata 'perossido di idrogeno'.
Conosciuta come 'acqua ossigenata', si usa per schiarire i capelli.
Infatti, ho preso questo campione dal mio parrucchiere.
Il perossido di idrogeno viene prodotto anche dal corpo,
ed e' compito del fegato di sbarazzarsene.
Lo fa usando un enzima,
che scompone il perossido di idrogeno in acqua e ossigeno.
Per mostrarvi quanto lavora veloce questo enzima,
faro' una piccola dimostrazione.
Qui ho del fegato, che ho tagliuzzato
in modo da liberare l'enzima.
Guardate che cosa succede quando aggiungo questa miscela di fegato,
che contene l'enzima, al perossido di idrogeno.
Osservate come velocemente viene liberato l'ossigeno.
Un solo etto di fegato
e' riuscito a far volare la mia bottiglia per 6 metri.
Gli enzimi del fegato scompongono il perossido di idrogeno
molto efficientemente.
Il processo avviene mille miliardi di volte
piu' velocemente che con altri metodi.
Nella metamorfosi, sono gli enzimi che demoliscono la coda del girino.
Cio' significa scomporre una proteina molto resistente
chiamata 'collagene'.
Il collagene e' una delle proteine piu' importanti nel mondo biologico.
E' la proteina che conferisce quella resilienza e quella elasticita'
ai tendini, alla cartilagine
e naturalmente anche alla nostra pelle.
Nella coda del girino fornisce una specie di impacaltura
che ne supporta la struttura.
Quando il girino si trasforma in una rana,
bisogna essenzialmente avere un enzima,
il collagenasi, che taglia letteralmente il collagene
in pezzettini, buttando giu' tutta l'impalcatura.
Ma come fanno gli enzimi a rompere legami chimici cosi' velocemente?
Vi mostrero' che e' un'enigma che solo la biologia quantistica puo' risolvere.
Pensatela cosi': tutti gli avvolgimenti che costituiscono il nodo
sono le particelle subatomiche, gli elettroni, i protoni,
che tengono insieme i vari costituenti della molecola.
Per sciogliere il nodo,
gli enzimi devono spostare i protoni,
ma, come potete vedere, e' un lavoro che richiede un certo sforzo
e molto tempo, se ci sono molti nodi da disfare.
I fisici hanno un modo fantasioso di dire
'mettici dell'impegno per farlo'.
Dicono che bisogna superare una barriera di energia.
Ok, qui c'e' la mia barriera di energia
e il mio protone.
Per rompere un legame, il protone ha bisogno di abbastanza energia
per superare la barriera.
Il fatto e' che facendo i conti troviamo che il tempo che ci vorrebbe
per scomporre la coda del girino e' molto piu' lungo.
E' a questo punto che il protone si trasforma in un fantasma.
Non vi biasimerei se pensaste che questa e' l'idea
proposta da un brillante teorico,
che e' pura speculazione, e' qualcosa di cui non abbiamo prove.
E invece ce le abbiamo. Accade di continuo.
Nel mondo quantistico, i protoni non devono scavalcare barriere.
Possono...
attraversarle.
L'effetto tunnel e' al centro di tutta la stranezza della fisica quantistica.
Non somiglia a niente di quello che vediamo nel mondo di tutti i giorni.
Una particella quantistica puo' andare da un punto all'altro
anche se deve attraversare un'impenetrabile barriera.
Non sono oggetti solidi come palline, come nel mondo di tutti i giorni.
Hanno un ambiguo comportamento ondulatorio
che gli permettere di infiltrarsi attraverso una barriera di energia.
Una particella puo' sparire da un lato della barriera
e riapparire istantaneamente dall'altro.
Nel campo della fisica nucleare, questo e' un fatto dimostrato.
Senza l'effetto tunnel quantistico il sole non splenderebbe.
Ma non avrei mai immaginato di vederlo...
in un girino.
E' difficile sottolineare quanto sia bizzarro questo processo.
E' come se mi avvicinassi a un solido muro di mattoni e,
come uno spettro, sparissi da un lato per riapparire dall'altro.
Il vantaggio piu' importante dell'effetto tunnel e' la velocita'.
E' incredibilmente veloce,
piu' veloce che se i protoni dovessero superare la barriera.
