Cuore e meccanica quantistica: una frontiera vera, con il freno a mano tirato

Dal linguaggio affascinante della “coerenza” a una domanda scientifica verificabile

Quando si accostano le parole cuore e meccanica quantistica, il rischio è duplice. Da un lato, si può liquidare troppo in fretta ogni possibile relazione come fantasia. Dall’altro, si può usare il termine “quantistico” come una parola capace di spiegare tutto, senza indicare né un meccanismo preciso né un esperimento in grado di verificarlo.

La via più feconda è nel mezzo: riconoscere che la vita è costruita su processi che, alla scala di elettroni, protoni, legami chimici e spin, obbediscono necessariamente alla meccanica quantistica; ma chiedere prove specifiche prima di attribuire a tali fenomeni un ruolo funzionale nell’attività complessiva del cuore.

La domanda, quindi, non dovrebbe essere:

Il cuore è coerente quantisticamente?

È una domanda troppo ampia e ambigua. Una formulazione scientificamente più seria potrebbe essere:

Esistono microprocessi nel cuore — nei mitocondri, nei trasferimenti elettronici, nelle reazioni radicaliche o nella produzione di specie reattive dell’ossigeno — per i quali un modello quantistico locale migliora concretamente la capacità di prevedere efficienza energetica, segnali cellulari e danno biologico?

Questa domanda non afferma in anticipo che il cuore sia una sorta di “organo quantistico globale”. Indica, invece, fenomeni delimitati, grandezze misurabili e modelli confrontabili.

Prima distinzione: tutta la chimica è quantistica, ma non tutta la biologia manifesta una coerenza quantistica funzionale

Gli elettroni non si comportano come minuscole palline classiche. Le proprietà degli atomi, i legami chimici, le reazioni di ossidoriduzione e il trasferimento di energia dipendono dalla fisica quantistica. In questo senso fondamentale, anche il metabolismo cardiaco ha basi quantistiche.

Dire questo, tuttavia, non dimostra che nel cuore esistano stati quantistici coerenti, estesi e duraturi capaci di coordinare l’organo nel suo insieme.

La coerenza quantistica indica il mantenimento di precise relazioni di fase fra stati quantistici. In un ambiente biologico caldo, umido e continuamente perturbato, l’interazione con l’ambiente tende a produrre decoerenza molto rapidamente. Il punto non è stabilire se compaiano fenomeni quantistici — alla scala microscopica è inevitabile — ma se una particolare coerenza sopravviva abbastanza a lungo da modificare una funzione biologica e se tale contributo sia sperimentalmente distinguibile da una descrizione classica o semiclassica.

Va inoltre evitata una confusione terminologica. La “coerenza cardiaca” usata in fisiologia o nelle pratiche di respirazione riguarda normalmente la regolarità e l’organizzazione di ritmi come la variabilità della frequenza cardiaca. Non equivale, di per sé, alla coerenza quantistica tra stati molecolari.

La lezione della fotosintesi

La fotosintesi rappresenta uno dei territori più studiati della biologia quantistica. Nel 2007, un esperimento di spettroscopia bidimensionale osservò segnali oscillatori nel complesso fotosintetico Fenna–Matthews–Olson e li interpretò come evidenza di un trasferimento ondulatorio dell’energia associato alla coerenza quantistica (Engel e collaboratori, Nature, 2007).

Questi risultati alimentarono l’ipotesi che alcuni organismi potessero utilizzare coerenze elettroniche relativamente longeve per esplorare simultaneamente differenti vie di trasferimento e raggiungere un’elevata efficienza.

Gli studi successivi hanno però imposto maggiore prudenza. Un lavoro del 2017 concluse che, nel complesso analizzato, non emergeva un trasferimento energetico a lunga distanza fondato su una coerenza elettronica persistente; i segnali potevano essere spiegati senza attribuire loro il ruolo funzionale forte inizialmente proposto (Duan e collaboratori, PNAS, 2017).

