Ai miei tempi da studente universitario, mi sono spesso imbattuto in quella che in seguito mi è piaciuto definire la “mentalità da derby” degli studenti universitari. Nel calcio, un “derby” è una partita tra rivali locali, ovvero squadre appartenenti alla stessa città. Nonostante condividano la stessa casa, la stessa storia locale e gli stessi ideali, i sostenitori di squadre diverse si impegnano in feroci lotte motivate solo dall’orgoglio: un orgoglio la cui logica nessuno capisce, ma che fa solo sentire meglio le persone. Allo stesso modo, gli studenti di matematica disprezzano gli ingegneri per la loro mancanza di formalità, i chimici accusano i biologi di ignorare le leggi della termodinamica e gli sperimentatori prendono in giro i teorici per essere troppo speculativi. Per me, tutti questi battibecchi sembravano assurdi. Non stavamo perseguendo lo stesso obiettivo, imparare cose nuove, solo con strumenti diversi?
Alla fine, ti laurei, cresci e ti rendi conto di quanto spesso pezzi nascosti di conoscenza si trovino al confine tra diverse discipline. Questo è ciò che un team di ricercatori del Dipartimento di Fisica, Biochimica e Chimica ha dimostrato quando hanno unito le forze per scrutare uno dei puzzle più interdisciplinari della scienza: la fotosintesi.
“La fotosintesi è uno degli enigmi più interdisciplinari della scienza”
I loro risultati sono ora pubblicati su Nature. In poche parole, la fotosintesi consiste nell’utilizzare l’energia della luce solare per spostare gli elettroni da un lato all’altro della cellula. Queste minuscole particelle cariche lasciano l’acqua (che viene ossidata in ossigeno, che a sua volta respiriamo) per raggiungere infine l’anidride carbonica (che viene ridotta in zuccheri, la fonte di energia per le piante) in un altro posto molto lontano. Sfortunatamente per noi, questa consegna avviene molto rapidamente, entro miliardesimi di secondo. Per questo motivo, le persone potevano capire cosa fanno le piante solo “da un certo punto in poi”. Ora, gli scienziati di Cambridge sono riusciti a intercettare ed estrarre elettroni molto precoci, generati immediatamente dopo che un raggio di luce colpisce la foglia, il che equivale più o meno a catturare un proiettile nel momento in cui esce dalla canna.
Per fare ciò, gli autori del lavoro hanno combinato cellule viventi e laser per osservare la velocità con cui si muovono gli elettroni, utilizzando una tecnica nota come spettroscopia di assorbimento transitorio (TAS). Continuando con l’analogia balistica, qui, il grilletto viene premuto con un impulso laser e le riprese dinamiche del proiettile vengono riprese in minuscole frazioni di secondo utilizzando un raggio ottico continuo. Sembra un esperimento complicato, quindi ho chiesto a Tomi Baikie, co-primo autore del lavoro e NanoFutures Fellow presso il Cavendish Laboratory, Dipartimento di Fisica, quanto fosse difficile combinare la biologia con l’ottica. “Sorprendentemente, è stato molto più semplice del previsto una volta ottimizzato per la biologia”, ascolto la sua risposta con una certa sorpresa, “Puoi illuminare con luce rossa le cellule fotosintetiche in strumenti da banco, simulando la luce del sole. La novità di questo lavoro è stata lo studio delle cellule in vivo, cioè nel loro insieme, che può dare più informazioni rispetto al semplice studio dei pezzi isolati”.
