Aspetti biologici della fisica quantistica

La meccanica quantistica ha ormai oltre un secolo, da quel pomeriggio d’autunno del 1900 in cui Max Planck scoprì che gli scambi di energia nei fenomeni di emissione e di assorbimento delle radiazioni elettromagnetiche avvengono in forma discreta, non già in forma continua come sosteneva la teoria elettromagnetica classica. Da quel momento, la rivoluzione scientifica che ebbe luogo portò a scoperte sensazionali sulla struttura più intima della materia e dell’Universo, introducendo aspetti e caratteristiche completamente nuovi per gli scienziati dell’epoca.

La Biologia Quantistica.

E’ un campo scientifico ancora relativamente giovane in cui fisici teorici (il più impegnato è il
fisico teorico inglese Jim Al-Khalili), chimici e biologi molecolari di tutto il mondo stanno
lavorando alla raccolta di dati sperimentali e intuizioni speculative nel comune intento di fare
luce – attraverso la meccanica quantistica – su alcuni aspetti ancora poco conosciuti che
riguardano la biologia. Di recente pubbicazione questo teso fondamentale che raccoglie gli
ultmi decenni di ricerche sul legame profondo tra le due materie.

Ci soffermeremo solo sui 3 esempi più consolidati nei rispettivi ambiti: vegetale, animale e
umano, rimandando un’analisi più approfondita alla pubblicazione di ulteriori dati dalla
comunità scientifica. Ciò che interessa soprattutto evidenziare è l’inevitabile collegamento di
fenomeni fisici complessi quali l’indeterminazione, l’effetto Tunnel e l’entanglement o “non
località” (definito dallo stesso Einstein come “un’azione spettrale a distanza“) all’interno di
strutture biologiche. Un collegamento che ci porta ancora una volta a ribadire come le
strutture più intime della materia siano tra loro interconnesse nel Tutto universale.

1- Fotosintesi clorofilliana

La fisica quantistica si occupa della descrizione del comportamento della materia, con
particolare riguardo alle scale subatomiche, e poiché la materia è pressoché ovunque
nell’Universo – ma soprattutto negli esseri viventi – c’era da aspettarsi che prima o poi
venissero alla luce gli aspetti derivanti dalle leggi quantistiche sulla biologia umana, animale e
vegetale. Le cellule sono costituite da atomi e, a un livello base, tutti gli atomi obbediscono alle
leggi della meccanica quantistica.
Da un certo punto di vista, il processo di fotosintesi appare piuttosto semplice: le piante, le
alghe verdi e alcuni tipi di batteri ricevono la luce solare e l’anidride carbonica e li
trasformano in energia. Ciò che però disorienta e lascia perplessi i biologi è la velocità
dell’intero processo. Un fotone (una particella di luce) dopo un viaggio di miliardi di
chilometri nello spazio, si scontra con un elettrone della foglia dell’albero; questo elettrone,
colpito dall’energia del fotone, inizia a rimbalzare come una pallina di flipper facendosi strada
attraverso una piccola parte delle cellule della foglia e rilascia la sua energia eccedente a una
molecola che può così agire come carburante chimico per alimentare la pianta. La fisica
classica suggerirebbe che l’elettrone eccitato impiegasse un certo tempo (finito) per
trasportare la sua energia al meccanismo fotosintetico della cellula, prima di emergere
dall’altro lato. In realtà, l’elettrone compie il suo percorso “troppo” velocemente.
Inoltre, l’elettrone perde pochissima energia in tutto il processo. La fisica classica
prevederebbe un certo spreco di energia durante la fase di multipli rimbalzi della particella
nel “flipper molecare”. Il processo, invece, è troppo rapido, lineare ed efficiente.
Gregory Scholes dell’Università di Toronto, nei suoi esperimenti sulle alghe attraverso laser
monocromatici (vedi qui la sua pubblicazione ) è riuscito a verificare il fenomeno di coerenza
quantistica e di sovrapposizione degli stati durante il processo di fotosintesi. Molecole vicine
partecipano a uno stato oscillatorio coerente, e quindi “entangled” dal punto di vista
quantistico. La particella non deve percorrere una traiettoria per volta, ma trovandosi in una
sovrapposizione di stati può percorrerle tutte simultaneamente. Ciò spiega la rapidità e
l’efficienza del processo in quanto l’eccitazione riguarda da subito due o più molecole, che dal
punto di vista quantistico rappresentano un sistema unico, anche se fisicamente separate.
Il fotone catturato da una molecola di clorofilla viene trasportato al centro reattivo dove poi
viene trasformato in energia chimica. Nel tragitto non segue una strada sola; segue più strade
nello stesso momento per arrivare al centro reattivo nel modo più efficiente, senza
disperdersi come calore. Coerenza quantistica all’interno di una cellula. Un’idea straordinaria,
provata dalla continua pubblicazione di nuovi studi che confermano la sua veridicità.
“Questi organismi hanno sviluppato strategie quantomeccaniche per ottenere un vantaggio
evolutivo?” ha dichiarato Scholes “In un certo senso è come se le alghe sapessero qualcosa di
meccanica quantistica due miliardi di anni prima dell’uomo”.

