Anatomia e fisiologia

Il potere quantistico del naso

Il potere quantistico del naso

Elia Magrinelli

giugno 5th, 2017

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Sentendo la parola “quantum” a che cosa pensate? Forse ai computer quantistici, alla serie anni ’80 “Quantum Leap” oppure a Daniel Craig in “007-Quantum of Solace”, o forse la parola “Quantum” vi suona semplicemente complicata e senza senso ed ora state pensando ad una pizza. Per quanto possa sembrare strana e lontana dalla realtà quotidiana la fisica quantistica fa parte della nostra biologia ed avviene proprio davanti al nostro naso, o meglio nel nostro naso e serve proprio a farci percepire cose come il profumo della pizza.

In passato si pensava che il modo col quale il nostro naso ci permette di distinguere gli odori fosse basato su un principio alquanto semplice: quando una molecola entra nel nostro naso essa interagisce con una serie di recettori attivandoli o disattivandoli in base alla sua forma, come una chiave ed una serratura. Quest’informazione, assieme alle informazioni contingenti che provengono dagli altri sensi ci permettono di distinguere quello che stiamo odorando. Quindi se il nostro naso entra in contatto con l’acido butirrico e guardiamo un piatto di pasta pensiamo ad una pasta condita di formaggio, ma se odoriamo questa molecola uscendo da una corsa sulle montagne russe pensiamo al vomito. L’acido butirrico è presente sia nel formaggio che nel vomito e pertanto si lega agli stessi recettori indipendentemente da dove proviene.

C’è però un problema con questo modello di chiave e serratura: prendiamo il caso di molecole diverse che contengono atomi di Zolfo ed Idrogeno, questi composti possono avere una serie di forme e dimensioni diverse. Per via della variabilità di forme e dimensioni di questi composti, ciascuno di essi dovrebbe poter essere riconosciuto da un recettore apposito nel nostro epitelio olfattivo e farci percepire odori diversi, ma non è questo quello che avviene in realtà. Lo Zolfo e l’Idrogeno stimolano un odore simile alle uova marce.

Per spiegare il modo in cui il nostro naso riesce a farci distinguere alcuni odori si è dovuto cominciare ad utilizzare la meccanica quantistica secondo la teoria della vibrazione olfattiva. Il modello di questa teoria descrive un meccanismo diverso a quello di chiave e serratura. Il nostro epitelio olfattivo utilizzerebbe un effetto della meccanica quantistica chiamato effetto tunnel. Questo meccanismo descrive un processo nel quale una particella è in grado di passare al di là di una barriera che secondo le leggi della meccanica classica ne bloccherebbe il passaggio. Immaginiamo una molecola come una sfera, un pallone, al quale imprimiamo una certa forza. Davanti al pallone si trova una piccola collina, una barriera fisica. Se la forza data al pallone è sufficiente a farlo passare oltre la collina questa può passarci sopra e finire dall’altra parte di questa. Se l’energia donata non è sufficientemente forte, la palla non riuscirà a passare oltre la collina e tornerà indietro.

Questo modello è del tutto valido nella meccanica classica, ma se andiamo al livello della fisica quantistica le cose cambiano. Per atomi e particelle quantiche anche quando l’energia di spinta non è sufficiente a passare oltre la barriera, esiste una percentuale di probabilità che la particella riesca comunque a passare oltre la barriera utilizzando energia che proviene da ciò che gli sta intorno. Il nostro naso potrebbe pertanto usare questo meccanismo per distinguere gli odori di diverse molecole in base alle loro vibrazioni. Se questa teoria fosse corretta dovremmo riuscire a distinguere odori di molecole in base non solo alla loro forma e dimensione, ma anche al modo in cui vibrano.

Per testare questa teoria sono stati utilizzate diverse molecole, ciascuna delle quali utilizzata nella forma comune contenente atomi di idrogeno e una forma ingegnerizzata contenente deuterio, un isotopo dell’idrogeno più pesante. Mentre il nucleo di un tipico atomo di idrogeno contiene un protone, il nucleo del deuterio è composto da un protone ed un neutrone. Pertanto le molecole che contengono idrogeno e le loro corrispondenti con il deuterio erano uguali per dimensione e forma, ma possedevano un peso diverso e quindi un diverso modo di vibrare. Se il modello della chiave e serratura è corretto non sarebbe possibile comprendere la differenza di odore tra una molecola contenente idrogeno ed il suo corrispondente contenente deuterio, ma contrariamente a questo modello i risultati hanno mostrato come sia possibile distinguere dall’odore molecole identiche per forma ma con peso e vibrazione diversa. (Referenze: http://www.pnas.org/content/112/25/E3154 https://www.nature.com/articles/srep21893 )

Sebbene siano ancora presenti molti interrogativi su questa teoria e la sua veridicità è interessante considerare come l’olfatto non sia l’unico caso di utilizzo di meccanica quantistica in biologia: sia la capacità di orientamento degli uccelli che il processo di fotosintesi utilizzano fenomeni di meccanica quantistica, che a questo punto diventa biologia quantistica. Parte di quello che osserviamo e registriamo ogni giorno avviene grazie a meccanismi che si verificano a queste scale di grandezza minuscole, inclusi tutti quei processi che ci permettono di sentire il profumo di una buona pizza.

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One Comment

  1. Estremamente interessante. Questo è il tipo di aggiornamento sui progressi scientifici che vorrei avere.

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