Biología cuántica
Salvador Miret Artés, Research Professor e Direttore dell’lstituto di fisica fondamentale dello Spanish Scientific Research Council, è autore di oltre duecento pubblicazioni, focalizzate sulla dinamica degli aggregati nanometrici di atomi (cluster), sul caos classico e quantistico e sull’analisi della struttura delle superfici mediante la spettroscopia degli atomi di elio. Al problema fondamentale, annoso ma sempre attuale, della misura delle strutture quantistiche, è dedicato un testo illuminante (Bohmian Mechanics, Open Quantum Systems and Continuous Measurements, in collaborazione con Antonio B. Nassar, Springer International Publishing 2017); in questo testo l’apparato sperimentale è concepito come un insieme composito aperto: un insieme eterogeneo nel quale il sistema quantistico s’intreccia con l’apparecchiatura classica, inevitabilmente immersa in un ambiente mutevole; sicché il processo di misura è controllato da un’equazione di Schrödinger stocastica, che consente di eludere il postulato del collasso della funzione d’onda.
Meritorio è l’impegno di Miret Artés nella divulgazione scientifica. Nel 2015 egli pubblica Mecánica Cuántica, una introduzione alla meccanica quantistica, con riferimento alle proprietà della materia a livello nanoscopico. Nel 2019 esce Biología Cuántica. Il grande psichiatra Vittorino Andreoli, nella sua postfazione a un nostro progetto editoriale interdisciplinare (Mimesis Edizioni, 2020), manifesta un entusiastico apprezzamento di questo saggio. Incuriosito, una più attenta rilettura del libro m’induce a pensare che potrebbe essere utile esporre alcuni dei suoi contenuti.
Qui la chimica organica e la chimica inorganica si alleano con la biologia e la fisica quantistica per aiutarci ad affrontare ed elucidare, nientepopodimeno, l’origine e l’evoluzione dell’Universo, della vita e delle mente. L’impresa è ardua e ambiziosa. Ma la sintesi di Miret Artés è agile, a tratti è addirittura divertente. L’escamotage? Nella sua appassionata narrazione l’autore strumentalizza l’insostenibile leggerezza delle tre particelle che per prime, all’atto del Big Bang, irruppero nell’Universo: i fotoni, gli elettroni e i protoni. La loro disinvolta levità consente di superare ogni asprezza e si estrinseca nell’effetto tunnel; la docile disponibilità a orientare i loro spin si estrinseca nell’entanglement. Queste particelle, a seconda del contesto, si configurano anche come campi d’onda. Il fil rouge della “biologia quantica” collega la sovrapposizione degli stati, l’effetto tunnel e la coerenza quantica (ossia la coesistenza di stati incompatibili, insidiata dal “rumore” dell’ambiente); ed è animato dalla decoerenza (una azione che può essere spontanea oppure provocata consapevolmente dall’attività biologica e, in particolare, dal processo percettivo).
La vita è definita dall’autore in termini di una forma di “autoorganizzazione capace di replicare fedelmente l’informazione genetica da una generazione all’altra”. Una caratteristica fondamentale della vita è la omochiralità, scoperta, come è noto, da Louis Pasteur: negli esseri viventi le molecole assumono una sola delle due configurazioni chirali; levogiri sono tutti gli amminoacidi, destrogiri sono tutti gli zuccheri. Non sapevo (ma questo non ditelo a nessuno) che il nostro olfatto distingue i profumi agrumati di L-limonene e del suo enantiomorfo, R-limonene, dall’odore diffuso dalla oleosa miscela racemica, in percentuali uguali, delle due molecole enantiomorfe: in certe circostanze il fiuto, selettivo, sconfigge l’effetto Raman, indifferente!
Ma torniamo agli elettroni. Nel suo libro Miret Artés indugia sulle reazioni esotermiche redox, ad esempio, sull’idrogeno che brucerà nei cinquanta autobus di Amburgo. In questa reazione la molecola di idrogeno cede i suoi due elettroni all’ossigeno dell’acqua: l’idrogeno è riducente; e l’ossigeno, che guadagna detti elettroni, è ossidante. La maggioranza delle reazioni esotermiche non avviene spontaneamente, però può essere agevolata dai catalizzatori o, in biologia, dagli enzimi. Lo stato iniziale dei reagenti ha una energia maggiore di quella dello stato finale dei prodotti della reazione; ma i relativi livelli energetici sono separati da una barriera che le onde-elettroni “perforano” grazie all’effetto tunnel, innescato da una scintilla. Tra le reazioni redox figurano quelle dei radicali liberi, avidi di elettroni; tali reazioni, insidiose per la nostra salute, sono frenate dagli antiossidanti (ad esempio le vitamine).
