I meccanismi quantistici della fotosintesi, nuovo rompicapo evoluzionista

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Uno studio rivela un’ottimizzazione della fotosintesi a livello quantistico.

 

Ma il meccanismo per caso e selezione non ottimizza.

 

Quantum Coherent Energy Transfer over Varying Pathways in Single Light-Harvesting Complexes” è il titolo con il quale è stato pubblicato un articolo su Science il 21 giugno scorso. Si tratta di uno studio che ha rivelato meccanismi sinora inimmaginabili nella fotosintesi:

I nostri dati suggeriscono che una longeva coerenza quantistica rende robusti i sistemi fotosintetici in presenza di disordine, che è un prerequisito per un efficace raccolta della luce.

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Che qualcosa di estremamente efficiente accadesse nella fotosintesi era immaginabile a partire dalla constatazione dell’incredibile rendimento energetico del processo fotosintetico rispetto a quello ottenuto con i più moderni pannelli fotovoltaici, come riportato su Le Scienze online in un articolo intitolato “I segreti quantistici della fotosintesi” che fa riferimento allo stesso studio:

 Per la prima volta sono stati osservati nel dettaglio i processi fotochimici che permettono alla fotosintesi di convertire l’energia in modo altamente efficiente – pari a circa il 95 per cento contro il 20 per cento circa delle attuali celle fotovoltaiche…

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L’elevatissima efficienza è dovuta a meccanismi che evitano il verificarsi di fenomeni di decoerenza quantistica che farebbero perdere energia al sistema, come ha spiegato il coordinatore dello studio Niek van Hulst, sempre su Le Scienze:

“Questi risultati – ha detto Niek van Hulst, che ha coordinato lo studio – dimostrano che la coerenza, il fenomeno quantistico di sovrapposizione di stati, è responsabile del mantenimento degli elevati livelli di efficienza del trasporto energetico nei sistemi biologici, anche quando adattano i percorsi del trasporto dell’energia sotto l’influsso di fattori ambientali.”

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Non sappiamo se questo sistema sia il migliore pensabile, ma un’efficienza del 95% (contro il 20% reso possibile dalla pur elevata tecnologia attuale) rappresenta indubbiamente un altissimo livello di ottimizzazione del processo fotosintetico. Ma come fatto notare da J. Fodor e M.P. Palmarini, i meccanismi neodarwiniani non sono tali da portare all’ottimizzazione dei sistemi.

Infatti, nel loro noto lavoro  “Gli errori di Darwin”, i due autori riportano l’esempio del sistema nervoso di un macaco e di un nematode. Al riguardo fanno notare che le connessioni nel macaco sono progettate “meglio dei migliori microchip industriali” (pag.98), infatti meno di una configurazione su un milione si conforma meglio di quella del macaco, e nel caso del nematode gli 11 gangli hanno un’ottimizzazione delle connessioni che risulta la migliore tra le 40.000.000 di combinazioni possibili. Questo significa che i circuiti neuronali presi in esame sono “ottimizzati”, che cioè i collegamenti tra i neuroni sono i più efficienti possibili. Ma l’evoluzione che avviene secondo i principi del caso e della necessità può solo migliorare progressivamente, non ottimizzare.

Ed ecco adesso un nuovo caso di ottimizzazione, l’efficienza della fotosintesi clorofilliana con il suo 95% non lascia molto margine di miglioramento. 

E come abbia fatto il meccanismo per caso e selezione ad “indovinare” in tempi ristretti (dal punto di vista evoluzionistico) proprio quelle proteine che messe insieme compiono un lavoro coordinato a livello quantistico ovviamente non è dato saperlo.

L’unica risposta che ci è data recita “caso e pressione selettiva”, nessuna legge di natura, nessun esperimento corroborante e nessuna possibile confutazione, solamente due fattori che si potrebbero applicare a qualunque fenomeno. Ma non ne spiegano nessuno.

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About Author

Laureato in Biologia e in Farmacia, docente di scienze naturali Nel 2011 ha pubblicato "Inchiesta sul darwinismo", nel 2016 "L'ultimo uomo" e nel 2020 "Il Quarto Dominio".

