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L'entanglement quantistico tiene insieme il DNA, dicono i fisici
C'è stato un tempo, non molto tempo fa, in cui i biologi hanno giurato nero su bianco che la meccanica quantistica non poteva svolgere alcun ruolo nei sistemi vitali caldi e umidi.
Da allora, la disciplina della biologia quantistica è emersa come uno dei nuovi campi più interessanti della scienza. Comincia a sembrare che gli effetti quantistici siano cruciali in una serie di processi biologici, come la fotosintesi e la navigazione aviaria, che abbiamo esaminato qui e qui .
Ora un gruppo di fisici afferma che le strane leggi della meccanica quantistica potrebbero essere più importanti per la vita di quanto i biologi avrebbero mai potuto immaginare. La loro nuova idea è che il DNA sia tenuto insieme dall'entanglement quantistico.
Vale la pena distinguerlo in modo più dettagliato. L'entanglement è lo strano processo quantistico in cui una singola funzione d'onda descrive due oggetti separati. Quando ciò accade, questi oggetti condividono effettivamente la stessa esistenza, non importa quanto distanti possano essere.
La domanda che Elisabeth Rieper della National University of Singapore e un paio di amici hanno posto è quale ruolo potrebbe svolgere l'entanglement nel DNA. Per scoprirlo, hanno costruito un modello teorico semplificato di DNA in cui ogni nucleotide è costituito da una nuvola di elettroni attorno a un nucleo positivo centrale. Questa nuvola negativa può muoversi rispetto al nucleo, creando un dipolo. E il movimento della nuvola avanti e indietro è un oscillatore armonico.
Quando i nucleotidi si legano per formare una base, queste nuvole devono oscillare in direzioni opposte per garantire la stabilità della struttura.
Rieper e compagni si chiedono cosa succede a queste oscillazioni, o fononi come li chiamano i fisici, quando le coppie di basi sono impilate in una doppia elica.
I fononi sono oggetti quantistici, nel senso che possono esistere in una sovrapposizione di stati e diventare entangled, proprio come altri oggetti quantistici.
Per cominciare, Rieper e compagni immaginano l'elica senza alcun effetto dal calore esterno. Chiaramente la catena di oscillatori armonici accoppiati è impigliata a temperatura zero, dicono. Quindi continuano a mostrare che l'entanglement può esistere anche a temperatura ambiente.
Ciò è possibile perché i fononi hanno una lunghezza d'onda di dimensioni simili a un'elica del DNA e questo consente la formazione di onde stazionarie, un fenomeno noto come intrappolamento dei fononi. Quando ciò accade, i fononi non possono facilmente sfuggire. È noto che un tipo simile di intrappolamento fononico causa problemi in strutture di silicio della stessa dimensione.
Sarebbe di scarsa importanza se non avesse alcun effetto complessivo sull'elica. Ma il modello sviluppato da Rieper e co suggerisce che l'effetto è profondo.
Sebbene ogni nucleotide in una coppia di basi oscilli in direzioni opposte, ciò avviene come sovrapposizione di stati, in modo che il movimento complessivo dell'elica sia zero. In un modello puramente classico, tuttavia, ciò non può accadere, nel qual caso l'elica vibrerebbe e si scosserebbe da sé.
Quindi, in questo senso, questi effetti quantistici sono responsabili di tenere insieme il DNA.
La domanda ovviamente è come dimostrarlo. Dicono che una linea di prova è che un'analisi puramente classica dell'energia richiesta per tenere insieme il DNA non torna. Tuttavia, il loro modello quantistico colma il divario. È interessante, ma dovranno inventare qualcosa di convincente sperimentalmente per persuadere i biologi di queste idee.
Un suggerimento allettante alla fine del loro articolo è che l'entanglement potrebbe avere un'influenza sul modo in cui le informazioni vengono lette da un filamento di DNA e che potrebbe essere possibile sfruttarlo sperimentalmente. Proprio come, non lo dicono.
Lavoro speculativo ma potenzialmente esplosivo.
Rif: arxiv.org/abs/1006.4053 : L'importanza dell'entanglement variabile continuo nel DNA