E i protoni? Vitale è la loro importanza nelle mutazioni, croce e delizia dell’evoluzione genetica. La coppia monogama C≡G delle basi azotate che collegano le due eliche del DNA, è unita da tre legami idrogeno; la coppia monogama T=A è unita da due legami idrogeno, nella fattispecie N–H––O e N––H–N. Ma se i protoni, spostandosi per effetto tunnel lungo questi doppi legami, tautomerizzano la coppia T=A [passando cioè dalla configurazione (N–H––O e N––H–N) alla configurazione (N––H–O e N–H––N)], si creano condizioni favorevoli alla mutazione: un processo, che, in questo esempio, celebra l’adulterio T=A → T=G. Superfluo dire che l’effetto tunnel lo si può scovare un po’ dappertutto: fa il suo dovere anche mentre respiriamo!
Miret Artés, forse suggestionato dall’affermazione di Ortega y Gasset, “Yo soy yo y mi circunstancia, y si no la salvo a ella, no me salvo yo”, dedica ampio spazio all’entanglement. Efficace è l’esempio propostoci: i mesoni π0 , prodotti in abbondanza al CERN di Ginevra, sono instabili. Tra i molti modi possibili di decadere, il più raro è quello di due elettroni che si allontanano velocemente l’uno dall’altro, coi loro spin che puntano in versi opposti: ciascuno parallelamente e – mirabile dictu – al tempo stesso anti-parallelamente alla comune direzione del moto. Per disambiguare l‘inquietante dilemma, basta misurare in che verso punta lo spin di uno dei due elettroni; l’atto della misura consente di accertare “istantaneamente” anche il verso in cui punta lo spin dell’altro elettrone. Quest’ultimo rimane entangled ossia, come direbbe Edoardo Boncinelli, rimane “intrecciato nel tango” col suo gemello omozigoto, pur essendogli ormai assai lontano (è qui che emerge la non località della meccanica quantistica).
E i fotoni? Anch’essi intervengono dovunque. Un esempio spettacolare, su cui Miret Artés si sofferma, è la migrazione, finanche per migliaia di chilometri, di alcune creature dotate di un senso dell’orientamento che fa invidia al GPS: si parla del pettirosso europeo, del piccione viaggiatore e della farfalla monarca (la quale, sorprendentemente, trasmette a una sua erede l’informazione necessaria affinché sia, appunto, la figlia a “tornare” al luogo da cui era partita la madre).
Con la regia del campo magnetico terrestre, i fotoni – coadiuvati da una coppia di elettroni entangled, pronti a orientare il loro spin lungo le appropriate linee di forza del campo magnetico terrestre – attivano i magneto-ricettori nell’occhio di queste creature.
Il tema della vita, in particolare del sistema mente-corpo, è sviluppato nel penultimo capitolo. Nell’elogio tributato da Vittorino Andreoli a questo libro, ravviso anche un autorevole invito a completare la lettura: la meccanica quantistica appare bizzarra e forse anche per questo si presta bene – posso confermarlo – allo studio della nostra mente.
D’altra parte, il principale obiettivo di Miret Artés è “cercare di stimolare il lettore a riflettere sulla propria vita da diversi punti di vista e di ampliare le proprie conoscenze consultando libri più specializzati”. È un obiettivo, questo, sempre attuale, che riecheggia l’ellenico γνῶθι σαυτόν e il familiare nosce te ipsum. Faccio mia questa esortazione, rivolgendola in primis a me stesso. Pertanto, per metterla in pratica mi riprometto di esortare qualche casa editrice nostrana a pubblicare una edizione italiana del libro di Salvador: vorrei esser sicuro di avere capito bene ciò che lui ha scritto.
Giuseppe Caglioti
Politecnico di Milano
- Salvador Miret Artés
- Biología cuántica
- CSIC - Catarata,
- ¿Que sabemos de?, 2019
- pp. 144; € 12,00
- ISBN: 978-84-9097-723-1
- e-book: € 6,99
- ISBN: 978-84-9097-724-8