La biologia quantistica è la "biomagia" per spiegare l'origine della vita?

[restodelcarlino]

Biologi e fisici, astenersi. O, a proprio rischio e pericolo : é una svanverata di ignorante.

Ho la pessima abitudine di trascorrere buona parte del tempo disponibile per i "minuti piaceri" nella lettura.
Di robaccia ostica (filosofi, fisica, scienze matematiche), con il sospetto (che diventa convinzione, spesso) di non aver capito tutto, anzi. Ma con la testardaggine di chi vuole vederci chiaro. Ultimamente, attratto dal titolo, mi sono imbattuto nella cosiddetta "biologia quantistica".

Le parole “quantistico” e “biologia” sembrano venire da universi concettuali diversi. Il primo evoca particelle "di dio", nuvole di probabilità, onde in mari di Dirac, gatti né vivi né morti; il secondo, cellule, proteine, metabolismo, cose visibili, osservabili, replicabili. Tutta roba piccolissima, fatta in definitiva degli stessi quark e "vuoto... forzuto".
L'idea, malsana, di cercare di vederne i legami mi ha fatto spendere sudati soldoni e tempo ancor più prezioso . Risultati ? Mo' vediamo. Riassumo, tera-tera, a parole mie, quello che penso di aver capito.

"Quantistico".
La meccanica quantistica (e la Elettrodinamica quantistica , sorellina), alla fin fine, che roba é ?
Non ho la presunzione né di poterla "raccontare" , né, meno che meno che mai, di spiegarla. Primo, perché sono un ignorante (per definizione), poi perché non ne ho capito granché, terzo perché é contro-intuitiva. Qualche cosa, pero', ho capito : che il mondo funziona proprio cosi'.
Della mia ignoranza in materia, faccio un riassuntino, premessa per il seguito. Che Heisenberg, Schrodinger col gatto, e soci mi perdonino.

Altrove mi sono già coperto di ridicolo svanverando sulla "massa" e sul "Modello standard", raccontando quello che penso di aver capito sulla struttura della "materia" : che é fatta principalmente di energia e campi tramebondi, che ondeggiano e danno origine alle particelle. E qualche quark.
A questo, la meccanica quantistica aggiunge l'amenità che tutto é retto da leggi probabilstiche. Non c'é una posizione o una stato di moto definito, ma solo un insieme di probabilità...una funzione matematica di probabilità... "un' onda".

Per una posizione definita si puo' conoscere la probabilità che abbia una particella di esserci e la probabilità che abbia una certa quantità di moto. E tutto resta vago ed indefinito, finché non ci sia un'interazione (malauguratamente definta "misura" con tutto il bla bla fantascientifico e confusionario che ne segue). Al momento dello... "scontro", la probabilità che la particella sia là...é 100% e diventa "realtà". La "funzione d'onda probabilistica , collassa".
Insomma, come il ronzio della zanzara ci dice che c'é e che svolazza, ma non si sa dove, finché lo zot ! dell'elettrodo la fulmina....ed é proprio là, sull'elettrodo. Collassata.

Tanto per rendere le cose facili, elettroni ed altre particelle, si comportano sia come onda che come particella.
Sono un po' l'una ed un po' l'altra, ed entrambe le cose nello stesso tempo, secondo i casi...sempre seguendo leggi di tipo probabilistico.
Non sono in un posto preciso, sono ovunque dove potrebbero essere, in una "sovrapposizione di stati" fino all'interazione chiarificatrice e collassante.
Questa condizione si chiama coerenza. È come una nuvola di alternative, tutte reali finché qualcosa (interazione/"misura") non la faccia “collassare” in una scelta concreta.

E non é finita là : se due particelle che possono essere o bianca o nera (ma non dello stesso colore) ed il colore di ogni particella ha la sua "funzione d'onda di probabilità" indipendente, il legame che non possono essere uguali sussiste, quale che sia la distanza che le separi, una volta "nate col legame". E la "misura" di una, comporta immediatamente il collasso della funzione d'onda...anche all'altro capo dell'universo. E' strambo pure il nome del fenomeno "Etanglement ".

