Alla ricerca della bussola quantistica che è in ciascuno di noi

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Alla ricerca della bussola quantistica che è in ciascuno di noi

Lo studio del volo degli uccelli ha spalancato una nuova porta alla medicina. Recentissime ricerche hanno permesso di osservare come incredibili principi della fisica quantistica noti col nome di entanglement o meglio correlazione quantistica non-locale siano alla base dell’orientamento degli uccelli.

I ricercatori sono ora impegnati nello studiare come questi stessi principi agiscono sull’uomo.

Gli uccelli migrano seguendo i campi magnetici della terra

Nel 1855 lo zoologo russo Alekandr von Middendorf fu il primo a dimostrare che gli uccelli migrano seguendo i campi magnetici della terra. Egli studiò con precisione le loro rotte di migrazione e analizzando le mappe che ne derivarono osservò che le linee di arrivo simultaneo degli uccelli erano correlate con le linee dei campi geomagnetici.

I colleghi del tempo rimasero scettici, nonostante l’uso dei piccioni viaggiatori fosse in gran voga.

Ci vollero quasi 100 anni per dare rinforzo alle teorie di Middendorf,  nel 1947 infatti il fisico americano Henry Yaegly decise di tagliare la testa al toro e, attaccando delle calamite a dei piccioni, verificare se veramente questi erano influenzati dai campi magnetici. Prese 20 piccioni: a 10 legò dei magneti, agli altri 10 solo dei pezzi di rame. Il risultato fu sorprendente. Dei piccioni con le calamite solo 1 trovò la strada del ritorno, di quelli con il rame ben 8 trovarono la strada.

Da quel momento non fu più messo in dubbio il fatto che gli uccelli fossero sensibili ai deboli campi geomagnetici, ci si domandava come facessero a percepirli. La risposta più logica a cui si pensò era che gli animali fossero dotati di una sorta di bussola biologica che, alla stregua delle bussole con ago, indicasse agli animali la direzione.

Fu questa la pista di studio che seguirono i coniugi Wolfang e Roswitha Wiltschko, una coppia di ornitologi di Francoforte che nel 1976 riuscirono a realizzare un esperimento che dimostrò definitivamente come gli uccelli fossero realmente sensibili ai campi magnetici ultradeboli. Attraverso l’uso di bobine di Helmholtz, ossia delle bobine in grado di simulare il campo geomagnetico e di modularlo sia in intensità che in direzione riuscirono a modificare l’orientamento degli uccelli. Il lavoro fu così importante che venne pubblicato su Science, una delle riviste scientifiche più prestigiose al mondo.

La scoperta più interessante però fu che gli uccelli non sono in grado di distinguere il polo nord dal polo sud ma solo il polo dall’equatore. La spiegazione è semplice: se si osservano le curvature delle linee dei campi magnetici della terra si nota come all’avvicinarsi all’equatore queste siano parallele al terreno, all’avvicinarsi ai poli sono perpendicolari. Gli uccelli quindi sono in grado di distinguere l’orientamento di queste linee magnetiche.  Stiamo parlando pertanto non di una bussola classica ma di una bussola di inclinazione.

Quest’informazione però complicò molto la questione: come può essere fatta e dove sta all’interno degli uccelli migratori questo particolare tipo di bussola di inclinazione?

Il salto nel “paese delle meraviglie” della meccanica quantistica

Il balzo coraggioso e pionieristico lo dobbiamo al ricercatore tedesco Klaus Schulten che studiò i meccanismi con cui gli elettroni vengono trasportati nelle reazioni chimiche che coinvolgono i radicali liberi. Si tratta di molecole che presentano degli elettroni solitari. Dobbiamo fare una piccola premessa: gli elettroni sono caratterizzati dallo spin che per ragioni divulgative i fisici spiegano può essere di due tipologie: orario o antiorario. Una legge fondamentale della fisica descritta da Pauli afferma come due elettroni accoppiati in un atomo allo stesso livello di energia devono avere spin opposto. Quando invece non sono allo stesso livello di energia possono avere spin uguale, in questo caso si parla di stato elettronico di tripletto. Non ci addentriamo oltre per evitare di perderci, basti solo sapere che le famose risonanze magnetiche nucleari funzionano proprio misurando gli spin degli elettroni del nostro corpo.

Schulten studiò un particolare tipo di reazione chimica dei radicali liberi chiamata “reazione rapida di tripletto” caratterizzata dal fatto che vengono prodotti elettroni in correlazione quantistica. Tale tipo di elettroni, guarda caso, è molto sensibile alla direzione del campo magnetico esterno.  Che la bussola degli uccelli usi lo stesso meccanismo?

