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Il “batterio di Schrödinger” e il futuro della biologia quantistica

Una nuova analisi di un recente esperimento su batteri fotosintetici suggerisce che i ricercatori potrebbero essere riusciti a porne alcuni in uno stato di entanglement, mostrando per la prima volta l’effetto delle strane proprietà del mondo quantistico su esseri viventi e segnando il passaggio della biologia quantistica da ipotesi teorica a realtà tangibile

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Il mondo quantistico è strano. In teoria, e in una certa misura in pratica, i suoi principi richiedono che una particella possa apparire in due luoghi contemporaneamente – un fenomeno paradossale noto come sovrapposizione – e che due particelle possano diventare “entangled“, condividendo informazioni su distanze arbitrariamente grandi attraverso un meccanismo ancora sconosciuto.

L’esempio forse più famoso di stranezza quantistica è il gatto di Schrödinger, un esperimento ideale proposto da Erwin Schrödinger nel 1935. Il fisico austriaco immaginava che un gatto posto in una scatola insieme a una sostanza radioattiva potenzialmente letale potesse, per le strane leggi della meccanica quantistica, esistere in uno stato di sovrapposizione ed essere sia morto che vivo, almeno fino all’apertura della scatola e all’osservazione del suo contenuto.

Questo concetto è stato convalidato sperimentalmente innumerevoli volte su scale quantistiche. Alla scala del nostro mondo macroscopico apparentemente più semplice e di sicuro più intuitivo, tuttavia, le cose cambiano. Nessuno ha mai visto una stella, un pianeta o un gatto in uni stato di sovrapposizione o di entanglement quantistico.

Schrödinger

Interpretazione artistica del “gatto di Schrödinger”, che è al tempo stesso vivo e morto (© Science Photo Library RF / AGF)

 

Ma fin dalla formulazione iniziale della teoria quantistica, all’inizio del XX secolo, gli scienziati si sono chiesti dove  si incrociano esattamente i mondi microscopici e macroscopici. Quanto può essere grande il regno quantistico? E potrebbe essere abbastanza grande perché i suoi aspetti più strani influenzino profondamente e chiaramente gli esseri viventi?

Negli ultimi due decenni il campo emergente della biologia quantistica ha cercato di rispondere a queste domande, proponendo ed effettuando su organismi viventi esperimenti che potrebbero essere in grado di sondare i limiti della teoria quantistica.

Questi esperimenti hanno già dato risultati allettanti ma non conclusivi.All’inizio di quest’anno, per esempio, alcuni ricercatori hanno mostrato che il processo di fotosintesi – in cui gli organismi producono sostanze nutritizie usando la luce – può comportare alcuni effetti quantistici. Il modo in cui gli uccelli navigano o fiutano gli odori suggerisce che gli effetti quantistici possano verificarsi in modi insoliti all’interno degli esseri viventi.

Ma questi studi toccano solo la superficie del mondo quantistico. Finora, nessuno è mai riuscito a indurre un intero organismo vivente – nemmeno un batterio unicellulare – a mostrare effetti quantistici come l’ entanglement o la sovrapposizione.

Di conseguenza un nuovo articolo di un gruppo di ricercatori dell’Università di Oxford sta facendo aggrottare parecchie fronti per le sue affermazioni sulla riuscita di un esperimento di entanglement fra batteri e fotoni, particelle di luce.

Diretto dalla fisica quantistica Chiara Marletto e pubblicato a ottobre sul “Journal of Physics Communications”, lo studio è un’analisi di un esperimento condotto nel 2016 da David Coles  dell’Università di Sheffield e dai suoi colleghi.

In quell’esperimento, Coles e colleghi avevano sequestrato tra due specchi diverse centinaia di batteri verdi sulfurei, che sono fotosintetici, per poi ridurre via via la distanza tra gli specchi fino a poche centinaia di nanometri, molto meno della larghezza di un capello umano. Facendo rimbalzare della luce bianca tra gli specchi, i ricercatori speravano che le molecole fotosintetiche all’interno dei batteri si accoppiassero – o interagissero – con la cavità, il che significava essenzialmente che i batteri avrebbero continuato ad assorbire, emettere e riassorbire i fotoni che rimbalzavano. L’esperimento ha avuto successo: fino a sei batteri si sono accoppiati in quel modo.