Non basta...esiste un'altra caratteristica quantistica, l' "effetto tunnel", che permette ad una particella di oltrepassare una "barriera" di potenziale...di passare al di là di un "muro", pur non avendo energia sufficiente per farlo. Si, "prende in prestito"energia dal vuoto per restituirla immediatamente dopo un tempo brevissimo...la sua "funzione d'onda di probabilità"aveva un valore (seppur bassissimo) che passasse dall'altra parte...ed é quel valore che é collassato.
Il biglietto della lotteria trovato per terra in un tifone che vince un miliardo in diamanti : improbabile, ma possibile.

Ma se é tutto una nuvola di probabilità, e non ci sono "scienziati che misurano"?
In effetti, ce ne sono ad josa: tutto questo bataclan di probabilità si svolge nell'infinitamente piccolo. E l'infinitamente piccolo é terribilmente affollato. Quindi il tempo per avere un'interazione (la famosa "misura ") é veramente minuscolo, e le funzioni d'onda collassano illico-presto, nell'infinitamente piccolo...e la realtà, somma di infiniti collassi, esiste. E noi pure.

Queste sono le piacevolezze principali della meccanica quantistica (l'elettrodinamica quantistica, un'altra volta).
Si, é tutto apparentemente senza né capo né coda. E' la realtà. Falsificabile e falsificata.
Non si sa come mai e perché, ma funziona. Perfettamente.

(segue)

[restodelcarlino]

E per il fatto che esistiamo, nasce il primo interrogativo : i componenti primari dell'organismo vivente (cellule e tutto quello che contengono, con annessi e connessi), ce stanno : quindi, quark e tutto il resto sono il risultato di una "misura" ...si, interazione, col collasso di tutte le funzioni d'onda.
Siamo non più nell'universo quantico, ma in quello macroscopico, legato al "causa-effetto" e non più al "vassapé probabilistico".

Nei sistemi viventi, caratterizzati da temperature relativamente elevate, presenza di acqua (solvente fortemente interattivo), e densità elevata di molecole, la coerenza quantistica "collassa" in femtosecondi (milionesimo di miliardesimo di secondo, ovvero 10^-15 s ) o picosecondi (millesimo di miliardesimo di secondo, cioè ad un millesimo di nanosecondo) .
Parlare di "biologia quantistica" sembrerebbe paradossale, se non addirittura assurdo.

....ma....
Vi sono fenomeni, in esseri viventi, che hanno suggerito che forme di coerenza quantistica possano sopravvivere sorprendentemente a lungo, fino a centinaia di femtosecondi o anche oltre, Studi teorici e sperimentali esaminanano come tale coerenza possa essere mantenuta, e se ciò sia un effetto accidentale o un meccanismo evolutivamente selezionato.
In altre parole, se sistemi viventi potrebbero aver evoluto meccanismi per utilizzare la coerenza quantistica e come.

Il primo e più importante, avviene nel processo-base della vita (come la...viviamo, qui, sul terzo piantea del sistema solare) : la fotosintesi clorofilliana. Che é il caso più studiato ed anche largamente accettato dalla comunità scientifica. (Sempre e comunque : allo stato della mia ignoranza attuale).
La fotosintesi é il processo attraverso il quale le piante e alcuni organismi viventi trasformano l'energia solare in energia chimica, producendo zuccheri e rilasciando ossigeno. Ma questo, é noto dalle elementari.

Senza entrare nei dettagli (la mia incompetenza é notoria), il "rendimento" del processo é elevatissimo : detto in parole di ignorante, l'energia prodotta é tanta e trasportate cosi' in fretta, senza perdite, che non puo' essere come l'elettrone dell'energia elettrica che conosciamo, che viaggia come una pallina velocissima in un cavo solo. L'equivalente nella fotosintesi (dal nome di "eccitone") viaggia come un'onda, che passa per tutti i percorsi possibili, contemporaneamente. Questo passaggio "energetico" ha un rendimento di circa 100% .
Con la chimica-fisica-termodinamica "classica"? Semplicemente impossibile.
Ma é cosi'. La prova ? Ci siamo. E da miliardi di anni.

