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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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I primi tessuti umani assemblati nello Spazio

Gli astronauti della Iss, alle prese con l’ingegneria dei tessuti, hanno recapitato sulla Terra i primi vasi sanguigni realizzati in laboratorio

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Un vero e proprio laboratorio biologiconello Spazio, dove cellule anche di tessuti umani crescono e possono fornire informazioni da applicare anche sulla Terra. Succede sulla Stazione spaziale internazionale, dove negli ultimi anni diversi astronauti si sono messi alla prova come biologi e ingegneri dei tessuti per approfondire le conoscenze, in particolare sui nostri vasi sanguigni.

Chi vediamo all’opera in questo interessante filmato è Tim Peake, protagonista della missione Principia, che ha assemblato durante una lunga serie di esperimenti veri e propri capillari: un risultato che non era mai stato raggiunto qui sulla Terra, poiché la struttura 3D che le cellule assumono in condizioni di microgravità è più coerente a quella dell’originale.





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Un nuovo modo per modificare il dna: usare la proteina CasX

Una nuova proteina, chiamata CasX, potrebbe essere una nuova arma di Crispr. Questa proteina si va ag aggiungere a Cas9 e Cas12. E per certi aspetti potrebbe essere anche più efficiente, dato che è più piccola e potrebbe agire in maniera più mirata

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(foto: KtsDesign/Science Photo Library via Getty Images)

Il sistema Crispr, alla base ormai nota tecnica di editing (modifica) del dna, trova una nuova strada per raggiungere i suoi obiettivi. Oggi, infatti, in aiuto della tecnica Crispr è stata identificato un nuovo enzima, cioè una proteina chiamata CasX, che taglia in maniera specifica il dna permettendo la modifica. Questa proteina potrebbe funzionare proprio come la nota Cas9. Inoltre, essendo di dimensioni inferiori rispetto a Cas9, CasX potrebbe fornire un vantaggio quando si deve applicare a piccole parti di dna. A trovarla è un gruppo di ricerca guidato dall’Università della California a Berkeley, che ha pubblicato i risultati dello studio su Nature.

Il sistema Crispr di fatto si basa sull’uso di proteina, come Cas9 (ma anche della Cas12), che deriva da frammenti di batteri con cui siamo venuti in contatto. Questa tecnica sfrutta l’azione di questi frammenti proteici diretti contro virus invasori e in grado di riconoscere e demolire il loro dna. E Crispr agisce in modo simile.

Finora, il sistema Crispr si serve principalmente di Cas9, un enzima che funziona come un paio di forbici per tagliare e inserire parti di dna. Da anni, gli scienziati conoscono questo ingranaggio e lo utilizzano per trovare e sostituire specifiche sequenze del codice genetico.

I ricercatori di Berkeley hanno scoperto questo enzima, estratto da batteri che non colonizzano l’essere umano, ma presenti nelle acque sotterranee e nei sedimenti, già due anni fa, pubblicando i risultati in un paper sempre su Nature. Ed oggi forniscono una spiegazione di come funziona questo enzima. Come le altre proteine Cas, CasX riesce a tagliare dna, a legarvisi per regolare i geni e colpire specifiche sequenze di codice, dunque presenta tutti i vantaggi di Cas9 e Cas12. Inoltre, un enzima un po’ più piccolo di Cas9 e risulta comunque diverso rispetto ai due enzimi già noti, tanto da essersi evoluto in maniera diversa nei batteri.

Oltre alle dimensioni ridotte, anche il fatto che CasX provenga da batteri non nell’essere umano potrebbe renderla più accettabile per il sistema immunitario umano. Al contrario, in precedenza è stato posto il dubbio che queste proteine batteriche possano essere combattute dal nostro organismo, mettendo a rischio l’efficacia. Alcuni medici temono che Cas9possa essere associata a una reazione immunitaria in alcuni pazienti, sottolineano gli autori dell’università della California. “La capacità della sostanza di indurre una risposta immunitaria, l’invio e la specificità dello strumento di editing del genoma sono estremamente importanti”, ha spiegato Benjamin Oakes, co-primo autore dello studio, coordinato da Jennifer Doudna. “Siamo entusiasmati da CasX riguardo a tutti questi aspetti”.

I primi autori dello studio, Jun-Jie Liu e Natalia Orlova, hanno utilizzato la microscopia crio-elettronica, che ha vinto il Nobel per la chimica nel 2017, una tecnica di imaging che consente di congelare biomolecole, come proteine, per osservare il loro comportamento a livello atomico. In questo modo hanno catturato immagini istantanee di CasX nei movimenti legati alla modifica del gene. Ed è proprio da quest’analisi che gli autori hanno osservato che le modalità in cui CasX agisce sono diverse rispetto a quelle messe in atto da Cas9 e Cas12, anche se l’obiettivo è lo stesso. In qualche modo la dimensione minore di CasX rende la sua attività differente. Per questa ragione CasX farebbe parte di “una famiglia di enzimi separataa livello funzionale”, come si legge nel paper, sia da Cas09 che da Cas12.