Microfotografia di colonie filamentose del batterio fotosintetico Oscillatoria sp. cyanobacteria (SPL/AGF)

 

Marletto e colleghi sostengono però che i batteri non hanno soltanto interagito con la cavità. Nella loro analisi dimostrano che il segno energetico prodotto nell’esperimento potrebbe essere coerente con i sistemi fotosintetici di batteri entangled con la luce all’interno della cavità.

In sostanza, sembra che alcuni fotoni colpissero e mancassero contemporaneamente molecole fotosintetiche all’interno dei batteri, un segno distintivo dell’entanglement. “I nostri modelli mostrano che il fenomeno registrato è la firma di un entanglement tra la luce e certi gradi di libertà all’interno dei batteri”, dice.

Secondo il coautore dello studio Tristan Farrow, anche lui di Oxford, è la prima volta che un simile effetto è stato intravisto in un organismo vivente. “È certamente la chiave per dimostrare che siamo in qualche modo vicini all’idea di ‘batterio di Schrödinger'”, afferma. E suggerisce un altro potenziale esempio di biologia quantistica in natura: i batteri sulfurei verdi vivono nelle profondità dell’oceano dove la scarsità di luce, fonte di vita, potrebbe addirittura stimolare adattamenti evolutivi quantomeccanici per aumentare la fotosintesi.

Queste controverse affermazioni, tuttavia, vanno prese con molta cautela. In primo luogo, in questo esperimento la prova a favore dell’entanglement è circostanziale, e dipende da come si sceglie di interpretare la luce che attraversa ed esce dai batteri confinati nella cavità.

Marletto e colleghi riconoscono che i risultati dell’esperimento potrebbero essere spiegati anche da un modello classico privo di effetti quantistici. Ma, naturalmente, i fotoni non sono affatto classici: sono quantistici. Eppure, un modello “semiclassico” più realistico che usi le leggi di Newton per i batteri e quelle quantistiche per i fotoni non riesce a riprodurre il risultato reale che Coles e colleghi hanno osservato nel loro laboratorio, il che suggerisce che gli effetti quantistici fossero in atto sia nella luce che nei batteri. “La prova è un po’ indiretta, ma penso che sia così solo perché stanno cercando di essere rigorosi ed escludere cose e rivendicare troppo”, dice James Wootton, che si occupa di informatica quantistica all’IBM Zurich Research Laboratory e non è coinvolto nei due articoli.

Raffigurazione artistica di due atomi in uno stato di entanglement quantistico (© Science Photo Library RF / AGF)

 

L’altro caveat: le energie dei batteri e del fotone sono state misurate collettivamente, non in modo indipendente. Questo – secondo Simon Gröblacher della Delft University of Technology, nei Paesi Bassi, che non ha preso parte a questa ricerca – è in qualche modo un limite. “Sembra che stia accadendo qualcosa di quantistico”, dice. “Ma… di solito, se si dimostra l’entanglement, bisogna misurare i due sistemi in modo indipendente” per confermare che qualsiasi correlazione quantistica tra essi è autentica.

Nonostante queste incertezze, per molti esperti il passaggio della biologia quantistica da sogno teorico a realtà tangibile è una questione di “quando”, non di “se”.

Al di fuori dei sistemi biologici, le molecole, considerate in isolamento e collettivamente, hanno già mostrato effetti quantistici in decenni di esperimenti in laboratorio, quindi la ricerca di questi effetti per molecole simili all’interno di un batterio o addirittura del nostro stesso corpo sembrerebbe abbastanza sensata.

Negli esseri umani e in altri grandi organismi multicellulari, tuttavia, simili effetti quantistici molecolari in genere dovrebbero essere insignificanti, ma una loro manifestazione significativa all’interno di batteri, molto più piccoli, non sarebbe una sorpresa troppo sconvolgente. “Sono un po’ stupito per la sorpresa suscitata da questa scoperta”, dice Gröblacher. “Ma è ovviamente eccitante se lo si può dimostrare in un sistema biologico reale”.

Diversi gruppi, compresi quelli guidati da Gröblacher e Farrow, sperano di portare avanti queste idee.

Gröblacher ha progettato un esperimento che potrebbe mettere in uno stato di sovrapposizione un minuscolo animale acquatico, un tardigrado, cosa molto più difficile che creare un entanglement fra i batteri e la luce, dato che i tardigradi hanno dimensioni centinaia di volte maggiori.