La conclusione, da questa che possiamo definire "evidenza sperimentale" é che la coerenza quantistica, in ambienti "cellulari", si mantiene in tempi biologicamente rilevanti (centinaia di femtosecondi), in quanto alcuni sistemi viventi sembrano ottimizzati evolutivamente per conservarla, come conseguenza di una selezione naturale per effetti quantistici. E come "buon peso", una certa decoerenza aiuta l’efficienza, eliminando i "percorsi sfavorevoli"

(segue)

(Finora, Vega non mi ha meteorizzato. Quindi, insisto .)

[Vega]

100%?

Vista la complessità ed i tanti passaggi della fotosintesi perdiamo "roba' per strada.

[restodelcarlino]

100%?

Vista la complessità ed i tanti passaggi della fotosintesi perdiamo "roba' per strada.

ho scritto una fesseria.
Grazie della "meteorata"
Ho corretto.

[Vega]

Allora, la conversione finale della luce, energia luminosa se preferisci, in quella chimica si aggira in media sul 25-27%, quella che tu dici al 100% è la resa quantica, i fotoni assorbiti per il processo fotosintetico che sono tutti o quasi coinvolti, quindi vicini al 100%.

[restodelcarlino]

Allora, la conversione finale della luce, energia luminosa se preferisci, in quella chimica si aggira in media sul 25-27%, quella che tu dici al 100% è la resa quantica, i fotoni assorbiti per il processo fotosintetico che sono tutti o quasi coinvolti, quindi vicini al 100%.

...ho corretto, infatti. Ari-grazie!

[restodelcarlino]

Un altro fenomeno é legato a quella roba strana chiamata è l'entanglement, che potremmo tradurre, con un po' di approssimazione poetica, come "intreccio". (Due particelle entangled non sono semplicemente correlate: sono parti di un unico stato quantistico, per cui l'interazione con una (...la "misura"...) influenza istantaneamente l'altra, anche a distanza).

Si tratta di una simpatica bestiola , il pettirosso europeo: un uccello migratore che riesce a orientarsi grazie al campo magnetico terrestre, anche di notte, con il cielo coperto.
Non esistono spiegazioni "naturali" soddisfacenti totalmente; si è ipotizzato che questi migratori usino una specie di "bussola quantistica".
In poche e confusionarie parole, nella retina del pettirosso, una molecola (il criptocromo, una proteina), quando colpita da un fotone, genera una coppia di elettroni “entangled”, la cui evoluzione dipende dalla varizione di direzione del campo magnetico terrestre.
Questo altera la chimica della molecola, influenzando un segnale nervoso. Risultato: il pettirosso “vede” il campo magnetico attraverso una reazione quantistica entangled nella retina.

Sulla "bussola quantistica " degli uccelli migratori, si ipotizza che anche un'altra diavoleria quantistica possa avere un ruolo nella sensibilità al campo magnetico terrestre dei fotoricettori: l'effetto tunnel. Come funzioni, sono incapace di spiegarlo con parole tera-tera (menzogna spudorata per non ammettere di non aver capito nulla)
Sebbene gli studi siano avanzati, siamo sempre allo stadio di ipotesi e non di teorie.

Ah, l'effetto tunnel ! O "tunneling", per i colti che spiccano inglisc.
(In fisica classica, se una particella non ha abbastanza energia per superare una barriera, si ferma. Ma in quantistica, esiste una probabilità che essa "appaia" dall'altra parte, attraversando la barriera come se fosse trasparente.
Il fenomeno é sfruttato correntemente dal secolo scorso...microscopio elettronico e transistor sono noti a tutti.)

Ok, il tunneling esiste in laboratorio, nei semiconduttori, nei microscopi a effetto tunnel... ma può spuntare anche dentro le cellule, che so' calde e affollatissime?
E qui arriva un esempio emblematico: il trasferimento di protoni o elettroni in alcune reazioni enzimatiche.
Gli enzimi so' dei cosi straordinari: accelerano reazioni che, altrimenti, richiederebbero anni o secoli. Ma in certi casi, la velocità osservata è troppo alta per essere giustificata solo dalla chimica-fisica e termodinamica "classica". Ed é il "tunneling" che spiega tutto.