Da fisico nucleare, il tunnel quantistico e' il mio pane quotidiano.
Le particelle subatomiche come i protoni lo fanno di continuo.
Ma cosa ha a che fare tutto questo con la biologia?
La risposta e' che senza spettri quantistici,
la metamorfosi di un girino sarebbe impossibile.
Ricordate: i legami chimici sono essenzialmente come dei nodi.
L'effetto tunnel li scioglie velocemente.
Guardate questi due nodi.
In superficie sembrano identici,
ma c'e' una sottile differenza.
Questo nodo ha le estremita' corte
sullo stesso lato,
mentre quest'altro ce le ha su lati opposti.
Potreste pensare che non faccia differenza,
ma non e' cosi'.
Vedete, questo nodo...
e' molto difficile da spezzare,
mentre per quest'altro...
e' semplice.
Il tunnel quantistico
trasforma nodi forti in nodi deboli.
Quindi, in un girino
l'intera impalcatura di collagene si rompe facilmente.
Infine, altri enzimi lo rimodellano in una rana.
Il tunnel quantistico delle particelle e' una delle strane proprieta'
del mondo subatomico
che un fisico come me conosce molto bene.
Dopotutto, e' responsabile del decadimento radioattivo
e avviene all'interno del sole.
E' il motivo per cui il sole e tutte le stelle brillano.
Ma scoprire che avviene all'interno delle cellule
di ogni organismo vivente sul pianeta, poiche' ogni cellula contiene enzimi,
per me e' davvero straordinario.
La biologia quantistica getta il suo incantesimo su ogni creatura vivente.
Abbiamo visto che uccelli, mammiferi, insetti e anfibi
sono governati dalle leggi scientifiche piu' assurde.
Ma la svolta recente piu' sensazionale
riguarda i singoli processi vitali
da cui dipendono tutte queste forme di vita.
La conversione di aria e luce
nelle piante.
L'albero quantistico
Questo elegante esemplare e' un Larix decidua, o larice europeo.
E' alto circa 30 metri e in questo preciso istante,
sta passando accanto al pianeta Venere
un proiettile con inciso il nome di questo albero.
Il proiettile e' un fotone,
che si avvicina alla fine del suo lungo viaggio dal sole.
Il suo destino e' dare inizio a una serie di reazioni chimiche
che sono alla base di tutta la vita sulla Terra:
la fotosintesi.
Ogni secondo, ogni giorno,
sulla Terra nascono 16.000 tonnellate di nuove piante.
E per me e' incredibile pensare che la nostra esistenza
su questo pianeta dipende da cio' che succede
nel prossimo bilionesimo di secondo.
Il primo passo cruciale della fotosintesi
e' catturare energia dal sole.
E' efficiente quasi al 100 percento,
superando enormemente qualsiasi tecnologia umana.
Come tutte le piante della Terra ci riescano
e' uno dei piu' grandi enigmi della biologia.
Quando venne fuori che la stranezza quantistica poteva avere la risposta,
i fisici faticavano a crederlo.
E' stata una rivelazione. E' stato molto emozionante,
perche' lavoravo su problemi che erano esperimenti piuttosto astratti.
Be', sono una teorica, ma ho sempre associato le mie teorie
a esperimenti molto chiari e controllabili in laboratorio.
Ma ora, scoprendo che le mie conoscenze possono aiutarmi
a capire meglio come funziona la natura,
e' stato... scientificamente e' stata una nuova ispirazione,
percio' direi che mi sono innamorata di questo campo.
I libri di biologia dicono che il color verde delle piante
deriva dalle molecole di clorofilla,
che, all'interno delle cellule, assorbono la luce del sole.
Questa energia viene trasportata molto velocemente
alla fabbrica di alimenti nel cuore della cellula.
Tutto il processo richiede solo un milionesimo di milionesimo di secondo.
Quando il fotone colpisce la cellula,
butta fuori un elettrone dal centro della molecola di clorofilla.
Questo crea un minuscolo pacchetto di energia chiamato 'eccitone'.
L'eccitone rimbalza attraverso una foresta di molecole di clorofilla,
finche' non raggiunge quello che viene chiamato 'il centro di reazione',
il posto dove la sua energia viene usata per avviare processi chimici
che creano tutte le biomolecole piu' importanti per la vita.