Pur essendo grande in media un millimetro, un tardigrado ha comunque dimensioni centinaia di volte maggiori dei batteri fotosintetici (SPL/AGF)

 

Farrow sta cercando modi per migliorare l’esperimento sui batteri; l’anno prossimo lui e i suoi colleghi sperano di mettere in entanglement due batteri, e non con la luce in modo indipendente. “Gli obiettivi a lungo termine sono fondazionali e fondamentali”, dice Farrow. “Si tratta di capire la natura della realtà e se gli effetti quantistici siano utili alle funzioni biologiche. Alla radice delle cose, tutto è quantistico”, aggiunge, alludendo alla questione se gli effetti quantistici abbiano un ruolo nel funzionamento degli esseri viventi.
Potrebbe essere, per esempio, che “la selezione naturale abbia trovato il modo di sfruttare naturalmente i fenomeni quantistici”, osserva Marletto, come nel già citato esempio della fotosintesi in batteri delle profondità marine povere di luce. Ma per arrivare a fondo di tutto ciò è necessario cominciare dalle piccole dimensioni.

Le ricerche si sono costantemente orientate verso esperimenti a macrolivello, con un recente esperimento che ha coinvolto con successo milioni di atomi. Provare che le molecole che compongono gli esseri viventi mostrano effetti quantistici significativi – anche se per scopi banali – sarebbe un passo successivo fondamentale. Esplorando questo confine fra mondo quantistico e classico, gli scienziati potrebbero avvicinarsi a capire che cosa significa essere macroscopicamente quantistici, se una tale idea fosse vera.

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(L’originale di questo articolo è stato pubblicato su “Scientific American” il 29 ottobre 2018



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Detective presso Computer Crime Research Center. Investigazioni Roma. Ingegneria Elettronica e delle Telecomunicazioni Seminario Analisi del Crimine Violento Università di Roma

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Coronavirus, 5 nuove scoperte da tenere a mente su Covid-19

La ricerca sul nuovo coronavirus è fervente. Ecco cinque delle ultime scoperte e notizie scientifiche relative al virus, dalla permanenza sulle superfici ai rischi per i più piccoli fino a sintomi a volte trascurati

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(oto: NIAID-RML CC via Flickr)

Ricercatori di tutto il mondo continuano a studiare il nuovo coronavirus Sars-CoV-2. E online, ad esempio sulla banca dati di Pubmed, si rintracciano ormai migliaia di studi pubblicati. Analizzare sempre di più la malattia Covid-19 ci permetterà di conoscere e poter affrontare al meglio l’infezione e la pandemia. A questo proposito ecco cinque delle scoperte più recenti, da quando e come avviene il contagio, alle categorie più colpite fino all’attenzione ai sintomi nei bambini.

1. Coronavirus, quanto resta sulle superfici

Le più recenti prove scientifiche mostrano che il coronavirus Sars-CoV-2 può resistere sicuramente alcune ore e probabilmente anche qualche giorno – secondo una ricerca fino a 3 giorni, secondo un’altra anche fino a 9 – su superfici come plastica e acciaio, meno sul cartone. Ma quando è rintracciato sugli oggetti sembra essere meno infettante, dato che in questo caso il suo titolo virale risulta molto ridotto. Per questo l’Oms non ha posto alcun veto alla circolazione delle merci, che è sicura. Riguardo a vestiti e scarpe, è in generale buona norma toglierli e riporli quando si rientra in casa, ma anche questi oggetti non rientrano fra le principali vie di trasmissione, a differenza del contatto con particelle di saliva (vicinanza con le persone e strette di mano).

2. Bambini: neonati e bimbi piccoli più vulnerabili

Bambini e adolescenti e giovanissimi sono molto poco colpiti dal nuovo coronavirus, basti pensare che in Italia non ci sono decessi sotto i 30 anni. E anche i piccoli colpiti hanno i sintomi meno gravi rispetto agli adulti. Tuttavia, anche se le manifestazioni cliniche nei bambini risultano più moderate, soprattutto neonati e bimbi in età prescolare sono risultati suscettibili all’infezione. Ad affermarlo è un nuovo studio su duemila bambini e ragazzi cinesi, in via di pubblicazione su Pediatrics e attualmente in preprint. La ricerca mostra che nella maggior parte dei casi i disturbi sono leggeri o medi, tuttavia all’interno della categoria dei più giovani, in circa il 6% dei bambini ci sono state manifestazioni cliniche gravi.