C'é di più: lo scoop recente é l'ipotesi che l’effetto tunnel giochi un ruolo nella muta genetica.
Nel DNA, le basi azotate si accoppiano in modo specifico , grazie a legami idrogeno (che 'vvor di' ? . Boh, ma pare sia cosi'. A fiducia). Ma in rari casi, una base può cambiare forma per un breve istante, (tautomeria , per chi ne sa ) e accoppiarsi con la base sbagliata (sbagliare matrimonio capita a tutti ). Si è ipotizzato che questo passaggio avvenga proprio tramite tunneling quantistico dei protoni. Un effetto piccolo, ma con conseguenze macroscopiche: mutazioni spontanee, ovvero l’origine della variabilità genetica.
Il che equivale a dire che il tunneling potrebbe essere un meccanismo molecolare alla base dell'evoluzione genetica.

Ah...non posso trascurare il mio amato Penrose: la meccanica quantistica potrebbe anche avere a che fare con "la coscienza".
Ce sta, infatti, "la coscienza quantistica", legata all’ipotesi che il cervello possa utilizzare stati sovrapposti per generare la consapevolezza. Il modello più noto è quello di Penrose e Hameroff (Teoria Orchestrated Objective Reduction), ostico come pochi, secondo il quale i microtubuli neuronali potrebbero funzionare come sistemi quantici coerenti, e la decoerenza (il collasso della "funzione d'onda" dei vari stati sovrapposti) determinerebbe l’esperienza cosciente.
Questa teoria è largamente contestata, ma il dibattito é aperto.

Sempre a livello di ipotesi non falsificate, e quindi non di teoria.

Allora, l'origine della vita é "biomagico-quantistico ?
vassapé

(segue)

[Vega]

Io sapevo dei piccioni E' confermata la quantistica nell'orientamento?

[Vega]

Io sapevo dei piccioni E' confermata la quantistica nell'orientamento?

[restodelcarlino]

Io sapevo dei piccioni E' confermata la quantistica nell'orientamento?

Per quanto ho letto, sembrerebbe falsificabile (quindi, scientifica). Se valida o meno, lo studio continua.
...c' é anche una farfalla americana, che sverna in Messico, vivendo in Canadà o dintorni...

[restodelcarlino]

Tiriamo le somme: evidenze sperimentali e studi confermano che parlare di "biologia quantistica" ha senso, quale studio dei processi biologici nei quali gli effetti quantistici giocano un ruolo funzionale, non trascurabile né incidentale.
E questi effetti, (o la "fisica quantistica" più in generale), sono semplici strumenti di ottimizzazione evolutiva, come dire "effetti speciali" sviluppati da sistemi viventi già complessi, o possono aver avuto un ruolo nell'origine della vita?
In chiaro : se l'indeterminazione probabilistica quantistica, con tutti i suoi trucchi misteriosi, non sia solo uno strumento raffinato della "vita", ma il suo punto d'origine.

Questo implica un rovesciamento di prospettiva. Non si tratta solo di studiare come la vita possa utilizzare la meccanica quantistica una volta emersa, ma se essa dipenda originariamente da dinamiche quantistiche per emergere.
In altre parole: la biologia quantistica può contribuire a spiegare l’origine della vita?

In termini biochimici, l’origine della vita è inquadrata come il passaggio da sistemi chimici complessi ma inerti a strutture autoreplicanti capaci di evoluzione. La probabilità che una molecola autoriplicante emerga spontaneamente è bassissima. È come lanciare dadi truccati fino a ottenere una poesia di Dante. In aramaico.
Questa transizione, (l'abiogenesi, per i colti) quindi, è ancora nel campo delle ipotesi.

I modelli classici includono:
-) l’ipotesi del mondo a RNA, dove l’RNA funge sia da informazione genetica sia da catalizzatore;
-) scenari di chimica prebiotica in ambienti idrotermali, dove le molecole organiche si accumulano in nicchie termodinamicamente favorevoli;
-) modelli basati su cicli auto-catalitici, che producono stabilità e complessità in modo spontaneo. (robba complicatissima, che solo a pensarci me fà male 'a capa...il (bi-)ciclo di Calvin(o), pensa te... )
Queste ipotesi, pur sofisticate, attribuiscono alla chimica un controllo totale e rigido sui fenomeni della vita, come se ogni evento biologico fosse sempre prevedibile e già scritto nelle reazioni chimiche, ma , come detto, soffrono di una probabilità troppo bassa per la formazione spontanea delle strutture necessarie.