2 – Migrazione degli uccelli o “Robin_entanglement”

Il pettirosso europeo migra dalla Scandinavia al Mediterraneo, ogni autunno, e come molti
altri insetti e animali marini si orienta rispetto al campo magnetico terrestre. Il campo
magnetico terrestre è molto, molto debole, cento volte più debole di una calamita da frigo,
eppure riesce a influenzare la chimica degli organismi viventi. Su questo non c’è dubbio: negli
anni Settanta due ornitologi tedeschi, Wolgang e Roswitha Wiltschko, confermarono che il
pettirosso si orienta perché il campo magnetico terrestre gli dà indicazioni sulla direzione,
come una bussola incorporata. Già nel 2009, uno studio dell’Università di Irvine, California ,
aveva scoperto che la bussola magnetica biologica degli uccelli si basava su una proteina con
una particolare sensibilità direzionale: il crittocromo, contenuto nella retina. Tuttavia solo nel
2011 l’Università di Oxford ha messo a punto uno studio dettagliato che ha rilevato fenomeni
quantistici di entanglement nelle molecole ottiche del pettirosso europeo.
Una descrizione semplificata del fenomeno è la seguente: il critocromo viene colpito da un
fotone di luce; quindi, gli elettroni della molecola si eccitano e vengono liberati, mantenendo
uno stato di entanglement, per poi riunirsi in una nuova molecola che li accetta. Nel tragitto,
gli spin degli elettroni sono influenzati dal magnetismo terrestre perciò quando si riaggregano
alla molecola, trasportano con sé l’informazione del campo, restituendo il fotone che li aveva
eccitati in precedenza e colpendo il nervo ottico. A questo punto il nervo ottico dispone di una
sorta di “visione” del campo magnetico terrestre, necessario per la navigazione e
l’orientamento.

3 – La migrazione delle Farfalle Monarca.
Lo stesso meccanismo appena descritto è stato rilevato anche nella migrazione delle Farfalle
Monarca che trascorrono l’estate nel Canada meridionale e migrano verso il Messico durante
l’inverno. Gli insetti sono privi di un cervello, ma per le Monarca il crittocromo è stato rilevato
nelle antenne e svolge esattamente la stessa funzione di rilevazione del campo magnetico già
vista per il pettirosso europeo.

Per secoli ha dominato un punto di vista dualista: pneuma e hylé, materia e spirito fino alla
distinzione cartesiana fra res cogitans e res extensa
Nelle moderne neuroscienze esiste forte la tendenza al “monismo radicale” che riduce il
problema mente-cervello ai processi biochimici neuronali.
A questo si contrappone il “monismo emergentista” per il quale le entità mentali hanno un
ruolo emergente ma anche causale: la mente è l’elemento essenziale per collegare gli eventi
esterni con l’architettura funzionale (e plastica) del cervello.

Emergenza di fenomeni mentali

Dualismo naturalista
Il filosofo D. Chalmers ha proposto che la mente/coscienza abbia una propria ontologia
ovvero che sia qualcosa di fondamentale, un mattone fondamentale della natura.
CASO versus SINTROPIA
SINTROPIA = movimento insieme, coordinato
Per CASO in filosofia s’intende ciò che contraddistingue:
o un avvenimento che si verifica senza una causa definita e identificabile, contraddicendo
così ogni teoria deterministica che assegna ad ogni accadimento una precisa causa;
o un evento accaduto per cause che certamente vi sono ma non sono conosciute
impedendo la predicibilità degli effetti.
Il CASO in biologia : “ Le alterazioni nel DNA sono accidentali, avvengono a caso. E poiché esse
rappresentano la sola fonte possibile di modificazione del testo genetico, a sua volta unico
depositario delle strutture ereditarie dell’organismo, ne consegue necessariamente che
soltanto il caso è all’origine di ogni novità, di ogni creazione nella biosfera. Il caso puro, il solo
caso, libertà assoluta ma cieca…’’
(Jacques Monod Premio Nobel; “Il caso e la necessita’”- 1970 ).