28 commenti

  1. Gentile prof. Pennetta,
    questo articolo è affascinante ma mi piacerebbe capire meglio l’affermazione “Ma l’evoluzione che avviene secondo i principi del caso e della necessità può solo migliorare progressivamente, non ottimizzare.”
    Intende dire che i miglioramenti progressivi non ottimizzano “per definizione”, oppure per ragioni presentate in articoli precedenti o altro ancora? Perché intuitivamente se qualcosa viene “migliorato” viene naturale pensare che si intenda in vista di un’ottimizzazione.

    • Ciao htagliato, non ho in questo momento sotto mano il libro di M.P.Palmarini, farò quindi delle considerazioni indipendenti.
      Una prima considerazione è che se l’evoluzione è frutto di un “random walking” più selezione, una volta giunti casualmente ad un punto ad alto rendimento avremo un’altissima probabilità che ogni cambiamento allelico sia peggiorativo (la popolazione si troverebbe su picco adattativo) e quindi la selezione sarebbe quasi sempre stabilizzante.

      E inoltre potremmo aver realizzato la funzione con una tecnologia più semplice all’inizio ma non più perfezionabile. Costruire ad esempio una calcolatrice meccanica come si faceva nell’800 sarebbe più semplice per una tecnologia elementare, ma una volta realizzata saremmo in un vicolo cieco e per poterne realizzare una elettronica e dovremmo abbandonare del tutto lo strumento esistente.

      In sintesi, realizzare un dispositivo ottimizzato richiederebbe una serie di scelte iniziali che mostrerebbero la loro validità solo in un secondo momento e quindi non selezionabili col meccanismo per caso e necessità, cosa evidentemente incompatibile con la SM.

      • Giorgio Masiero on

        Proprio così, Enzo: per prove ed errori al massimo raggiungi un max locale, ma non un max globale quando questo (come succede sempre nella realtà fisica, economica, finanziaria, industriale, ecc.) è un picco isolato tra altri picchi isolati e quindi richiede una visione globale (il problema più difficile della geometria differenziale) o, addirittura, un cambio di paradigma (t. di Bayes inverso).

        • Massimo (neodarwinista) on

          @Giorgio Masiero
          Per la mia conoscenza di analisi matematica tenderei ad essere d’accordo con Lei, ma come spiega Giuseppe Fusco è la raffigurazione in un numero ridotto di dimensioni a porre vincoli inesistenti:
          http://www.moglianotv.it/component/hwdvideoshare/visualizzavideo/825/biologia–lezioni-di-vita/biologia-giuseppe-fusco-3d-parte

          @Enzo Pennetta
          “Costruire ad esempio una calcolatrice meccanica come si faceva nell’800 sarebbe più semplice per una tecnologia elementare, ma una volta realizzata saremmo in un vicolo cieco e per poterne realizzare una elettronica e dovremmo abbandonare del tutto lo strumento esistente.”
          E’ esattamente ciò che non osserviamo in natura: non ci sono per esempio vertebrati che hanno abbandonato del tutto l’organizzazione principale dei tessuti, o in generale creature che hanno abbandonato la struttura essenziale della cellula.

          Mi scuso per lo scarso livello argomentativo ma non dovrei neanche essere qua.
          A voi la parola da questi spunti, dopotutto non dovremmo considerarci antagonisti ma persone con il medesimo obiettivo, cioè la ricerca della conoscenza.

          • Massimo, per prima cosa ci tengo a dire che concordo pienamente sulle sue considerazioni finali.

            Riguardo poi al fatto che gli organismi abbiano raggiunto diverse e misurabili ottimizzazioni condividendo le strutture di base a livello cellulare e oltre, ritengo che dovrebbe essere un elemento a sfavore di un’evoluzione che sia avvenuta attraverso una serie di tentativi in ogni direzione.

            E’ come se imboccata una strada essa fosse stata quella che garantiva una serie di ottimizzazioni che sarebbero giunte dopo ma che non erano selezionabili all’inizio.

