Come la fisica quantistica sta per rivoluzionare la biochimica

Una delle strane conseguenze della meccanica quantistica è il fenomeno dell'indistinguibilità: due particelle quantistiche possono essere impossibili da distinguere, anche in linea di principio. Ciò accade, in parte, perché è impossibile determinare la posizione precisa delle particelle quantistiche. Quindi, quando due particelle interagiscono nella stessa posizione, non c'è modo di sapere quale sia quale.

Ciò dà origine a comportamenti esotici, in particolare alle basse temperature quando un gran numero di particelle può comportarsi allo stesso modo. L'indistinguibilità dei fotoni rende possibili i laser, l'indistinguibilità dei nuclei di elio-4 a bassa temperatura porta alla superfluidità e l'indistinguibilità di altri nuclei come il rubidio porta ai condensati di Bose-Einstein. L'indistinguibilità è ricca di fenomeni misteriosi.

Ma alcune particelle quantistiche non sono indistinguibili in questo modo. Agli elettroni, ad esempio, è vietato condividere lo stesso stato da una legge nota come principio di esclusione di Pauli. E questo porta a un diverso tipo di fisica. L'interazione tra gli elettroni, regolata da questo principio di esclusione di Pauli, è chiamata chimica ed è ugualmente ricca di comportamenti esotici.

I mondi della chimica e dell'indistinguibile fisica sono stati a lungo considerati completamente separati. L'indistinguibilità si verifica generalmente a basse temperature mentre la chimica richiede temperature relativamente elevate in cui gli oggetti tendono a perdere le loro proprietà quantistiche. Di conseguenza, i chimici si sono sentiti a lungo fiduciosi nell'ignorare gli effetti dell'indistinguibilità quantistica.

Oggi, Matthew Fisher e Leo Radzihovsky dell'Università della California, a Santa Barbara, affermano che questa fiducia è fuori luogo. Mostrano per la prima volta che l'indistinguibilità quantistica deve svolgere un ruolo significativo in alcuni processi chimici anche a temperature normali. E dicono che questa influenza porta a un fenomeno chimico completamente nuovo, come la separazione degli isotopi, e potrebbe anche spiegare un fenomeno precedentemente misterioso come la maggiore attività chimica delle specie reattive dell'ossigeno.

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In breve, Fisher e Radzihovsky stanno ribaltando la chimica.

La domanda chiave alla base di questo nuovo pensiero è se le proprietà quantistiche possono davvero essere ignorate nella maggior parte delle reazioni chimiche. Fisher e Radzihovsky affermano che mentre può essere generalmente vero che le proprietà quantistiche si perdono alle alte temperature, alcuni fenomeni quantistici persistono.

Indicano in particolare la coerenza quantistica dei nuclei atomici. I fisici sanno da tempo che gli spin dei nuclei possono rimanere coerenti su scale temporali di minuti o ore. In effetti, sfruttano questo fenomeno in un'ampia gamma di esperimenti di calcolo quantistico che si basano sugli spin nucleari per memorizzare informazioni quantistiche.

È facile pensare che gli spin nucleari non abbiano effetti significativi sul modo in cui gli elettroni interagiscono tra loro nelle reazioni chimiche.

Ma non è così, dicono Fisher e Radzihovsky. Gli spin nucleari possono facilmente accoppiarsi ad altri stati fisici, come il modo in cui una molecola vibra. Quando ciò accade, le proprietà di indistinguibilità che sono normalmente limitate ai nuclei fuoriescono e influenzano la molecola nel suo insieme.

Fisher e Radzihovsky affermano che questo ha un effetto particolarmente forte sulle piccole molecole simmetriche, come l'acqua o l'idrogeno. Il motivo è che quando gli spin di due nuclei interagiscono, la simmetria impone che possano assumere determinate configurazioni ma non altre.

Quando quella simmetria si diffonde nel mondo chimico, significa che la molecola può interagire solo in situazioni con simmetria di spin simile.

Ad esempio, una molecola di idrogeno o acqua contiene due nuclei di idrogeno che possono ruotare nella stessa direzione, nel qual caso la molecola è nota come orto-acqua, o in direzioni opposte, nel qual caso la molecola è nota come para-acqua. Queste diverse disposizioni della stessa molecola sono note come spin-isomeri.

Ciò ha implicazioni per il modo in cui le molecole interagiscono tra loro. In molte reazioni chimiche, il modo in cui le molecole si agganciano è importante. Se le molecole non possono combaciare come una chiave in una serratura, la reazione non può avvenire.

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Fisher e Radzihovsky mostrano che l'indistinguibilità quantistica influenza il modo in cui le molecole si incastrano perché impedisce interazioni che non corrispondono alla simmetria dei nuclei.

I ricercatori continuano a dimostrare che questo effetto fa sì che le molecole para siano significativamente più reattive delle molecole orto, perché la loro simmetria corrisponde a quella di una gamma più ampia di altre molecole.

Un'area in cui questo può svolgere un ruolo importante è nella catalisi enzimatica. Molti enzimi si affidano all'idrogeno per fare il loro lavoro. Ora Fisher e Radzihovsky mostrano che l'indistinguibilità quantistica deve avere un'influenza significativa su questo processo.

Testare questa previsione sarà complicato. Il modo più ovvio è misurare il risultato della stessa reazione eseguita con versioni orto e para delle molecole. È piu facile a dirsi che a farsi. Le versioni orto e para della stessa molecola sono difficili da separare. I chimici lo hanno ottenuto per l'acqua per la prima volta solo nel 2014.

Il comportamento chimico dell'acqua e dell'idrogeno è solo l'inizio. Fisher e Radzihovsky forniscono numerosi esempi di altri processi chimici che dovrebbero anche essere influenzati dall'indistinguibilità quantistica. Questi includono il frazionamento isotopico per il quale l'indistinguibilità quantistica fornisce un nuovo meccanismo, il fenomeno spiega anche l'attività chimica potenziata delle specie reattive dell'ossigeno e fornisce un modo per gli spin dei nuclei di influenzare le molecole biochimiche in generale.

C'è una ricca miniera di comportamenti esotici da studiare qui. Testare queste idee sarà difficile, ma le ricompense, una migliore comprensione di alcuni dei fenomeni biologici più sottili e importanti della chimica, forniranno una motivazione sostanziale. Aspettati di sentire di più.

Rif: arxiv.org/abs/1707.05320 : Indistinguibilità quantistica nelle reazioni chimiche

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