Stefano Rizzato, TuttoScienze, La Stampa 15/1/2014, 15 gennaio 2014
STUDIA LE FOGLIE SCOPRIRAI LA FISICA DEI QUANTI
In ogni foglia si nasconde un universo, quello della fisica quantistica. È lei a governare la fotosintesi, il meccanismo più basilare e prezioso per la vita delle piante e dell’intero Pianeta.
Impossibile spiegare il miracolo della luce del sole che diventa energia, se ci si affida unicamente ai principi della fisica classica. Bisogna arrivare a scomodare onde e macromolecole, vibrazioni e oscillazioni degli atomi. E l’aspetto fondamentale è che questa realtà parallela non procede in modo continuo e caotico, ma «a pacchetti» ordinati, attraverso movimenti microscopici e sincronizzati alla perfezione.
Da tempo gli esperti ipotizzavano un meccanismo simile. Ora è arrivata anche la conferma sperimentale, per merito dei ricercatori dello University College di Londra e di un loro studio, appena pubblicato su «Nature Communications». Secondo quanto è stato osservato dagli scienziati britannici, la chiave di tutto il meccanismo è nel comportamento dei cosiddetti «cromofori», le molecole che assorbono alcune lunghezze d’onda della luce solare per poi trasportarla nei punti focali della fotosintesi e quindi trasformarla in energia. Un processo che avviene grazie a una catena di trasferimento da una molecola all’altra e in modo incredibilmente efficiente.
Studiato con i modelli quantistici, il viaggio dell’energia, di particella in particella, ha rivelato un comportamento affascinante: per permetterne il passaggio, infatti, gli atomi interessati dal processo vibrano in modo impercettibile e regolare. È qui l’aspetto più importante della ricerca inglese, che ha dimostrato come queste vibrazioni siano impossibili da descrivere con la fisica classica. Seguono infatti le leggi quantistiche e procedono non in modo continuo, ma per regolari e piccoli sprazzi d’energia, tutti della stessa quantità e con la stessa frequenza.
Per spiegare meglio il concetto, si può pensare a un orologio a lancette, che avanza - senza mai fermarsi - di secondo in secondo. Mai per frazioni di secondo o due secondi alla volta oppure rallentando il suo immutabile ritmo. Questa perfezione e precisione svizzera sarebbero il grande segreto della fotosintesi, l’elemento che rende la conversione da luce a energia incredibilmente efficiente e migliore di qualsiasi sistema umano. «È proprio questo comportamento non-classico a migliorare l’efficacia del trasferimento energetico», conferma Alexandra Olaya-Castro, tra gli autori della ricerca londinese.
«Quello dei colleghi inglesi è un lavoro teorico, ma va nella stessa direzione di altri studi sperimentali in materia - spiega Giulio Cerullo, professore del Politecnico di Milano e ricercatore all’Istituto di fotonica e nanotecnologie del Cnr -. L’aspetto quantistico di un processo come la fotosintesi è molto delicato: implica una coerenza nel comportamento delle molecole che è molto facile da rompere. Di fatto la natura ingegnerizza tutto questo processo e, in questo modo, lo protegge».
Le applicazioni pratiche degli studi in questo settore d’avanguardia si trasformano così in una gigantesca sfida: quella di replicare una simile perfezione e riuscire a utilizzarla per i nostri scopi (prima di tutto energetici). Sarebbe ideale in molti settori, soprattutto in quello dei pannelli solari, il sistema artificiale che più si avvicina - almeno nelle intenzioni - alla fotosintesi. «È un aspetto su cui il Cnr è al lavoro insieme con un team di ricercatori tedeschi - rivela Cerullo -. Specialmente per quanto riguarda i meccanismi cosiddetti di “light harvesting”, vale a dire di raccolta di energia a partire dalla luce, la natura funziona da ispiratrice e fornisce delle linee-guida per provare a costruire processi biomimetici, che replicano, appunto, quelli osservabili nelle piante. Ci stiamo provando - continua - con una serie di esperimenti realizzati con impulsi di luce di durata molto breve, che in qualche modo imitano l’effetto quantistico studiato a Londra. Si potrebbero applicare tanto al fotovoltaico - che produce energia elettrica a partire dalla luce - quanto alla fotosintesi artificiale, che genera invece energia chimica».
Ma, nonostante i progressi tecnologici e le nuove scoperte, finora il miracolo della vita delle piante è risultato impossibile da riprodurre per intero. «La fotosintesi “vera” - aggiunge lo studioso - possiede caratteristiche del tutto uniche: sia sul piano dell’efficienza sia per la capacità che ha la natura di proteggere questo delicatissimo sistema dalla forza della luce stessa. Una lezione che ci conferma che spesso è difficile fare meglio della natura e che “avvicinarsi” sarebbe già un ottimo risultato».