Il problema e' che innazitutto l'eccitone deve trovare la strada
per il centro di reazione.
I libri di biologia non spiegano come facciamo gli eccitoni,
perche' naturalmente lui non sa dove sta andando.
Rimbalza come una biglia in un flipper,
secondo un processo chiamato 'passeggiata aleatoria'.
Prima o poi attraversa tutte le parti della cellula.
Ma non e' il modo piu' efficace di muoversi,
perche' quando finalmente l'eccitone raggiungera' il centro di reazione,
sara' per puro caso.
Se l'eccitone saltellasse ciecamente e casualmente
tra le molecole di clorofilla,
impiegherebbe troppo tempo per raggiungere il centro di reazione,
e perderebbe energia sotto forma di calore.
Ma non e' quello che succede. Deve funzionare diversamente.
L'indizio essenziale arriva da recenti esperimenti
che hanno scioccato il modo scientifico.
I chimici hanno sparato laggi laser alle cellule vegetali
per simulare la luce del sole.
Hanno confermato che l'eccitone non si muove a casaccio nella cellula.
Le conoscenze precedenti non spiegavano le osservazioni in laboratorio.
Ecco dove giace il mistero, ok,
ma qual e' la spiegazione per quello che osserviamo in laboratorio?
La soluzione e' che le piante obbediscono alla legge piu' famosa
di tutta la meccanica quantistica:
il principio di indeterminazione.
Afferma che non possiamo mai essere certi
che l'eccitone sia in un posto specifico,
ma si comporta come un'onda quantistica
che si sparge attraverso la cellula.
L'eccitone non si muove semplicemente da A a B.
Per quanto sia strano, punta in ogni direzione contemporaneamente.
Si propaga come un'onda
cosi' che possa esplorare tutte le strade possibili simultaneamente.
Questo e' il cuore di tutta la stranezza della meccanica quantistica.
L'onda dell'eccitone non va da una parte o dall'altra,
segue tutte le possibili direzioni allo stesso tempo.
Ecco cos'e' che lo rende cosi' tanto efficiente.
La bellezza di tutto cio'
e' che se l'eccitone tenta ogni strada per il centro di reazione
nello stesso istante,
e' obbligato a trovare la strada piu' veloce per cedere la sua energia.
E' difficile spiegare quanto sia incredibile una scoperta del genere
per fisici come me.
Le cellule biologiche sono piene di atomi e molecole
che si muovono a caso.
Ma in qualche modo gli eccitoni mantengono la loro forma
di bellissime e perfette onde quantistiche
che trasportano l'energia che garantisce la vita sulla Terra.
Ha aperto un cammino scientifico completamente nuovo per me.
Mi piace davvero molto che
per poter di comprendere a pieno cosa accade li' fuori o nelle piante
bisogna interagire con scienziati
che hanno approcci completamente diversi,
come biologi e chimici.
Ma dobbiamo unirci per poter capire
l'importante... l'importanza di tutto questo.
Per me questo e' uno dei lati piu' emozionanti del campo.
I veri esperimenti scientifici non lasciano dubbi.
La strana mano della meccanica quantistica
ha plasmato l'intero mondo vivente.
Non e' una sorpresa trovare trucchi quantistici nei sistemi biologici.
Il motivo e' che sono migliori.
L'entanglement quantistico viene osservato nelle condizioni controllate
di un laboratorio di fisica.
Ma ora sappiamo che il pettirosso lo usa
per navigare con straordinaria precisione.
Vibrazioni quantistiche indicano che i nostri nasi ascoltano le sostanze,
esaltando la nostra percezione del mondo attorno a noi.
Le cellule di tutti gli animali dipendono da protoni
che svaniscono e riappaiono come fantasmi,
accelerando i processi essenziali per la vita.
La fotosintesi rivela il grande disegno.
Un mondo scintillante in cui le onde quantistiche
catturano l'energia solare in un istante.
A volte la gente dice: 'Ma i fisici lo cercano da decenni'.
Be', i biologi hanno avuto milioni di anni.
La scienza ultramoderna della meccanica quantistica
e' un antico dato di fatto della vita.