Una revisione interdisciplinare del 2020 ha ulteriormente chiarito che le coerenze tra eccitoni appaiono troppo brevi per dirigere il trasporto dell’energia nel modo spesso raccontato in sede divulgativa. Ciò non elimina la meccanica quantistica dalla fotosintesi: ridimensiona una specifica narrazione sulla coerenza elettronica lunga e funzionale (Cao e collaboratori, Science Advances, 2020).

La lezione per il cuore è importante: osservare un segnale oscillatorio o individuare un processo quantistico elementare non basta. Occorre dimostrare che quel processo produca una differenza funzionale misurabile.

Il cuore come laboratorio energetico

Il cuore consuma continuamente energia per mantenere l’eccitabilità elettrica, il controllo degli ioni e la contrazione. I cardiomiociti sono quindi ricchi di mitocondri, nei quali la catena respiratoria trasferisce elettroni attraverso complessi proteici e cofattori, contribuendo alla formazione del gradiente protonico usato per sintetizzare ATP.

Il trasferimento elettronico nelle proteine non è una metafora quantistica. Studi classici hanno mostrato che velocità e probabilità del passaggio degli elettroni dipendono da distanza, differenza energetica, riorganizzazione dell’ambiente molecolare e accoppiamento elettronico (Moser e collaboratori, Nature, 1992; Page e collaboratori, Nature, 1999). In molti sistemi biologici, il tunnelling elettronico è quindi parte della descrizione fisica effettiva.

Questo dato autorizza a formulare domande quantistiche sui mitocondri cardiaci. Non autorizza, da solo, a concludere che i diversi mitocondri o l’intero cuore condividano un unico stato coerente.

Elettroni, ROS e segnali cardiaci

Durante il funzionamento della catena respiratoria una parte degli elettroni può alimentare la formazione di specie reattive dell’ossigeno, o ROS. Queste molecole non sono soltanto “scorie”: a basse concentrazioni partecipano alla segnalazione cellulare; quando la loro produzione supera i sistemi di controllo, possono contribuire a danno molecolare, alterazioni della contrazione, rimodellamento patologico e morte cellulare. Una revisione dedicata ai mitocondri cardiaci descrive i diversi siti della catena respiratoria coinvolti nella produzione di ROS e il loro ruolo sia fisiologico sia patologico (Chen e Zweier, Circulation Research, 2014).

Un caso particolarmente significativo è l’ischemia seguita da riperfusione. Durante l’ischemia si accumula succinato; quando ritorna l’ossigeno, la sua rapida ossidazione può favorire il trasporto inverso di elettroni al complesso I e una brusca produzione di ROS. Questo meccanismo è stato collegato sperimentalmente al danno da riperfusione in modelli di infarto e ictus (Chouchani e collaboratori, Nature, 2014).

Qui si trova un ponte concreto tra scala microscopica e funzione cardiaca:

struttura e dinamica molecolare → trasferimento elettronico → produzione di ROS → segnali o danno cellulare → prestazione del tessuto cardiaco.

La meccanica quantistica può contribuire soprattutto nei primi passaggi della catena. Per stabilire se aggiunga davvero potere esplicativo o predittivo, deve però essere collegata quantitativamente agli esiti biologici successivi.

E i radicali e gli spin?

Le reazioni che coinvolgono coppie di radicali costituiscono un’altra area reale della biologia quantistica. In determinati sistemi, l’evoluzione dello spin elettronico può influenzare i prodotti di una reazione. Il caso biologico più discusso riguarda la magnetoricezione mediata dai criptocromi, non il cuore umano.

È legittimo chiedersi se reazioni radicaliche sensibili allo spin possano contribuire anche a processi mitocondriali. Al momento, però, il passaggio da questa possibilità generale a un ruolo fisiologico dimostrato nel cuore resta ipotetico. Servono esperimenti capaci di separare gli effetti di spin dalle normali variazioni biochimiche, termiche ed elettromagnetiche.