Questa capacità di “sentire” i deboli campi geomagnetici nasce proprio dalla correlazione quantistica degli elettroni prodotti da una reazione rapida di tripletto ed ecco che siamo caduti nel mondo dell’assurdo o del meraviglioso, dipende dai punti di vista. Quando si parla di correlazione quantistica significa che due particelle sono in comunicazione istantanea tra loro a qualsiasi  distanza, anche se le si separa fino ai lati opposti dell’universo. Sei infatti colpisco una delle due particelle l’altra reagirà istantaneamente. Questo fenomeno viene chiamato in termini tecnici principio di non-località quantisitica.

Questo principio frutto delle stesse equazioni che sono alla base della meccanica quantistica era noto fin dalla prima metà del ‘900 ma per la sua assurdità suscitò in molti scienziati del calibro di Einstein lo scetticismo e la convinzione che ci fossero degli errori nelle equazioni. Se questa teoria fosse stata vera infatti avrebbe invalidato il principio fondamentale di Einstein secondo cui era impossibile che qualcosa viaggiasse più velocemente della luce.

Oggi però abbiamo le prove sperimentali che le particelle quantistiche possono realmente essere in collegamento istantaneo anche a enormi distanze. Uno degli esperimenti in tal senso più noti fu quello del fisico francese Alain Aspect che nel 1982 riuscì, generando coppie di fotoni con direzioni di polarizzazione diverse, ad osservare nella realtà la correlazione quantistica.

Semplificando i concetti è come se avessimo due dadi da gioco, li separiamo di migliaia di chilometri e ne tiriamo uno. Ogni volta che esce 6, ad esempio, nell’altro dado esce 1. Sempre. Nell’esperimento di Aspect, banalizzando, potremmo dire che i fotoni erano i dadi e il numero era il grado di polarizzazione.

Il crittocromo: la base della bussola quantistica degli uccelli

Torniamo ai nostri uccelli migratori. Schulten aveva osservato che senza luce la capacità di orientamento svaniva. Questo fatto metteva un po’ in crisi la teoria della bussola che non avrebbe dovuto sentire necessità della luce. Nel 1998 fu però scoperta all’interno degli occhi di molti animali, un particolare fotorecettore, chiamato crittocromo la cui caratteristica è quella di produrre radicali liberi. Proprio quel tipo di reazione che Schulten studiava. In collaborazione con il suo assistente Torsten Ritz fece numerosi studi fino a che riuscì a dimostrare come il crittocromo fosse la base della bussola quantistica che permetteva agli uccelli di sentire i debolissimi campi elettromagnetici.

La luce infatti, quella specifica del blu, serve per attivare il crittocromo a fare le sue reazioni chimiche caratteristiche. La direzione del campo magnetico terrestre influenza quindi se gli elettroni prodotti saranno correlati in singoletto o in tripletto. A seconda della proporzione tra elettroni in singoletto e in tripletto deriveranno a cascata diverse reazioni chimiche. Grazie a queste modulazioni gli uccelli sono in grado di distinguere il tipo di campo magnetico a cui sono sottoposti. Quest’abilità si è poi scoperto essere caratteristica di molti altri animali come le falene.

Queste ultime ricerche sono recentissime, del 2014. Siamo solo agli inizi di una serie di nuove incredibili scoperte. L’incredibile mondo della fisica quantistica sta prendendo sempre più spazio in quello dello studio della vita. E proprio in questo momento, mentre state leggendo l’articolo, ci sono alcuni scienziati che stanno studiando come questi principi siano attivi anche nell’essere umano; un’esempio affasciante arriva dall’Università della California dove un gruppo di ricercatori sta riuscendo a programmare le cellule staminali semplicemente inviando informazioni elettromagnetiche attraverso fasci di luce (per ulteriori info clicca qui).

Fonti:

1 – von Middendorff
2 – Middendorf A.T. – Die Isepiptesen Russlands. Grundlagen zur Erforschung der Zugzeiten und Zugrichtungen der Vögel Russlands
3 – Yaegly H.L. – A Preliminary Study of a Physical Basis of Bird Navigation
4 – Emlen S.T, Wiltschko W. –   Magnetic direction finding: evidence for its use in migratory indigo buntings
 5 – Schulten K. – magnetic field dependence of the geminate recombination of radical ion pairs in polar solvents
6 – Schulten K. – a biomagnetic sensory mechanism based on magnetic field modulated coherent electron spin motion
7 – Non località quantistica
8 – Aspect A. – Experimental Realization of Einstein-Podolsky-Rosen-BohmGedankenexperiment: A New Violation of Bell’s Inequalities
9 – Ritz T., Schulten K. –  A Model for Photoreceptor-Based Magnetoreception in Birds
10 – Guerra A. – A magnetic compass aids monarch butterfly migrationA magnetic compass aids monarch butterfly migration 
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