Fotosintesi delle piante, rumore quantistico svolge ruolo. Possibili applicazioni ‘verdi’

Le piante sfruttano la meccanica quantistica per raccogliere la luce del sole con un’efficienza che rasenta la perfezione, anche se in fondo riescono a catturare solo il 2% della luce solare immagazzinandola come energia di legami chimici. Tuttavia, questo è molto di più di quanto riesce a fare l’attuale tecnologia umana, e i ricercatori vogliono carpire i segreti della natura per migliorare le tecniche note.

Le piante fanno affidamento sui cromofori, molecole che assorbono alcune lunghezze d’onda della luce visibile per raccogliere l’energia dal sole. Quando la luce solare colpisce una pianta, gli elettroni esterni dei cromofori assorbono energia dai fotoni in arrivo e poi li trasferiscono dalla molecola ad un’altra a uno stato di energia più basso. Tale trasferimento si ripete attraverso una catena di molecole, un trasferimento di energia a cascata che separa infine un elettrone dall’ultimo cromoforo della catena, che fornisce energia immagazzinata dalla pianta sottoforma di un carboidrato (una molecola di zucchero ad alta energia di legame).

In questo modo i cromofori svolgono tre funzioni: assorbono l’energia dalla luce solare(accettori), donano l’energia assorbita, e trasferiscono l’energia ad un’altra molecola (ponti). Utilizzando i dati di altri ricercatori sull’intensità dei fotoni assorbiti ed emessi da cromofori, il chimico Jianshu Cao e suoi colleghi del Massachusetts Institute of Technology hanno sviluppato un modello computerizzato per arrivare al rapporto di accettori, donatori e ponti che ottimizza l’efficienza della fotosintesi.

Il risultato? C’è un rapporto ottimale di 10 donatori per ogni accettore al fine di trasferire in modo efficiente l’energia in un sistema naturale di fotosintesi con solo queste due funzioni svolte dal cromoforo. L’aggiunta di ponti ad una disposizione di donatori e accettori aumenta ulteriormente l’efficienza del trasferimento di energia, dice Cao.

In precedenza alcune ricerche hanno trovato che a fotosintesi si avvale di un effetto noto come coerenza quantistica. In uno studio di ricercatori ha rilevato che l’energia assorbita da un cromoforo viaggia attraverso reti multiple nello stesso momento in modo tale da prendere il percorso più rapido. Altre ricerche hanno osservato che il “rumore” (fluttuazioni casuali a livello quantistico), aiuta l’energia a passare dai cromofori ai centri di reazione della fotosintesi.

Partendo da questo lavoro il gruppo di ricerca ha modellato un sistema di raccolta della luce nei batteri e ha scoperto che la fotosintesi è più efficace quando vi è un livello intermedio di rumore nel sistema. “In condizioni sperimentali si cerca sempre di ridurre il rumore,” Cao dice, “ma in un sistema basato sulla meccanica quantistica, in realtà abbiamo scoperto che il rumore è essenziale al funzionamento.”

Ora gli scienziati stanno studiando come funziona la fotosinstesi per ottimizzare, copiando dalla natura, l’energia prodotta dalle celle solari o da foglie artificiali che produrranno elettricità direttamente dal Sole.