Le sue dimensioni minime, spiegano gli autori, rappresentano una prova del fatto che la natura (ovvero i batteri) usa una ricetta base per mettere in atto queste modifiche del genoma. “Comprendere questa ricetta ci aiuterà ad andare avanti in maniera più ragionata e a costruire strumenti di editing del genoma per i nostri obiettivi piuttosto che per quelli della natura”, sottolinea Oakes. E ora i ricercatori intendono approfondire il funzionamento di CasX. Senza escludere la possibilità, conclude Doudna, di trovare forbici molecolari ancora più potenti. Già perché questi elementi – queste proteine – non sono per forza in competizione fra loro, ma sono tutti strumenti che potrebbero servire per realizzare l’editing del genoma.





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La scienza da aspettare nei prossimi dodici mesi

Gli ultimi anni sono stati densi di avvenimenti scientifici importanti, che hanno segnato la via per ulteriori sviluppi nel prossimo futuro. Dall’astronomia alla fisica delle particelle, dall’editing genetico al riscaldamento climatico, ecco i settori della ricerca scientifica da tenere d’occhio nel 2019 secondo “Nature”

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Progetti polari
A gennaio, ricercatori statunitensi e britannici scenderanno in Antartide per iniziare la loro più grande missione congiunta nel continente da oltre 70 anni. Lo scopo del progetto quinquennale è capire se il ghiacciaio Thwaites, remoto e apparentemente instabile, inizierà a collassare nei prossimi decenni. Il progetto prevede lo studio delle condizioni oceaniche vicino al ghiacciaio, che ha le dimensioni della Florida, circa metà dell’Italia, usando veicoli sottomarini a navigazione autonoma e foche equipaggiate con sensori.

Un iceberg staccatosi dalla Penisola Antartica (Credit: agefotostock/AGF)

Più oltre nell’anno, scienziati europei progettano di iniziare la perforazione di Little Dome C, nella calotta glaciale antartica, nel tentativo di recuperare una carota di ghiaccio vecchia di 1,5 milioni di anni. Se avranno successo, la carota produrrà la più antica registrazione del clima e delle condizioni atmosferiche primordiali.

Una montagna di denaro
Verso la fine del 2019, quando tutti i paesi avranno pubblicato i dati di spesa del 2018, la Cina potrebbe classificarsi come il più grande investitore del mondo in ricerca e sviluppo, tenendo conto del potere d’acquisto della sua valuta. A partire dal 2003, in Cina le spese per la scienza hanno subito un’accelerazione, anche se il paese è ancora dietro gli Stati Uniti nei parametri di qualità della ricerca. In Europa, i funzionari cercheranno un accordo su come distribuire il fondo proposto di 100 miliardi di euro con il prossimo programma di finanziamento della ricerca dell’Unione europea, Horizon Europe, che partirà nel 2021. Non è chiaro in che misura potranno partecipare i ricercatori britannici, poiché l’incertezza sulla Brexit continua ad affliggere il paese.

Origini umane

Altri fossili che illuminano le origini di antiche specie di ominidi potrebbero emergere dalle isole dell’Asia sudorientale – una regione di grande interesse da quando, nel 2003, gli archeologi hanno scoperto una specie di hobbit simile all’uomo sull’isola indonesiana di Flores. Gli scavi in corso potrebbero rivelare di più sui primi abitanti umani dell’isola filippina di Luzon, compreso se il loro isolamento abbia portato a una piccola statura, come potrebbe essere accaduto su Flores.

Ricostruzione del cranio dell’uomo di Flores, scoperto nella cava di Liang Bua, in Indonesia (Science Photo Library/AGF)

Futuro incerto per il collisore
Potrebbe essere un anno decisivo per i piani di costruzione di un successore del Large Hadron Collider (LHC). Nel 2012, i fisici giapponesi hanno proposto di ospitare l’International Linear Collider (ILC), del costo di circa 7 miliardi di dollari, dopo che gli scienziati dell’LHC di Ginevra, in Svizzera, hanno annunciato la scoperta del bosone di Higgs. ILC studierà in dettaglio l’Higgs. Ma un rapporto del 2018 commissionato dal governo giapponese ha dato parere negativo sulla sostenibilità del progetto a causa dei costi. Il Giappone è l’unico paese che ha mostrato interesse a ospitare l’ILC e il governo dovrebbe rilasciare una dichiarazione in merito alle sue intenzioni entro il 7 marzo.