L’emergere della vita appare come un evento statisticamente improbabile, anche se, in tutta evidenza, non impossibile (noi ci siamo): frutto di una lunga serie di “colpi di fortuna molecolari”. Resi possibili perché "c’era abbastanza tempo”.
È qui che l'indeterminazione quantistica si potrebbe proporre come principio generativo.
L’indeterminazione quantistica introduce una prospettiva differente. Essa abilita una molteplicità simultanea di possibilità, tra le quali si può “collassare” solo in un secondo momento.

Immaginiamo una proto-reazione chimica prebiotica. A livello classico c'é una probabilità, esigua, che si realizzi nel modo sperato. A livello quantistico, invece, è come se il sistema esplorasse simultaneamente molteplici esiti, attraverso stati sovrapposti.
Questo permette:
-) di esplorare configurazioni altamente improbabili classicamente, ma possibili quantisticamente;
-) di trovare scorciatoie reattive via effetto tunnel, evitando colli di bottiglia energetici;
-) di mantenere una coerenza tra stati intermedi, favorendo il formarsi di reti reattive più strutturate.
In questo scenario, la vita non sarebbe “improbabile” nel senso classico, ma il risultato statisticamente coerente di una dinamica quantistica su larga scala.

Nelle reazioni prebiotiche, uno degli ostacoli principali è rappresentato dalle barriere energetiche che rendono molte trasformazioni cineticamente sfavorite. Qui entra in gioco l’effetto tunnel: permette a una particella (come un protone o un elettrone) di attraversare una barriera, anche quando non ha l’energia classica per farlo.
Sebbene in chimica questo sia noto da tempo, la novità è considerare il tunnel non come eccezione, ma come strategia sistemica.
Se l’ambiente prebiotico fosse stato strutturato in modo tale da facilitare queste dinamiche, ad esempio attraverso superfici minerali, interfacce idrofobiche, fluttuazioni locali di potenziale, allora il tunnel avrebbe potuto contribuire alla formazione di legami chimici troppo lenti o “improbabili”, e quindi alla diversificazione strutturale delle molecole.

Anche le fluttuazioni quantistiche del vuoto, le variazioni transitorie dell’energia nello spazio-tempo vuoto (che non é sinonimo di "'gnente"), potrebbero aver giocato un ruolo, ad esempio inducendo variazioni nella polarità (carica elettrica) locale di un ambiente acquoso, influenzando la geometria molecolare di aggregati primordiali.

Insomma, la vita potrebbe aver trovato, per evoluzione, modi per sfruttare la fisica quantistica nei propri processi chiave.

Un passo ulteriore (e più speculativo) è ipotizzare una “selezione quantistica” precedente alla selezione darwiniana
Se uno stesso precursore chimico può esistere in stati sovrapposti, e se l’ambiente in cui si trova induce il collasso preferenzialmente in uno di essi (per es. quello più stabile o cataliticamente attivo), allora l’ambiente esercita una forma primitiva di selezione , non su organismi, ma su possibilità quantistiche.

Il collasso della funzione d'onda probabilistica é conseguenza di un’interazione sistemica con l’ambiente, che stabilizza alcune strutture e ne dissolve altre. Questo schema potrebbe spiegare:
-) l’emergere spontaneo di strutture autocatalitiche;
-) la formazione preferenziale di chiralità molecolare (destra vs sinistra), ancora oggi misteriosa nella biochimica;
-) l’auto-organizzazione coerente di insiemi molecolari instabili.
Detto in breve, la vita potrebbe essere il risultato non solo di una selezione tra entità già formate, ma di un processo quantistico di “amplificazione del possibile” fino alla stabilizzazione nell’effettivo.