Per la fine del mio viaggio voglio portare queste idee
alla loro conclusione logica.
Naturalmente, da scienziato, ogni mia speculazione
deve essere provata da attenti esperimenti.
Percio' voglio escogitare un esperimento mentale
che mi aiuti a rispondere alla domanda biologica piu' grande
che mi viene in mente.
La fisica quantistica ha un ruolo nel meccanismo di evoluzione?
Nel 1859 Charles Darwin sconvolse il mondo
con la sua teoria dell'evoluzione per selezione naturale.
Ando' avanti cercando di spiegare le differenze tra uomini e scimmie.
Dopo 150 anni, non c'e' dubbio che la teoria di Darwin
vale per qualsiasi organismo vivente su terra ferma e in mare.
Ma vorrei esplorare le ultime straordinarie interpretazioni
delle sue idee.
Potrebbe esserci una teoria quantistica dell'evoluzione?
# Adagio di Spartaco e Frigia (Suite No.2) - Aram Khachaturian #
La chiocciola quantistica
L'evoluzione quantistica puo' spiegare
come ha fatto la chiocciola a procurarsi il guscio?
Le lumache che vedo nel mio giardino
hanno di solito dei gusci blandi e noiosi.
Guardate questa meraviglia.
Lo schema sul guscio si abbina perfettamente
alle linee sul corpo.
E' chiamata chioccola a bande.
Cepaea nemoralis.
Lo schema non e' li' per caso.
Venite a vedere questo.
Lumache meno adattate si trovano piu' probabilmente qui.
Questa pietra e' chiamata 'l'incudine dell'usignolo'.
L'usignolo e' il principale predatore delle chiocciole.
Prende la chiocciola e frantuma il guscio contro la pietra
per prendere il corpo.
Quello che vedo e' che non ci sono chiocciole a bande,
il che suggerisce che il suoi colori si mimetizzano molto bene,
nascondendole agli uccelli.
La teoria di Darwin dice che l'evoluzione
dipende dalle variazioni di una specie.
Le chiocciole che riescono a mimetizzarsi riescono a sopravvivere
e a riprodursi di piu',
trasmettendo i loro gusci alla prossima generazione,
cosi' che l'intera specie diventa maggiormente adattata.
Dunque le variazioni, cioe' le piccole differenze tra le chiocciole,
e' la forza motrice che sta dietro la loro evoluzione.
Tutte le specie si evolvono e si adattano al loro ambiente.
Ma cio' che mi chiedo
e' se la meccanica quantistica abbia un ruolo.
L'unico modo di scoprirlo e' effettuare esperimenti.
La mia avventura attraverso la biologia quantistica
alla fine mi riporta a casa.
L'universita' di Surrey.
Qui, in laboratorio, sto progettando una nuova analisi
della molecola piu' famosa nella scienza:
l'acido deossiribonucleico o DNA.
La sua doppia elica custodisce il codice genetico
di ogni organismo vivente.
E' considerevole che lo stesso Darwin non avesse idea
di cosa creasse le vriazioni in una specie.
La struttura del DNA e' stata scoperta solo nel 1953
da Francis Crick e James Watson.
La caratteristica piu' famosa del DNA e' certamente
la sua struttura a doppia elica.
Ma e' solo l'impalcatura.
Il vero segreto genetico si trova al suo interno.
Le 4 molecole dai colori diversi sono chiamate 'basi'.
Il codice cromatico di un lato, diciamo blu-rosso-blu,
forma un gene che i genitori trasmettono alla loro progenie.
I geni sono un po' come le tessere di un puzzle.
Si incastrano cosi'.
Un'elica completa del DNA forma un pattern colorato,
e la seconda elica si incastra seguendo sempre le stesse regole:
una base blu va sempre con una base gialla
e una base verde va sempre con una base rossa.
Perche' solo quei colori hanno la forma giusta per incastrarsi.
Crick e Watson si resero conto che questo forniva il meccanismo
di trasmissione del codice genetico.
Quando le cellule si riproducono, le due eliche del DNA si separano
e sono pronte per essere copiate.
Il rosso va ancora col verde
e il giallo col blu.
Passo dopo passo,
la cellula crea due nuove eliche.
Due copie perfette dello stesso codice genetico.