  2. Giorgio Masiero on

    La coerenza è la più grande magia della MQ, anzi della Teoria Quantistica dei Campi (TQC), di cui la MQ costituisce un’approssimazione, appena buona per atomisti senza una visione globale delle interazioni e per idealisti-convenzionalisti senza contatto con il mondo, gli uni e gli altri confondenti i propri (piccoli) modelli matematici con la “descrizione scientifica” della Realtà.
    La magia della coerenza quantistica comincia dai domini di coerenza di Sorella Acqua, la sostanza chimica più semplice (H2O) che si possa immaginare, eppure la più “necessaria” e consustanziale alla vita: dal suo grande calore specifico alla grande costante dielettrica alla temperatura di minima densità (4 °C) appena superiore a quella di fusione (0 °C), ecc. Qui, nella coerenza quantistica, sta il segreto della vita.
    Non si sa se piangere o ridere quando, per stare in Italia, biologi dell’università Insipienza o l’associazione A.S.I.N.I. degli insegnanti di scienze naturali delle scuole elementari, senza nulla sapere di TQC, annunciano che il meccanismo della vita è già stato scoperto…, ma un annuncio uguale (per valore epistemologico nullo) non l’avevano già fatto gli antichi Babilonesi ricorrendo al dio Marduk?

    • “Non si sa se piangere o ridere quando, per stare in Italia, biologi dell’università Insipienza o l’associazione A.S.I.N.I. degli insegnanti di scienze naturali delle scuole elementari, senza nulla sapere di TQC, annunciano che il meccanismo della vita è già stato scoperto…”

      Direi che si potrebbe ridere pensando a chi fa queste affermazioni e piangere pensando agli studenti a cui vengono proposte…

  3. Se posso permettermi: l’esempio della lingua del picchio è un altro tipico esempio per semplificare il concetto della improbabilità della ottimizzazione come “frutto di un random walking”.
    Osservazione corretta?

    • Il caso della lingua del picchio è uno di quelli difficili da spiegare in termini di SM.

      I casi difficili in realtà sono tanti, e allora si tira fuori la carta dell’exaptation, senza però dire a cosa servisse quell’organo prima di assolvere la nuova funzione.

      I casi che però sono misurabili in termini di ottimizzazione percentuale rispetto alla migliore in assoluto, si prestano per essere applicati al discorso proposto da P.Palmarini.

      • Ma al di là dell’aspetto “matematico”, siamo sullo stesso terreno?

        • Nel caso della lingua del picchio potremmo immaginare di progettare altri dispositivi tecnologicamente altrettanto o forse più validi, ma forse irrealizzabili in un animale, questo rende difficile parlare di “ottimizzazione”.

          Fatta questa premessa mi sentirei però di dire che sono d’accordo con te, in fondo sì, si parla dello stesso fenomeno.

  4. ma la funzione degli organi vestigiali non puo essere di semplice bellezza? capisco anche che la questione bellezza non e’ propriamente scientifica…. 🙂

    pero’ senza il cocige , reiduo di coda per molti, il fondoschiena delle donne non sarebbe cosi’ attraente!

  5. credo di aver sbagliato post!! ma non si parlava di organi vestigiali?? scusate! tengo troppe finestre di mozzilla aperte contemporaneamente….