Una volta che un sistema quantistico si sia “fissato” in una configurazione chimica relativamente stabile, ad esempio, una molecola autoreplicante rudimentale , comincia il processo di codifica: memorizzazione e trasmissione dell’informazione.
L’RNA, ad esempio, non solo catalizza reazioni, ma porta con sé un contenuto informativo.
E' il passaggio chiave: l’indeterminato si fa codice. La fluttuazione (collassata) diventa memoria. È questo, forse, il momento in cui la vita propriamente detta potrebbe emergere, non come miracolo biochimico, ma come organizzazione dell’indeterminato attraverso strutture capaci di auto-referenza.

L’ipotesi che la vita derivi dalla capacità della materia di organizzarsi sfruttando l’indeterminazione quantistica ci offre una visione alternativa rispetto ai modelli classici.
Invece di cercare solo reazioni favorevoli e condizioni eccezionali, possiamo chiederci in quali condizioni la materia tende spontaneamente ad amplificare fluttuazioni quantistiche fino alla soglia della replicazione.
In questa prospettiva, la vita non appare più come un evento fortuito e rarissimo, ma come esito emergente da indeterminazione, dove le dinamiche quantistiche non sono superate, ma incanalate.
Potremmo allora dire che la vita non nasce malgrado l'incertezza quantistica, ma grazie ad essa.

Ripeto (a me stesso, innanzitutto) che si tratta ancora e sempre di ipotesi. Non falsificate.

Ma è interessante notare che nessun processo biologico fondamentale è incompatibile con la meccanica quantistica: anzi, molti sembrano proprio sfidare i limiti della biochimica classica. Il che non vuol dire che "la vita è quantistica" nel senso mistico del termine. Ma più semplicemente che la vita ha trovato, per evoluzione, modi per sfruttare la fisica quantistica nei propri processi chiave.

È fondamentale riconoscere che molte di queste idee sono ancora altamente speculative. I principali punti deboli sono:
-) Scarsità di prove sperimentali su scala pre-biotica
-) Difficoltà tecniche nel modellare sistemi biologici complessi in termini quantistici
-) Ambiguità terminologica (non è sempre chiaro cosa si intenda per “effetto quantistico” in contesti biologici)
Inoltre, il pericolo di sovrainterpretazione è sempre in agguato. L’entusiasmo per il “quantico” può facilmente degenerare in una narrativa mistica o pseudo-scientifica, soprattutto quando si tenta di applicare questi concetti alla coscienza, alla volontà, o alla teleologia.

Allora: la biologia quantistica è una "biomagia"? Dipende da cosa intendiamo con magia. Se con magia si intende un effetto miracoloso, contrario alle leggi della natura, no. . Ma se con magia si intende la capacità di stupire, allora sì, un po' di magia resta. Ma è una magia matematica, che si lascia calcolare, testare, riprodurre.
In definitiva, il fascino, la magia della biologia quantistica sta nel mostrare che la vita non è un'eccezione miracolosa e sovrannaturale alle leggi della fisica, ma una loro sofisticatissima espressione.


La domanda “la biologia/biomagia quantistica può spiegare l’origine della vita?” non ha al momento una risposta definitiva. Ma ciò che emerge da questa esplorazione è una nuova sensibilità scientifica: la vita potrebbe non essere un semplice prodotto della chimica organica, ma una forma emergente di ordine quantistico coerente.

In ultima e definitiva analisi, la conclusione sintetica :
vassapé

[Vega]

Vassapé...però è anche vero che, sempre da studi ed esperimenti, le molecole organiche si formano spontaneamente in certe condizioni, vedi appunto le bocche idrotermali, durante le eruzioni vulcaniche e l'atmosfera, es. gli amminoacidi.
Anche da precursori, in modo spontaneo, possono generarsi le basi dell'RNA. Non dimentichiamo le vesciole, che possono formarsi nell'acqua quando si trovano lipidi o altre molecole con una testa idrofila e una idrofoba che si uniscono formando un involucro ed in cui possono rimanere inglobate altre molecole.
Le molecole organiche così come anche l'RNA o gli amminoacidi, possono attaccarsi alla superficie di minerali argillosi, come la montmorillonite, ed essere più stabili creando un substrato in cui le molecole o le vescicole si organizzano in maniera migliore o possono reagire fra sè.