3. Sintomi, quelli gastrointestinali spesso trascurati

Uno studio in via di pubblicazione sull’American Journal of Gastroenterology (qui in preprint) mette in luce che quasi la metà dei pazienti con Covid-19 nella provincia di Hubei ha presentato sintomi gastrointestinali, come diarrea o anoressia – intesa come sintomo legato al rifiuto del cibo e non come la malattia dell’anoressia nervosa. Inoltre lo studio rivela che peri pazienti con problemi digestivi e in assenza di problemi respiratori il tempo fra la comparsa dei sintomi e il ricovero era più lungo, mentre la probabilità di essere curati e dimessi più bassa. Insomma, è bene che chi ha manifestazioni gastrointestinali presti attenzione ai sintomi e non si escluda la possibilità che si tratti di Covid-19.

4. Due vittime su tre sono di sesso maschile

Alla data del 17 marzo l’Istituto superiore di sanità fornisce una fotografia delle persone colpite dal nuovo coronavirus in Italia. Parlando di numeri, 6 pazienti su 10 sono di sesso maschile e 2 vittime su 3 sono uomini. Un dato che però non deve far abbassare la guardia alle donne. I deceduti con meno di 50 anni sono solo 17, tutti con altre patologie precedenti – elemento informativo che non vuole sminuire la gravità del problema. L’età media dei contagiati è di 63 anni, quella dei deceduti di 80 anni.

5. Non ci sono prove che l’ibuprofene faccia male

Si discute da tempo del fatto che assumere antinfiammatori, fra cui l’ibuprofene, possa aumentare il rischio di Covid-19 o peggiorare i sintomi. Il ministro della Sanità francese aveva invitato i cittadini a non assumere questi farmaci in caso di Covid-19 perché potrebbero peggiorare l’infezione. Fermo restando che l’automedicazione è sempre da evitare, tanto più nel caso del nuovo coronavirus, questa è per ora soltanto un’ipotesi e il ministero della Salute italiano ha rimarcato che non ci sono prove che l’ibuprofene faccia male.



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Le piante comunicano tra loro usando reti sotterranee

È quanto ha rivelato uno studio condotto da un gruppo di scienziati dell’Università svedese di scienze agrarie, appena pubblicato su Plos One

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Le piante hanno sviluppato reti di comunicazione sorprendentemente complesse che consentono loro di comunicare su ciò che sta accadendo in superficie.

È quanto ha rivelato uno studio condotto da un gruppo di scienziati dell’Università svedese di scienze agrarie, appena pubblicato su Plos One. Nonostante il loro stile di vita “immobile”, in realtà le piante sono quindi più attive di quanto si possa pensare: sono in grado di comunicare sottoterra tra di loro, inviando messaggi complessi che arrivano dalla superficie.

Il merito è di alcune sostanze chimiche secrete dalle radici nel terreno, che vengono poi rilevate attraverso le radici delle piante vicine.In questo modo arrivano a sapere se le loro vicine sono parenti o estranee. E persino a dirigere la loro crescita di conseguenza. Man mano che crescono in prossimità di altre piante, controllano costantemente ogni segnale che si verifica in superficie, e fanno lo stesso anche sottoterra.

Come lo hanno scoperto? Per comprendere meglio come ciò possa avvenire e per saperne su come i fattori al di sopra del suolo influenzino ciò che accade al di sotto della superficie, gli studiosi hanno analizzato il comportamento di alcune piantine di mais, monitorando la reazione ai cambiamenti nella crescita in base alla vicinanza con altre piante.

Simulando il tocco con una foglia di una pianta vicina hanno scopeto le sostanze chimiche prodotte dalla radice della pianta. Il team ha quindi preso queste sostanze chimiche e le ha trasferite in altre piante, per vedere le reazioni. Hanno così scoperto che le piante esposte alle sostanze chimiche rispondevano indirizzando le loro risorse a far crescere più foglie e meno radici.