Un programma di ricerca verificabile

La prospettiva del Codice della vita potrebbe trasformare l’idea “cuore quantistico” in una serie di domande sperimentali:

1. Qual è il microprocesso? Trasferimento di elettroni in un complesso respiratorio, tunnelling protonico, formazione di una coppia radicalica o altra reazione ben identificata.
2. Quale previsione cambia? Il modello quantistico deve prevedere meglio una velocità di reazione, la resa di ATP, il punto di formazione dei ROS o la risposta a ischemia e riperfusione.
3. Qual è la firma sperimentale? Effetto isotopico, dipendenza dalla temperatura, sensibilità controllata ai campi magnetici, tempi spettroscopici o distribuzione dei prodotti di reazione.
4. Esiste un confronto reale? Il modello quantistico deve essere confrontato con modelli classici o semiclassici sugli stessi dati, evitando di attribuire al “quantistico” ciò che la biochimica nota spiega già.
5. La scala molecolare raggiunge la fisiologia? Occorre mostrare una catena causale che arrivi a ROS, calcio, contrazione, aritmia, protezione o danno del tessuto.
6. Il risultato è replicabile? La scoperta deve resistere a laboratori differenti, controlli ciechi e variazioni delle condizioni sperimentali.

Un possibile disegno di studio potrebbe isolare mitocondri cardiaci o complessi respiratori, modificare in modo controllato temperatura, isotopi, stato redox o deboli campi magnetici e misurare simultaneamente flusso elettronico, ATP e ROS. I dati andrebbero poi analizzati con modelli alternativi predefiniti. Solo un miglioramento predittivo robusto e replicabile giustificherebbe l’attribuzione di un ruolo quantistico funzionale non banale.

Il cuore rimane un mistero con o senza meccanica quantistica

Il cuore non deve essere dichiarato “quantistico” per diventare più misterioso o più importante. È già un sistema straordinario in cui eventi molecolari, metabolismo, segnali elettrici, calcio, meccanica e adattamento si intrecciano continuamente.

La frontiera autentica consiste nel chiedere se, in alcuni passaggi microscopici, una descrizione quantistica locale permetta di comprendere e prevedere meglio ciò che accade. Il tunnelling elettronico nelle proteine ha basi solide; il ruolo dei mitocondri e dei ROS nella fisiologia e nella patologia cardiaca è ampiamente documentato. L’esistenza di una coerenza quantistica estesa dell’intero cuore, invece, non è oggi dimostrata.

Tenere il “freno a mano tirato” non significa chiudere la strada. Significa percorrerla senza confondere una possibilità con una prova, una metafora con un meccanismo o una parola suggestiva con una teoria scientifica.

La domanda più interessante, allora, non è se il cuore sia quantistico in senso assoluto. È questa:

In quali precise trasformazioni dell’energia cardiaca la fisica quantistica lascia una firma misurabile che la descrizione classica non riesce a spiegare altrettanto bene?

È da domande così formulate che può nascere una ricerca nuova: aperta, rigorosa e realmente capace di avanzare.

Riferimenti essenziali

• Engel G.S. et al., “Evidence for wavelike energy transfer through quantum coherence in photosynthetic systems”, Nature 446, 782–786 (2007). DOI e abstract
• Duan H.-G. et al., “Nature does not rely on long-lived electronic quantum coherence for photosynthetic energy transfer”, PNAS 114, 8493–8498 (2017). Testo dell’articolo
• Cao J. et al., “Quantum biology revisited”, Science Advances 6, eaaz4888 (2020). Testo dell’articolo
• Moser C.C. et al., “Nature of biological electron transfer”, Nature 355, 796–802 (1992). DOI e abstract
• Page C.C. et al., “Natural engineering principles of electron tunnelling in biological oxidation–reduction”, Nature 402, 47–52 (1999). DOI e abstract
• Chen Y.-R., Zweier J.L., “Cardiac mitochondria and reactive oxygen species generation”, Circulation Research 114, 524–537 (2014). Scheda PubMed
• Chouchani E.T. et al., “Ischaemic accumulation of succinate controls reperfusion injury through mitochondrial ROS”, Nature 515, 431–435 (2014). Testo integrale in PubMed Central
• Bertero E., Maack C., “Calcium signaling and reactive oxygen species in mitochondria”, Circulation Research 122, 1460–1478 (2018). Scheda PubMed