Nella fotosintesi clorofilliana fisica quantistica e biologia si intrecciano indissolubilmente

La fotosintesi clorofilliana, il processo biochimico cruciale che alimenta la vita sulla Terra da miliardi di anni, è ora al centro di una scoperta rivoluzionaria. Un recente studio condotto da un team di scienziati dell’Università della California – Berkeley ha rivelato che la fotosintesi può essere avviata dall’energia di un singolo fotone di luce visibile. Questa scoperta apre nuove strade nella comprensione dei meccanismi fondamentali della fotosintesi e dell’interazione tra fisica quantistica e biologia.

La Fotosintesi: un processo essenziale

La fotosintesi clorofilliana è un processo mediante il quale piante, alghe e alcuni batteri trasformano l’energia solare in energia chimica, immagazzinata in molecole organiche come il glucosio. La reazione complessiva può essere rappresentata come segue:

Questo processo, fondamentale per la vita sulla Terra, coinvolge una serie di reazioni di ossido-riduzione che permettono ai fotoautotrofi di utilizzare l’energia della luce solare.

L’Energia minima necessaria: un singolo fotone

La domanda su quale sia la quantità minima di energia richiesta per avviare la fotosintesi ha affascinato gli scienziati per anni. La ricerca pubblicata recentemente su Nature da un team del Lawrence Berkeley National Laboratory suggerisce che l’energia di un singolo fotone di luce visibile sia sufficiente per innescare il processo fotosintetico.

Un esperimento rivoluzionario

Per dimostrare questa ipotesi, i ricercatori hanno utilizzato una tecnica avanzata di ottica quantistica chiamata “conversione parametrica spontanea”, che genera coppie di fotoni entangled. Hanno impiegato molecole fotosensibili di Lh2, uno dei complessi proteici che formano l’apparato di raccolta della luce nei batteri viola, noti per la loro fotosintesi clorofilliana anossigenica.

La prova definitiva

Durante l’esperimento, la coppia di fotoni generati (fotone annunciatore e fotone annunciato) è stata diretta verso il campione. L’osservazione del fotone annunciatore confermava che il fotone annunciato era in viaggio verso il campione. Un altro rivelatore vicino al campione ha misurato il fotone a bassa energia emesso dal complesso Lh2 dopo l’assorbimento, confermando così l’attivazione della molecola.

Per assicurarsi che le osservazioni fossero attribuibili all’assorbimento di un singolo fotone, i ricercatori hanno analizzato oltre 17 miliardi di eventi di rivelamento di fotoni annunciatori e più di 1.5 milioni di eventi di rivelamento di fotoni fluorescenti.

Implicazioni 

Questa ricerca non solo consolida la nostra comprensione del processo fotosintetico, ma apre anche nuovi orizzonti nella fisica e nella biologia. «Questo lavoro ha dimostrato che si possono effettivamente fare molti esperimenti con i singoli fotoni», afferma Birgitta Whaley, co-autrice dello studio. Il prossimo obiettivo del team è studiare il trasferimento di energia dai singoli fotoni lungo il complesso fotosintetico alle scale temporali e spaziali più brevi possibili.

La scoperta che la fotosintesi può essere innescata dall’energia di un singolo fotone rappresenta un significativo passo avanti nella nostra comprensione della vita a livello molecolare. Essa sottolinea l’importanza delle interazioni quantistiche nei processi biologici, aprendo la strada a nuove ricerche e applicazioni che potrebbero rivoluzionare il nostro approccio alla biologia e alla fisica quantistica.