In pratica, il team ha dimostrato che ciò che accade al di sopra del suolo influenza ciò che accade sotto la superficie, e anche che il modo in cui le piante comunicano questo è più complesso di quanto pensassimo. Questo ha davvero molta importanza, dal momento che la capacità delle piante di rilevare i cambiamenti dell’ambiente circostante (e reagire di conseguenza) è essenziale per determinarne la sopravvivenza.



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Reti sociali: un modello per studiare gli effetti della propagazione virale

Pubblicati su “Plos One” i risultati di una ricerca dell’Università Statale di Milano che ha messo a punto un software per la simulazione di fenomeni di propagazione virale all’interno di reti sociali e dei loro effetti sulla conoscenza che gli individui maturano riguardo al tema al centro dell’epidemia

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Lo studio pubblicato su Plos One propone un modello per descrivere come la diffusione di un fenomeno virale in una rete sociale (per cui si usa spesso il termine di epidemia, riferito non solo a malattie ma anche a dipendenze e alla diffusione di opinioni) influenzi la conoscenza che di esso hanno gli individui, determinando comportamenti differenti, volti in alcuni casi a prevenire il contagio, in altri a favorirlo. La ricerca evidenzia come il risultato delle modifiche nei comportamenti vada a cambiare la diffusione virale.

Il lavoro si inserisce nell’ambito degli studi di coevoluzione di sistemi complessi in presenza di fenomeni epidemici: una rete sociale (digitale o non digitale) ha caratteristiche tipiche dei sistemi complessi e le due dinamiche, la diffusione virale e i comportamenti degli individui, si influenzano vicendevolmente, coevolvono.

Definire dei meccanismi di variazione della conoscenza sufficientemente semplici da poter essere modellati e simulati con un tool software appositamente sviluppato è stato lo scopo dello studio.

Il modello è stato ideato e coordinato da Marco Cremonini dell’Università di Milano e sviluppato insieme a Samira Maghool, dottoranda in Fisica dell’Alzhara University di Teheran (Iran) e visiting researcher presso il dipartimento di Informatica dell’ateneo milanese da settembre 2018.

Per il modello e il simulatore è stato usato un approccio multi-agente, nel quale gli individui vengono rappresentati da componenti software (agenti) che eseguono azioni sulla base delle informazioni che ricavano dalla rete sociale di agenti; come il linguaggio di programmazione è stato scelto Python.

Per gli autori è stato importante lavorare in particolare su alcuni aspetti caratterizzanti e nuovi:
–  definire la conoscenza acquisita dagli agenti come prodotto di componenti distinte: la conoscenza pregressa individuale, l’osservazione del contesto locale ed eventuali stimoli provenienti da agenti connessi;
–  adottare l’imitazione come il meccanismo fondamentale per adattare la conoscenza, prevedendo scenari diversi, dalla pura osservazione del contesto locale e adozione di precauzioni, tipico del caso di epidemie biologiche, all’imitazione del comportamento di gruppi sociali di riferimento, tipico nel caso di dipendenze o la diffusione di idee;
–  prevedere che le variazioni di conoscenza avrebbero potuto comportare sia una riduzione sia un’accelerazione della propagazione del fenomeno virale.

Lo studio ha introdotto elementi di novità nell’ambito dei modelli di coevoluzione dinamica per fenomeni epidemici complessi.

Scenari riconducibili al modello studiato sono molteplici, non solo i casi biologici tradizionalmente considerati dall’epidemiologia, ma soprattutto le molteplici varianti di propagazione di idee, opinioni, rumor, fake news e false credenze all’interno di reti sociali, digitali e non digitali. Un altro scenario interessante e ancora poco studiato riguarda la propagazione di malware in reti di computer, per le quali esiste una coevoluzione tra azioni guidate esclusivamente da tecnologie e reti sociali con le azioni di operatori e utenti.

“Nonostante i limiti dovuto alla modellazione dei fenomeni e all’utilizzo di un modello di rete sociale e di dati artificiali, lo studio fornisce spunti innovativi per l’interpretazione di sistemi complessi che, come la rete, presentano caratteristiche di coevoluzione, ovvero dinamiche che si influenzano vicendevolmente. Capire gli effetti della percezione e della conoscenza che le persone hanno di un fenomeno epidemico è importante per comprendere la dinamica di un sistema sociale complesso, per migliorare.



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