La meccanica quantistica spiega come i muscoli producono forza

Non molto tempo fa i biologi giuravano alla cieca che la loro disciplina non sarebbe mai stata contaminata dagli strani effetti della meccanica quantistica. Oggi, la biologia quantistica è una disciplina emergente in molti laboratori in tutto il mondo e solo i coraggiosi (o gli stupidi) ora discutono contro l'idea che gli effetti quantistici giochino un ruolo importante nel funzionamento delle molecole biologiche, di intere cellule e persino del cervello.

Oggi, aggiungi muscoli a questa lista. Tieyan Si dell'Istituto Max Planck per i sistemi complessi di Dresda, in Germania, ha creato un modello quantistico del comportamento muscolare. La sua idea è che la miosina, il motore molecolare responsabile della contrazione muscolare, sia essenzialmente un oggetto quantistico e che il suo comportamento sia meglio descritto dalla meccanica quantistica.

La parte commerciale della fibra muscolare è costituita dall'actina, che può essere pensata come una corda, e dalla miosina, che è un motore molecolare che funziona piuttosto come una squadra di tiro alla fune. La stimolazione elettrica mette in azione le squadre di tiro alla fune, tirando freneticamente le loro corde e facendo contrarre il muscolo. La forza effettiva che un muscolo produce è il risultato di molti motori della miosina che tirano e si rilassano, anche se non necessariamente in concerto.

La sfida per i teorici è capire come questi motori molecolari generano le curve di forza e rilassamento che si verificano nel muscolo reale. Questi sono ben studiati in sistemi diversi come il muscolo cardiaco dei mammiferi e le ali degli insetti e i biomeccanici sanno da tempo che diversi tipi di muscoli e azioni muscolari producono diverse curve di forza. Ad esempio, le contrazioni che vengono rilasciate rapidamente hanno una firma di forza diversa rispetto a quelle rilasciate lentamente. Spiegarlo con un'unica teoria classica non è facile.

L'approccio di Si consiste semplicemente nell'assumere che ogni motore della miosina sia un oggetto quantistico che può formare due forme e che il passaggio tra queste forme provoca una contrazione. In altre parole, ha due stati. (Egli esamina anche un sistema in cui la miosina ha tre stati.) La miosina passa a uno stato assorbendo energia e si rilassa emettendola e l'effetto combinato di tutte le commutazioni determina il comportamento della fibra.

Una fibra muscolare, quindi, è semplicemente una catena di questi oggetti quantistici, per i quali è possibile derivare un oggetto matematico noto come hamiltoniana che ne descrive il comportamento. La domanda che Si affronta è che tipo di curve di rilassamento della forza porta questa hamiltoniana.

La sua risposta è che questo sistema quantistico hamiltoniano ci fornisce la classica relazione forza-velocità non solo per un rilascio rapido ma anche per un rilascio lento e stati instabili.

Dimostra che il sistema a due livelli modella accuratamente il comportamento del muscolo cardiaco mentre lo stato a tre livelli spiega il comportamento del muscolo del volo degli insetti.

Ciò che Si non fa è spiegare chiaramente i difetti dei modelli convenzionali di comportamento muscolare e perché l'approccio quantistico è migliore. Né Si fa previsioni sul comportamento del muscolo che i modelli classici non possono spiegare.

Tuttavia, questo è un primo passo impressionante nella descrizione quantistica del comportamento muscolare. E come sottolinea Si, c'è molto altro lavoro da fare per comprendere l'interfaccia tra la catena quantistica e i segnali che li attivano, come i segnali elettrici lungo i nervi e il flusso di ioni attraverso le membrane che questo innesca.

Rif: arxiv.org/abs/1004.3120 : Una catena dimensionale di motori molecolari quantistici coerenti come modello per la fibra muscolare

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