Uno studio pubblicato su Nature Communications ha chiarito le dinamiche con cui le piante convertono la radiazione solare in energia chimica. La ricerca è frutto del lavoro congiunto tra CNR Nano di Modena, Università dell’Aquila, Princeton University e Max Planck Institute.
I calcoli di dinamica quantistica e i modelli computazionali avanzati hanno smentito l’esistenza di percorsi multipli per gli elettroni. Il flusso segue un’unica via determinata dalla clorofilla, regolata direttamente dai movimenti dell’acqua interna.
Come il Fotosistema II gestisce la conversione energetica
La fotosintesi trasforma anidride carbonica e acqua in glucosio e ossigeno sfruttando l’energia solare. Il processo si articola in una fase luminosa, deputata alla generazione di composti energetici, e in una successiva fase oscura mirata alla sintesi degli zuccheri.
La cattura della luce avviene nei fotosistemi, complessi proteici dotati di un’antenna per convogliare la radiazione e di un centro di reazione (RC). Nel centro di reazione avviene la separazione di carica fondamentale per generare corrente biologica.
Nelle piante operano in sequenza il Fotosistema I (PSI) e il Fotosistema II (PSII). Quest’ultimo gestisce la reazione di scissione delle molecole d’acqua e il conseguente rilascio di ossigeno nell’atmosfera.
Schema strutturale del Fotosistema II responsabile della scissione dell’acqua.
Il dilemma teorico sulle traiettorie degli elettroni
Nel centro di reazione del PSII operano sei pigmenti: quattro clorofille e due feofitine. Il loro compito è trasferire cariche elettriche da una molecola all’altra per produrre un flusso stabile.
I ricercatori si sono a lungo divisi su due percorsi alternativi:
- La via del P680: il nucleo centrale P680 cede per primo l’elettrone alla clorofilla accessoria (ChlD1), che lo trasmette alla feofitina (PheoD1).
- La via della clorofilla accessoria: la clorofilla ChlD1 trasferisce direttamente la carica alla feofitina, venendo poi reintegrata dal P680.
Le misurazioni di laboratorio avevano rilevato due velocità di trasferimento molto distanti tra loro, misurate rispettivamente in femtosecondi e in picosecondi. Tale discrepanza aveva spinto la comunità scientifica a ipotizzare l’azione simultanea di entrambi i percorsi.
La risoluzione quantistica: un solo percorso controllato dall’acqua
I calcoli quantistici hanno dimostrato che la via del P680 risulta termodinamicamente sfavorita a temperatura ambiente, escludendola dal processo reale. La separazione di carica sfrutta esclusivamente il passaggio diretto tra clorofilla accessoria e feofitina.
La coesistenza di due velocità operative non deriva da percorsi chimici distinti, bensì dall’interazione fisica dell’ambiente molecolare circostante.
Le due scale temporali che regolano il flusso
- Vibrazioni della proteina (femtosecondi): le rapide oscillazioni termiche della matrice proteica alterano la distanza e l’orientamento dei pigmenti, innescando salti elettronici ultra-veloci.
- Riorientamento dell’acqua (picosecondi): i canali idrici interni modificano il campo elettrostatico su tempi più lunghi, fungendo da freno o acceleratore per la corrente.
L’acqua presente nel fotosistema svolge un ruolo meccanico attivo oltre a quello chimico. La sua riorganizzazione strutturale controlla direttamente il rendimento e i tempi di trasferimento dell’energia solare.