  6. Eccoci finalmente al grande escluso delle teorie evoluzionistiche: il Regno Vegetale (se non proprio “grande escluso”, come minimo messo da parte, rispetto al po’ po’ di alberi evolutivi, complessi e rigorosi, che hanno riguardato gli esseri viventi animali, dal Protozoo alla Medusa, e così via, passando per il Polpo, il Salmone, il Tritone, la Lucertola, il Tacchino, per finire all’Uomo).
    Già, per il Regno Vegetale non sono state lasciate nella memoria collettiva serie evolutive, interminabilmente ed instancabilmente riproposte sui libri di ogni ordine e grado, che vanno dal basso vegetale prostrato al filo d’erba, al cespuglio, all’albero.
    A pensarci bene, la caratterizzazione del Regno può essere racchiusa in una sola parola: fotosintesi, quel mirabile processo che porta in continuazione alla ricostituzione dell’ossigeno, quell’ossigeno che viene in continuazione consumato dalle respirazioni di tutti gli organismi aerobi, fra i quali le stesse Piante verdi.
    E le piante verdi, organismi fotosintetici che respirano, rappresentano il classico Serpente che si morde la coda: è venuta prima la fotosintesi o è venuta prima la respirazione ? E’ venuta prima la fotosintesi, perché non ci sarebbe potuto essere, in caso contrario, l’Ossigeno in un’atmosfera impoverita dalla respirazione degli esseri viventi. Ma la respirazione deve essere apparsa contemporaneamente, dato che le Piante per vivere devono respirare.
    Ed ancora: il ciclo di reazioni alla base della fotosintesi era già lì, con tutti i suoi complessi e precisi meccanismi, i vari reagenti, i vari prodotti “di scarto” (fra cui appunto l’Ossigeno). Bastava un errore di replicazione adatto per “creare” un organulo in grado di fissare l’anidride carbonica atmosferica: quell’errore è avvenuto, ed ecco i cloroplasti, ecco la (anzi, “le”) clorofille, ecco i carotenoidi, ecco le foglie con il parenchima clorofilliano, ecco gli stomi per gli scambi gassosi, ecco i vasi.
    E con il cloroplasto (ma è solo uno fra i tanti esempi che la fotosintesi ed annessi e connessi mettono a disposizione) non si tratta di trovare delle “forme intermedie” come qualcuno ha cercato di trovare con l’occhio – a partire da un qualcosa che fosse fotosensibile -: qui ci vuole l’organo completamente formato, altrimenti la fotosintesi non è “meno efficiente”: o c’è o non c’è…
    Dopo le Piante sono venuti gli Animali, processo ovvio per il fatto che le prime producono ossigeno – che gli Animali consumano senza produrre -. Anche qui, ad essere schematici, si può dire che la grande differenza fra i due gruppi di organismi viventi è che i primi fotosintetizzano, i secondi no, perché mancano in essi le strutture in grado di farlo. In un certo senso, quindi, i secondi sono meno complessi dei primi; ma l’evoluzione non era quel processo che va dal meno complesso al più complesso ?

    • Grandissimo intervento Sandro!
      Mi fai scoprire una serie di riflessioni sull’evoluzione delle piante che non avevo mai preso in considerazione.
      Ci sono difficoltà immense da superare per dare una spiegazione in termini di SM.
      E forse è proprio per questo che i vegetali sono, come dici giustamente, i “grandi esclusi” delle teorie evoluzionistiche.

      • Grazie a te ed al tuo colossale impegno, Enzo, nel mettere a disposizione questo spazio di così alto livello e così aggiornato su tutto !

    • “Dopo le Piante sono venuti gli Animali, processo ovvio per il fatto che le prime producono ossigeno – che gli Animali consumano senza produrre -. Anche qui, ad essere schematici, si può dire che la grande differenza fra i due gruppi di organismi viventi è che i primi fotosintetizzano, i secondi no, perché mancano in essi le strutture in grado di farlo. In un certo senso, quindi, i secondi sono meno complessi dei primi; ma l’evoluzione non era quel processo che va dal meno complesso al più complesso ?”

      Vabbeh questo aspetto ,banalmente,il neodarwinismo lo vede come diversa specificità..
      le piante hanno subito un percorso che le ha portate,si è instaurata una catena alimentare,simbiosi,dipendenze da fattori etrabiologici per i vari organismi etc etc..
      Le piante sono creature ‘inanimate’ pur viventi ,quindi banalmente non sarebbe difficile neanche mostrare che ci sia stato un aumento di complessità nelle creature successive..Ma non è cosa che ha senso,e neanche occupa né preoccupa il neodarwinismo.
      Ed i problemi,impassi ed altro che crea il mondo vegetale al neodarwinismo non sono certo questi ma esistono e sono tanti come per ogni cosa che quella pseudo-teoria dovrebbe spiegare..
      In verità con questo argomento si rientra nuovamente in quell’ottica dell’irriducibile complessità o leggi preesistenti che si attuano a cui il neodarwinismo propone in alternativa quel suo processo di’pseudo-ottimizzazione’ per cui una cosa(tratto,caratteristica etc..) si forma, va a svolgere una funzione e diviene poi parte essenziale(la funzione va ad essere importante,selezionabile,vitale) del tutto aumentando complessità:
      http://www.enzopennetta.it/2013/06/tema-di-maturita-scientificast-e-pikaia-si-credono-il-minculpop/#comment-16144
      Della serie..l’occhio?la fotosintesi?l’apparato digerente?la zampa?le ali?le piume?
      O si è formato una proto-caratteristica che poi nel tempo è stata da concomitanze di fattori migliorata e resa sempre più complessa(come fosse un’evoluzione di un computer)oppure unitamente a questo processo si è formata una caratteristica che agli albori non svolgeva precisamente la funzione che l’organo,l’apparato,il tratto che sarebbe evoluto da quella oggi svolge,ma un’altra funzione per così dire inizialmente accessoria pur utile e trasmissibile che potrebbe esser divenuta più ‘vitale’ per l’organismo e la sua fitness così come essere subentrata ad una precedente componente divenuta obsoleta,per così dire..Questo per dirla molto brutalmente..
      Ovviamente vi fossero corroborazioni a sostegno non sarebbero favole della buona notte..