Finora non c'e' stata nessuna variazione genetica.
Questa nuova copia e' identica all'originale.
Qui c'e' il passo interessante. Durante il processo di copiatura
puo' succedere qualcosa di molto importante.
A volte, possono avvenire degli errori.
Sono chiamate 'mutazioni'.
Guardiamo queste due basi.
I due rebbi che le tengono insieme
sono particelle subatomiche. Sono protoni.
In pratica, sono i legami tra i componenti del DNA.
Questi protoni possono passare da una parte all'altra.
Se i componenti si separano dopo che i protoni hanno saltato,
finiscono nella posizione sbagliata.
Ora, questa base rossa
non si legera' piu' a una base verde,
ma deve legarsi a una base gialla.
Se rimettiamo a posto questo blocco,
vediamo che la copia non e' piu' identica all'originale,
perche' qui c'e' una base gialla invece che verde.
Abbiamo inserito una mutazione genetica.
Protoni saltellanti hanno cambiato il DNA delle chiocciole.
Hanno creato nuovi geni per gusci mimetici.
La domanda e': come fanno i protoni a saltare?
La mia teoria e' che c'entri il lato spaventoso della meccanica quantistica.
Perche' queste mutazioni avvengano,
i protoni devono superare una barriera di energia.
Se ricordate cosa accadeva con gli enzimi,
allora potete ben immaginare cosa accade con i protoni.
I protoni possono comportarsi come se le barriere non esistessero.
Ci passano attraverso.
Ma questo effetto fantasma accade davvero?
I miei colleghi biologi stanno gia' cercando
la prova delle mutazioni quantistiche.
I biologi non conoscono per niente la meccanica quantistica,
percio' quando gli dici che piccole particelle
si trovano in 2 posti contemporaneamente, rispondono:
'Be', nelle mie cellule non possono!'
Nel nostro esperimento analizziamo campioni di batteri.
Il primo campione viene preparato in acqua normale,
che contiene nuclei idrogeno, ovvero protoni.
Quando i batteri si riproducono,
contiamo le mutazioni.
Se la nostra teoria e' corretta,
dovremmo essere capaci di cambiare il tasso di mutazioni.
Ricordate come abbiamo testato la teoria quantistica dell'olfatto?
Che succede se sostituisco il protone
con il suo fratello maggiore, il deutone?
Ovvero il nucleo di un atomo di deuterio.
E' fondamentale che il deutone pesa il doppio del protone.
Questo dovrebbe influenzare la capacita' del deutone
di attraversare le barriere quantisticamente.
La meccanica quantistica e' piena di sorprese.
I protoni attraversano barriere facilmente.
I deutoni...
no.
E' piu' probabile che queste particelle piu' pensati rimbalzino indietro.
Quindi il secondo campione di batteri viene preparato in acqua pesante,
che e' ricca di deutoni.
Secondo la nostra teoria dovremmo ottenere molte meno mutazioni.
Finora i risultati sono estremamente incoraggianti.
Gli esperimenti preliminari che abbiamo condotto suggeriscono che...
il tasso di mutazioni diminuisce molto in acqua pesante.
Abbiamo trovato che e' inferiore, quindi...
Ho l'impressione che abbiamo ragione,
ma dobbiamo aspettare un po' prima di esserne sicuri.
Prove definitive si otterranno in futuro.
Anche se avessimo ragione,
il tunnel quantistico e' una rara forma di mutazione.
Ma i nostri risultati promettono prove indiscutibili
per una nuova spiegazione di uno dei processi fondamentali della vita.
Anche solo la minima possibilita' di un nuovo meccanismo quantistico
per l'evoluzione, e' estremamente eccitante.
Infatti, la storia della biologia quantistica e' solo all'inizio.
Cio' che ci hanno mostrato la rana, il pettirosso, il moscerino e l'albero
e' che i veri effetti quantistici avvengono in natura continuamente.
Se c'e' qualcosa che abbiamo imparato
dalla storia della meccanica quantistica e' questo:
non possiamo mai essere certi dove altro ci porteranno le nuove scoperte.
La biologia quantistica e' una rivoluzione nella scienza.
Ma e' tempo che torni al dipartimento di fisica.
Traduzione: Blackcherry [SRT project]
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