Scienziati tedeschi e israeliani indagano il ruolo degli effetti di spin quantistico nel trasferimento di energia

I fenomeni legati alla fisica quantistica non sono limitati ai laboratori di particelle, ma si manifestano con vigore nei processi biologici essenziali, in particolare quelli che riguardano l'assorbimento della radiazione luminosa e la successiva trasmissione di energia. Attraverso un ambizioso progetto di ricerca interdisciplinare, un team di esperti provenienti dall'Università di Münster, dall'Università di Ulm e dall'Università Ebraica di Gerusalemme ha unito le proprie competenze per analizzare come tali effetti quantistici regolino il flusso degli elettroni all'interno degli organismi viventi. Questa iniziativa scientifica, denominata «Effetti di spin quantistico alla base dei bioprocessi energetici», ha ottenuto un prestigioso finanziamento dalla Fondazione Volkswagen, superando la soglia dei due milioni di euro nell'ambito del programma «NEXT — Biologia Quantistica».

Secondo quanto dichiarato dal professor Martin Plenio, le dinamiche biologiche di base, tra cui spicca la fotosintesi clorofilliana, si sviluppano a ritmi talmente elevati da risultare inspiegabili attraverso le sole leggi della fisica classica. L'obiettivo primario di questo consorzio internazionale di scienziati è quello di determinare con precisione millimetrica in che modo la meccanica quantistica intervenga per ottimizzare e velocizzare tali funzioni vitali. Al centro di questa indagine si trova lo spin dell'elettrone, ovvero il suo momento angolare intrinseco; questa proprietà genera un momento magnetico che agisce come un catalizzatore, influenzando direttamente la rapidità con cui l'elettrone si muove attraverso le strutture biologiche.

La forza delle interazioni magnetiche è strettamente legata alla configurazione geometrica delle biomolecole, con un'attenzione particolare alla loro chiralità, termine che indica la mancanza di simmetria speculare, spesso definita come «manualità». In questo contesto, le molecole chirali agiscono come veri e propri filtri selettivi per lo spin, permettendo agli elettroni di transitare con maggiore o minore facilità a seconda della loro orientazione magnetica. Questo fenomeno, identificato come selettività dello spin indotta dalla chiralità (CISS), crea una connessione intrinseca tra la simmetria molecolare e le proprietà quantistiche delle particelle, offrendo nuove chiavi di lettura sulla natura omochirale che caratterizza tutte le forme di vita conosciute.

Gli studi precedenti sull'effetto CISS hanno già aperto la strada ad applicazioni innovative nel campo della spintronica e hanno fornito strumenti per decifrare i meccanismi di selezione dello spin nei sistemi biologici. In particolare, i ricercatori dell'Università Ebraica di Gerusalemme hanno dimostrato che lo spin elettronico gioca un ruolo determinante nel trasferimento dei protoni all'interno di mezzi chirali. Tale processo è mediato dall'eccitazione di fononi chirali, ovvero vibrazioni atomiche che accelerano il transito dei protoni, elementi cardine per la bioenergetica a livello cellulare. Grazie a queste evidenze, il trasporto protonico non viene più considerato un semplice evento chimico, ma viene elevato al rango di processo quantistico fondamentale.

Questa nuova prospettiva scientifica promette di rivoluzionare la nostra comprensione dei meccanismi molecolari che sostengono la vita sulla Terra. Integrando la fisica dello stato solido con la biologia molecolare, il progetto mira a svelare come la natura abbia evoluto soluzioni quantistiche incredibilmente efficienti nel corso di milioni di anni di evoluzione. I risultati attesi da questa collaborazione tra Germania e Israele non solo approfondiranno la conoscenza teorica, ma potrebbero anche ispirare lo sviluppo di nuove tecnologie bio-ispirate nel settore delle energie rinnovabili e della sensoristica avanzata, consolidando il ruolo della biologia quantistica come frontiera d'avanguardia della scienza moderna.