  7. Michele Forastiere on

    Le osservazioni fatte da Enzo e Giorgio, relative al raggiungimento di un massimo locale da parte di un sistema complesso, mi hanno riportato alla mente quel fondamentale lavoro del prof. Arecchi, apparso su TA qualche tempo fa:
    http://www.enzopennetta.it/2012/11/fenomenologia-della-coscienza-dallapprensione-al-giudizio/
    Secondo Arecchi, per l’appunto, l’evoluzione di tipo darwiniano corrisponde a una ricerca algoritmica puntuale, che permette dunque al più di raggiungere un’ottimizzazione locale; per ottenere un’ottimizzazione globale, invece, sono necessarie capacità di semiosi – ovvero, processi non algoritmici.
    Un’altra considerazione: se la fotosintesi (a pensarci bene, IL processo biochimico fondamentale, senza il quale l’intera biosfera terrestre non potrebbe esistere) dipende in maniera tanto cruciale da fenomeni prettamente quantistici – vale a dire, fenomeni per i quali non esiste un corrispettivo classico – non è pensabile che ci siano anche altri processi biologici, forse altrettanto fondamentali, che sono spiegabili solo in termini quantistici?
    Qui, naturalmente, viene in mente un altro lavoro apparso recentemente su TA, quello di Stapp:
    http://www.enzopennetta.it/2013/05/teoria-quantistica-della-coscienza/

    • “se la fotosintesi (a pensarci bene, IL processo biochimico fondamentale, senza il quale l’intera biosfera terrestre non potrebbe esistere) dipende in maniera tanto cruciale da fenomeni prettamente quantistici – vale a dire, fenomeni per i quali non esiste un corrispettivo classico – non è pensabile che ci siano anche altri processi biologici, forse altrettanto fondamentali, che sono spiegabili solo in termini quantistici?”

      Se a qualcuno fosse sfuggito questo passaggio lo riporto e lo evidenzio.

      • Giorgio Masiero on

        Già, cari Michele ed Enzo: ma alzi la mano chi conosce un biologo darwinista che conosce la MQ, anzi la TQC, e la applica nelle sue speculazioni! Alzi la mano chi conosce un biologo darwinista che non sia fermo alla fisica di Darwin (ovvero al meccanicismo di Laplace), e non conosce né l’elettromagnetismo di Maxwell, né la relatività di Einstein, né la MQ di Bohr, né la QET di Feynman…
        Michele ha citato la fotosintesi come “IL processo fondamentale” per la vita, che oltre ad essere come ha spiegato Sandro un fenomeno olistico all’apparenza di complessità irriducibile (e che quindi andrebbe “spiegato” senza ricorrere al trial & error), richiede per la sua efficienza il ricorso alla TQC.
        Io vorrei ritornare su un fenomeno molto, molto più semplice della fotosintesi, e cioè “SULLA sostanza fondamentale” per la vita: sorella acqua. Noi uomini siamo fatti di acqua per 2/3; una medusa per il 95%! Niente acqua = niente vita. Dovrò trovare il tempo per scrivere delle proprietà biologiche dell’acqua, che sono strepitose rispetto alla sua semplicità chimica, … ma che non lo sono affatto rispetto alle sue, altrettanto strepitose, proprietà fisiche (alto calore specifico, alta costante dielettrica, proprietà di dipolo, il legame ad idrogeno, massimo di densità non alla transizione al ghiaccio, ecc.), che – guarda caso! – tanto sono necessarie alla vita, quanto trovano una spiegazione solo nella TQC… Se dovessimo spiegare queste proprietà con la fisica ottocentesca, come stati di equilibrio statistico raggiunti per trial & error staremmo freschi! Otterremmo risultati opposti a quelli sperimentati (v. Mossbauer!!), ed invece con la TQC tutto diventa chiaro.