Cos’è la fotosintesi: un processo solo apparentemente semplice

In linea generale, la fotosintesi può essere descritta come un processo relativamente semplice: piante, alghe e alcuni batteri utilizzano la luce solare e l’anidride carbonica per produrre energia chimica ed ossigeno.
Dietro questa definizione scolastica, tuttavia, si nasconde uno dei meccanismi più sofisticati e affascinanti della natura, tanto efficiente da mettere in crisi perfino i modelli classici della fisica.

Negli ultimi decenni, infatti, la ricerca scientifica ha mostrato come la fotosintesi non sia soltanto un insieme di reazioni biochimiche, ma coinvolga anche fenomeni tipici della meccanica quantistica, una branca della fisica che normalmente associamo al mondo subatomico e non agli organismi viventi.

I cianobatteri: antichi architetti della vita sulla Terra

I cianobatteri sono un phylum di batteri fotosintetici: appartengono al Dominio dei Prokaryota, al Regno dei Bacteria e al Phylum dei Cyanobacteria. Un tempo venivano chiamati, in modo improprio, alghe azzurre.

Si tratta di organismi unicellulari procarioti fotoautotrofi, cioè capaci di sintetizzare molecole organiche a partire da sostanze inorganiche e utilizzando l’energia della luce solare. Dal punto di vista tassonomico, rappresentano uno dei 23 phyla del Regno dei Bacteria, mentre dal punto di vista evolutivo, i cianobatteri hanno avuto un ruolo cruciale nella storia del pianeta: si ritiene, infatti, che siano stati i primi organismi a produrre ossigeno atmosferico come sottoprodotto della fotosintesi ossigenica, contribuendo in modo determinante alla trasformazione dell’atmosfera terrestre.

Come funziona la fotosintesi nei cianobatteri

In modo analogo a quanto avviene nelle alghe, nei muschi, nelle felci e nelle piante superiori, la fotosintesi nei cianobatteri avviene nella membrana tilacoidea. Questa è costituita da un complesso sistema di sacculi delimitati da membrane, immersi nel liquido stromatico che si trova, a sua volta, all’interno del cloroplasto.

La differenza principale tra la fotosintesi dei cianobatteri e quella delle piante verdi “superiori” riguarda il range di assorbimento della luce. Ciò perchè oltre alle clorofille tradizionali, i cianobatteri possiedono pigmenti accessori e colorati, tra cui:

• ficobiline;
  
• ficocianina;
  
• ficoeritrina;
  
• alloficocianina.
  

Questi pigmenti consentono di sfruttare porzioni dello spettro luminoso che normalmente non vengono utilizzate dalle piante verdi “superiori”, aumentando l’efficienza complessiva del processo fotosintetico.

Un enigma biologico: la velocità della fotosintesi

Per molti anni, ciò che ha lasciato perplessi i biologi non è stato come avviene la fotosintesi, ma con quale rapidità ed efficienza.

Immaginiamo un singolo fotone che, dopo aver viaggiato per miliardi di chilometri nello spazio, colpisce un elettrone all’interno di un minuscolo batterio fotosintetico che galleggia nelle acque terrestri, o in una foglia mossa dal vento.
L’elettrone eccitato inizia a “rimbalzare” tra i complessi antenna del fotosistema, trasferendo energia fino al centro reattivo, dove essa viene trasformata in energia chimica.

Secondo la fisica classica, questo processo dovrebbe richiedere un tempo finito e comportare una perdita significativa di energia sotto forma di calore. Tuttavia, gli esperimenti mostrano che:

• il trasferimento di energia è estremamente rapido;
  
• la dispersione di calore è quasi nulla, tanto da essere trascurabile.
  

In sostanza, è un comportamento che sembra violare le previsioni dei modelli classici.

L’ipotesi quantistica

Secondo Gregory Scholes, fisico dell’Università di Toronto, Canada, esperimenti condotti con laser monocromatici su alghe verdi e cianobatteri mostrano come durante la fotosintesi si instauri un fenomeno di coerenza quantistica: molecole di pigmento vicine tra loro entrano in uno stato oscillatorio coerente che, in meccanica quantistica, viene descritto come entanglement (intreccio quantistico). In questo stato, il sistema non può più essere descritto come una semplice somma di parti indipendenti, ma come un’unica entità quantistica.

La sovrapposizione degli stati: molte strade, una sola scelta

Dal punto di vista quantistico, l’elettrone eccitato non percorre una sola traiettoria all’interno del fotosistema ma, grazie al principio di sovrapposizione degli stati, può esplorare simultaneamente più percorsi possibili, scegliendo di fatto quello più efficiente.

In termini semplici, il fotone catturato da una molecola di clorofilla eccita un elettrone che:

• non segue un’unica strada;
  
• non perde energia inutilmente;
  
• arriva al centro reattivo nel modo più rapido possibile.
  

Questo meccanismo permette alla fotosintesi di raggiungere un’efficienza straordinaria: il processo fotosintetico converte circa il 99% dell’energia solare in energia chimica — un valore irraggiungibile per qualunque cella fotovoltaica attuale.

Il caso estremo dei batteri verdi sulfurei

Un esempio ancora più sorprendente è rappresentato dai batteri verdi sulfurei, come quelli del genere Chlorobium.

Questi organismi vivono fino a 2000 metri di profondità negli abissi marini, dove la luce solare è estremamente scarsa, eppure, riescono a sfruttare quasi il 100% della luce disponibile. Studi basati su tecniche di microscopia non-lineare ultrarapida hanno dimostrato che il trasporto di energia nei complessi pigmento-proteina (PPC) è molto più dinamico di quanto si pensi.

Le vibrazioni delle strutture proteiche entrano in risonanza con le onde degli eccitoni (particelle eccitate), permettendo uno scambio continuo di energia che mantiene la coerenza quantistica senza disturbarla.

La vita parla quantistico?

Come ha affermato Gregory Scholes:

“In un certo senso è come se alghe e batteri sapessero qualcosa di meccanica quantistica due miliardi di anni prima dell’uomo.”

Sorgono, quindi, spontaneamente i seguenti interrogativi: quanto sono stati fondamentali i fenomeni quantistici per l’origine e lo sviluppo della vita sulla Terra?
Quanti meccanismi simili devono ancora essere scoperti?
E soprattutto: potrebbero esistere processi analoghi anche altrove nell’universo?

Fino a pochi anni fa si riteneva che i sistemi viventi fossero troppo “caldi e rumorosi” per sostenere fenomeni quantistici come la coerenza. Oggi, la fotosintesi dimostra il contrario, aprendo una nuova prospettiva sul legame profondo tra fisica e biologia.

Alice Bei

12 marzo 2026