Quantum Creatures: dai fotoni clorofilliani alla bussola dei pettirossi - la biologia quantistica in azione

Quantum biology is often perceived as a new frontier of science, yet its roots lie in the early decades of the twentieth century, when some scientists hypothesized that fundamental concepts of quantum mechanics - such as quantum coherence, the tunneling effect, and entanglement - could be involved in explaining biological phenomena such as photosynthesis, enzyme catalysis, perception of the geomagnetic field in avian navigation, and olfaction. After a long period of suspension, following the abandonment of the hypotheses developed in the 1930s, the advancement of new simulation and investigative techniques has brought renewed attention to this field, allowing the detection of phenomena on increasingly smaller spatial and temporal scales. This has provided numerous indications, if not absolute certainties, that organisms may exploit the principles of quantum mechanics in an adaptive way to gain biological advantage and to optimize certain processes - a kind of evolutionary balance point shaped by the selective pressures of nature. This thesis retraces the historical development of quantum biology and focuses on three emblematic cases: the role of proton tunneling in point mutations, the efficiency of energy transport in photosynthesis, and the ability of migratory birds to perceive the geomagnetic field. Finally, it discusses the future perspectives of quantum biology, with an outlook on possible applications in bioengineering and the life sciences. The ultimate goal is to learn to observe the cell as a living quantum laboratory, an in vivo microcosm that has far more to teach us than we might imagine. However, only through an authentic dialogue among disciplines will it be possible to address the essential question: what does it truly mean for a biological process to be quantum?

La biologia quantistica è spesso percepita come una nuova frontiera della scienza, ma in realtà affonda le sue radici nei primi decenni del Novecento, quando alcuni scienziati ipotizzarono che concetti fondamentali della meccanica quantistica, come la coerenza quantistica, l’effetto tunnel e l’entanglement, potessero essere coinvolti nella spiegazione di fenomeni biologici quali la fotosintesi, la catalisi enzimatica, la percezione del campo magnetico nella navigazione aviaria e l’olfatto. Dopo un lungo periodo di sospensione, seguito all’abbandono delle ipotesi sviluppate negli anni Trenta, lo sviluppo di nuove tecniche di simulazione e di indagine ha riportato l’attenzione su questo campo, consentendo di rilevare fenomeni su scale spaziali e temporali sempre più ridotte. Ciò ha permesso di ottenere numerose evidenze, se non certezze assolute, che gli organismi possano sfruttare, in senso adattativo, i principi della meccanica quantistica per trarne un vantaggio biologico e per ottimizzare alcuni processi: una sorta di punto di equilibrio evolutivo modellato dalle pressioni selettive della natura. Questa tesi ripercorre lo sviluppo storico della biologia quantistica e si concentra su tre casi emblematici: il ruolo del tunneling protonico nelle mutazioni puntiformi, l’efficienza del trasporto energetico nella fotosintesi e la capacità degli uccelli migratori di percepire il campo magnetico. Infine, vengono discusse le prospettive future della biologia quantistica, con uno sguardo alle possibili applicazioni in bioingegneria e scienze della vita. L’obiettivo è imparare a osservare la cellula come un laboratorio quantistico vivente, un microcosmo in vivo che ha molto più da insegnarci di quanto crediamo. Tuttavia, solo un dialogo autentico fra discipline potrà aprire la strada alla domanda essenziale: che cosa significa, davvero, che un processo biologico è quantistico?