La ricaduta dell’editing genetico
I genetisti continueranno ad occuparsi delle ripercussioni dell’annuncio fatto nel 2018 da He Jiankui di aver contribuito a produrre i primi bambini geneticamente editati al mondo. I ricercatori sperano di verificare se He, che si occupa di editing genomico presso la Southern University of Science and Technology di Shenzhen, in Cina, ha modificato i geni di due embrioni che hanno dato origine a due gemelle. In seguito a una protesta internazionale, gli scienziati cercheranno di scoprire qualsiasi potenziale effetto collaterale del processo e di creare un quadro di riferimento per garantire che eventuali futuri interventi per modificare il DNA umano ereditabile – come quello di ovociti, spermatozoi o embrioni – avvengano in modo responsabile e regolamentato.

Aspettando Plan S
Le riviste su abbonamento potrebbero rivedere i loro modelli di business per adattarsi a Plan S, il progetto di convertire le pubblicazioni scientifiche in un modello completamente open access. Gli editori hanno un anno prima che i sostenitori del progetto richiedano ai ricercatori che finanziano di depositare immediatamente gli articoli accettati per la pubblicazione in archivi ad accesso gratuito, una pratica attualmente vietata da molte riviste. La spinta verso una scienza aperta è alla base anche di un progetto del 2019 di finanziatori e organizzazioni di ricerca dei Paesi Bassi che cerca di fare a meno dell’uso di citazioni e impact factor per valutare i ricercatori.

La Bibbia della biosicurezza
L’Organizzazione mondiale della sanità prevede di terminare una revisione importante del suo Manuale sulla biosicurezza in laboratorio a metà del 2019. Le linee guida, ampiamente utilizzate, definiscono le migliori pratiche per la gestione sicura di agenti patogeni come Ebola. Questa è la prima revisione del manuale dal 2004. Le revisioni aumenteranno l’attenzione verso la creazione di valutazioni del rischio specifiche per sito e per esperimento e verso il miglioramento della gestione, delle pratiche e della formazione del personale di laboratorio. Il ripensamento mira a scoraggiare i laboratori che affrontano la biosicurezza in modo meccanico e a incoraggiare la definizione di procedure più flessibili ed efficaci.

SPL/AGF

Armeggiare con il clima
Mentre le emissioni di carbonio continuano a salire, il 2019 potrebbe vedere i primi esperimenti che mirano esplicitamente a capire come raffreddare artificialmente il pianeta usando una pratica chiamata geoingegneria solare. Gli scienziati dello Stratosferic Controlled Perturbation Experiment (SCoPEx) intendono spruzzare pennacchi da 100 grammi di particelle di un materiale simile al gesso nella stratosfera per osservare come si disperdono. Tali particelle potrebbero finire per raffreddare il pianeta riflettendo parte dei raggi del Sole nello spazio. Chi considera scetticamente la geoingegneria teme però che la pratica possa avere conseguenze imprevistee distrarre dagli sforzi per ridurre le emissioni di gas serra. Il team SCoPEx, guidato dagli Stati Uniti, attende il via libera da un comitato consultivo indipendente.

Grandi speranze

Marcia pro cannabis a Toronto, in Canada (ZUMAPRESS.com / AGF)

I ricercatori canadesi dovrebbero iniziare a vedere i primi risultati di una serie di studi sulla coltivazione e sulla biologia di base della cannabis. Nell’ottobre 2018, il paese ha legalizzato la pianta per tutti gli usi. È la seconda nazione al mondo a farlo, dopo l’Uruguay, portando sulla ricerca sulla marijuana una pioggia di denaro inatteso da parte dei governi provinciali e federale. Entro la fine del 2019, i ricercatori dell’Università di Guelph sperano di lanciare il primo centro accademico del Canada dedicato alla ricerca sulla cannabis, che la studierà a 360 gradi, dalla genetica della pianta ai suoi benefici per la salute.

Segnali cosmici
Il più grande radiotelescopio del mondo – l’Aperture Spherical Radio Telescope, con un’apertura di 500 metri – dovrebbe essere pienamente operativo e disponibile per i ricercatori da settembre. Dall’inizio della fase di commissioning, nel 2016, il mega-telescopio da 1,2 miliardi di yuan (circa 150 milioni di euro) ha individuato più di 50 nuove pulsar: stelle dense, morte e che ruotano rapidamente. Presto andrà in caccia di deboli segnali prodotti da fenomeni come i lampi radio veloci e nuvole di gas cosmico. Nel frattempo, gli astronomi decideranno se procedere con la costruzione del Thirty Meter Telescope sulla montagna hawaiana Mauna Kea. Nel 2018, i progetti hanno superato l’ultima di una lunga serie di cause legali presentate dalle popolazioni locali.

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Illustrazione del futuro Thirty Meter Telescope (Cortesia TMT Observatory Corporation)





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Crediti :

le Scienze, Nature

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thumb Edoardo Maria Mollica
12/23/2013

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