La raccolta della luce nelle piante e nei batteri non può essere spiegata correttamente dai processi tradizionali o da quelli quantistici. Ora i teorici della complessità spiegano che la risposta è una delicata interazione tra i due processi, un’idea che potrebbe trasformare il calcolo.
I fisici sanno da tempo che le piante e i batteri convertono la luce in energia chimica in modo estremamente efficiente; Ma solo negli ultimi anni hanno scoperto che le macchine molecolari dietro a questo processo si affidano alla meccanica quantistica per svolgere questo lavoro.
Questa è una grande sorpresa dovuta alle temperature coinvolte. Gli stati quantici sono altamente fragili – basta uno starnuto per farli scomparire in una nuvola di fumo. I fisici possono mantenere questi stati per qualche tempo, in ambienti attentamente controllati a basse temperature, ma non si spiega come possa essere possibile che in ambienti caldi e umidi si trovino forme viventi.
Oggi, Gabor Vattay della Eotvos University di Budapest e Stuart Kauffman della University of Vermont di Burlington hanno la risposta. Sostengono che i processi che sono dietro la raccolta di luce combinano il processo quantico e quello classico e che questo delicato mix rappresenta un tipo di calcolo completamente nuovo che la natura potrebbe utilizzare anche in altri sistemi.
I processi quantici devono essere studiati nei sistemi di raccolta della luce che avvengono in una struttura conosciuta come Fenna-Matthews-Olson o complesso FMO, un grande pigmento proteico che è parte del macchinario di raccolta della luce nei batteri solfurei verdi; inseriti in queste strutture proteiche sono centri di reazione che convertono l’energia della luce in energia chimica.
Quando la luce colpisce il complesso FMO, l’energia deve viaggiare attraverso la matrice proteica fino a raggiungere un centro di reazione; sorprendentemente, questo trasferimento avviene con un rendimento di quasi il 100 per cento.
Questo è sconcertante perché l’unico modo per l’energia luminosa di trovare un centro di reazione è rimbalzare attraverso la rete di proteine in modo casuale, come una palla da biliardo.
Questo processo sarebbe troppo lungo, molto più lungo del nanosecondo che si richiede per dissolvere l’energia della luce nell’ambiente e perdersi.
Il processo di trasferimento dell’energia in questo caso non può avvenire in modo classico; i fisici hanno raccolto una serie di elementi per dimostrare che il trasferimento di energia è un processo quantistico.
Si pensa che poiché l’energia può esistere in una sovrapposizione di stati, può viaggiare nello stesso momento su una varietà di percorsi intorno alla rete. E quando trova la destinazione corretta, la sovrapposizione crolla, lasciando l’energia al centro della reazione. Il risultato è un trasferimento di energia quasi perfetto.
Vattay e Kauffman sostengono che questo tipo di processo quantistico puro non può essere responsabile. Questo perché un certo numero di processi quantistici rallentano il movimento di oggetti quantici attraverso reti casuali come queste. “La meccanica quantistica ha anche effetti negativi”.
Uno di questi processi importuni è noto come Anderson localisation, un fenomeno che impedisce la diffusione di stati quantistici in una media casuale. Poiché lo stato quantistico si comporta come un’onda, è vulnerabile agli effetti di interferenze che gli impediscono di propagarsi in una rete casuale.
Un altro è l’effetto Zenone quantistico, il fenomeno paradossale in cui uno stato instabile non cambia mai se viene osservato continuamente. Questo perché l’osservazione comporta delle misurazioni importanti che costantemente spingono lo stato impedendogli di crollare. Questa è la versione quantistica dell’effetto “una pentola che si guarda non bolle mai”.
Una cosa simile accade per lo stato quantico di energia durante la raccolta della luce. Questo stato quantico inevitabilmente interagirà con l’ambiente, ma queste interazioni agiscono come misurazioni. Questo innesca un effetto Zenone quantistico che impedisce allo stato di collassare al centro di reazione. Così il trasferimento di energia non può avvenire in questo modo, spiegano Vattay e Kauffman.
I due ricercatori, invece, propongono un nuovo processo in cui il meccanismo di ricerca quantistica e l’interazione con l’ambiente si combinano per superare la localizzazione di Anderson; sostenendo che è l’interazione tra questi processi a fornire l’energia al centro di reazione in modo ottimale.
L’idea è che l’interazione con l’ambiente cambia la natura ondulatoria dello stato quantico quanto basta per evitare la localizzazione di Anderson. Allo stesso tempo, l’effetto Zenone quantico prolunga la durata dello stato quantico permettendo di trovare la sua strada al centro di reazione. è questa interazione tra il mondo classico e la quantistica che permette il trasferimento di energia.
Questo spiega il comportamento quantico dei processi di raccolta di luce a temperatura ambiente. Ma Vattay e Kauffman spiegano che l’idea ha altre implicazioni importanti. Il problema di trovare un centro di reazione in una matrice proteica è formalmente equivalente a molti altri problemi nel campo dell’informatica. Così dovrebbe essere possibile trasformare la raccolta della luce in lavoro di calcolo mappando un problema sull’altro.
Questo potrebbe migliorare notevolmente la velocità di calcolo a temperatura ambiente. “I computer basati su complesse raccolte della luce artificiale potrebbero avere unità con un’efficienza a temperatura ambiente 100-1000 volte maggiore “, spiegano Vattay e Kauffman.
Cosa c’è di più, questo tipo di calcolo potrebbe già funzionare in natura. “Dal momento che la realizzazione di questo meccanismo sembra ormai relativamente facile, si tratta di una questione importante scoprire se è stato realizzato in sistemi di raccolta della luce o è presente anche in altri processi di trasporto biologico o di ottimizzazione. Soprattutto nel cervello umano “, continuano. Se hanno ragione, questo nuovo tipo di calcolo potrebbe generare grande interesse in un breve lasso di tempo.
(LS)