Le foglie sono verdi, il che significa che filtrano il rosso dalla luce che ricevono dal Sole. Quando un raggio ottico continuo (la telecamera ad alta velocità dell’analogia) viene puntato sulla foglia, l’intensità della porzione rossa di tale raggio che passa attraverso la foglia diminuisce, il che può essere verificato con un rilevatore. Ciò accade proprio perché gli elettroni assorbono continuamente la luce rossa. Non appena viene puntato un forte impulso laser rosso (il trigger), gli elettroni passano a uno stato di alta energia, in cui non assorbono più la luce rossa. Tuttavia, questo dura per un tempo molto breve, perché subito dopo iniziano a essere trasferiti, recuperando lo stato originale di assorbimento del rosso. Nel rilevatore del raggio laser, il segnale subisce un improvviso salto dopo l’impulso laser e poi torna al valore originale entro un certo intervallo di tempo. La variazione di questo segnale nel tempo è l’output di un esperimento TAS. Il tempo necessario affinché il segnale venga recuperato fornisce informazioni sulla velocità a cui si muovono gli elettroni e sul loro stato energetico fotogramma per fotogramma.
“Gli scienziati di Cambridge sono riusciti a intercettare i primi elettroni, l’equivalente di catturare un proiettile non appena esce dalla canna”
È interessante notare che possiamo studiare la stessa dinamica attaccando le cellule agli elettrodi (come quelli delle batterie) e catturando gli elettroni generati dalla luce. “Non sappiamo perché lo facciano, ma alcuni organismi fotosintetici emettono elettroni in modo naturale”, afferma Robin Horton, dottorando presso il Laboratorio di Chimica di Zhang. Anche in questo caso, mi aspettavo che immobilizzare la materia vivente su elettrodi artificiali fosse un compito arduo, ma Robin mi rassicura, spiegando che “usando materiali altamente porosi come supporti, le nostre creature rimangono felicemente lì”.
Mi è diventato sempre più chiaro che ciò che ha reso questa scoperta una rivista di grande impatto non è stato l’uso di metodi sperimentali o teorie avanzate, ma piuttosto il coraggio di intraprendere uno sforzo collaborativo. La scienziata vegetale Laura Wey ha coltivato, nutrito e progettato cellule viventi. Poi le ha consegnate al Cavendish Laboratory pronte per essere esaminate sotto raggi laser in una stanza buia. “L’idea era concettualmente molto semplice”, sostiene Tomi, “Ciò che ha fatto la differenza è stato questo piccolo termine qui”, continua, evidenziando la parola “ultraveloce” accanto a “spettroscopia” sul suo laptop. Spiega che i metodi ottici ultraveloci (millesimi di miliardesimi di secondo di scala temporale) non sono nuovi, ma di solito sono dedicati all’esplorazione di materiali per dispositivi come le celle solari. “Ci siamo davvero imbattuti in una nicchia davvero interessante”, conclude Tomi. Lo studio ha anche avuto molta risonanza per le sue potenziali implicazioni pratiche. Se riuscissimo a catturare gli elettroni eccitati dalla luce prima che vengano trasferiti più lontano nelle cellule, potremmo potenzialmente “cablare” la fotosintesi e utilizzare quelle cariche nelle celle solari.
Forse, però, per una volta dovremmo smettere di chiedere alla scienza rivoluzioni tecnologiche e apprezzare solo la bellezza della scoperta. Quando chiedo a Robin perché dovremmo continuare a studiare la fotosintesi, inizialmente osservano che “le piante prendono la luce solare e la trasformano in energia, quindi se la studiamo, possiamo hackerarla e forse risolvere la crisi energetica”, ma dopo una breve pausa rispondono aggiungi “… probabilmente no e moriremo tutti a causa del riscaldamento globale, indipendentemente dalla ricerca che farò. Risolvere la crisi climatica richiederà sicuramente un’azione collettiva e interdisciplinare”. Poi aggiungono: “La fotosintesi è davvero intelligente. Si è evoluto per 3,4 miliardi di anni. Mi piace studiarlo perché è davvero fantastico!”
Ci divertiremo sempre con i derby, ma a volte dobbiamo accettare quanto grande impatto possiamo avere con idee semplici unendoci ai “rivali”. E Cambridge è un posto eccellente per farlo.