Il principio che si affermava in quegli anni era quindi:

MUTAZIONI CASUALI + SELEZIONE NATURALE
La teoria dell’evoluzione di Darwin si basa su cinque punti fondamentali:
gli organismi generano una prole troppo numerosa rispetto alle risorse disponibili per
garantirne la sopravvivenza, per questo è sempre in atto una lotta per l’esistenza;
non tutti gli individui riescono ad arrivare ad una maturità sessuale;
in ogni popolazione, dopo un periodo di tempo sufficientemente lungo, esiste una
variabilità tra i caratteri portati da individui diversi;
tra i singoli individui ci sono differenze non indotte dall’ambiente, e alcune di esse sono
ereditabili;
gli individui che riescono a sopravvivere e a riprodursi sono quelli più adatti alle interazioni
tra variazioni e ambiente, cioè che hanno ereditato caratteri favorevoli come vantaggio nella
lotta per l’esistenza. I caratteri favorevoli diventeranno sempre più frequenti di generazione
in generazione. Questo è il processo che Darwin definì “selezione naturale”.
Ma al mistero della morfogenesi si aggiunge quello di cosa informa la materia vivente
guidandone gli sviluppi epigenetici?
Davvero la straordinarietà del mimetismo animale si può speigare così o c’è qualcosaltro che
ci sfugge?

Quale motore per l’evoluzione?
In ogni cellula hanno luogo circa 130 000 reazioni biochimiche! Sono solo guidate dal caso e
dai movimenti browniani?

Nel libro “Darwin’s black box’’, Michael J. Behe, biochimico, propose l’ Intelligent Design
(2006) che non va confuso col creazionismo evolutivo (che nega l’evoluzione)
«alcune caratteristiche delle cose viventi sono spiegabili meglio attraverso una
causa intelligente, che non attraverso un processo non pilotato come la selezione naturale»
Argomento centrale è la complessità irriducibile l’impossibilità, da parte della teoria
dell’evoluzione di rendere conto dell’emergere dei complessi sistemi biochimici cellulari che,
in quanto dotati di complessità irriducibile, non possono essersi evoluti gradualmente e che
quindi devono essere stati progettati deliberatamente da qualche forma di intelligenza
immanente.
Il modo di operare della selezione naturale non può aiutare nell’evoluzione di questi sistemi
attraverso piccole modifiche successive, perché la funzionalità del sistema è presente solo
quando tutte le parti che lo compongono sono assemblate.
Questa ipotesi teologica esula dall’ambito della scienza, tuttavia i problemi sollevati sono
difficoltà reali non esorcizzabili con la ridondanza o i geni master dell’Evo-Devo
È pensabile una co-evoluzione di strutture materiali/biochimiche complesse con una
controparte «proto-mentale» che renda meno cieca e casuale l’evoluzione?
Ciò si lega logicamente al problema del rapporto fra mente e materia
(Nelle moderne neuroscienze esiste forte la tendenza al “monismo radicale” che riduce il
problema mente-cervello ai processi biochimici neuronali.)
Mente e cervello : la « strana coppia » e la fisica quantistica.
Dal punto di vista della fisica, il problema più grande posto dal rapporto fra mente e cervello
riguarda il principio di conservazione dell’energia
Come può un’entità non-materiale, la mente, controllare un sistema materiale, il cervello,
senza violare la conservazione dell’energia?

Il premio Nobel Jhon Eccles, partendo da un punto di vista dualista, vedeva nella fisica
quantistica la possibilità di spiegare come i fenomeni mentali possano influenzare il
funzionamento cerebrale. Intervento della mente sulla probabilità di esocitosi dei
neurotrasmettitori. E’ noto che danneggiamenti anche estesi della corteccia cerebrale non
implicano necessariamente la perdita di funzioni mentali superiori (Karl Pribram, modello olografico) Esiste un certo grado di indipendenza fra fenomeni mentali e processi
biochimici/neuronali.
E’ possibile argomentare in maniera rigorosa (Teorema di Gӧdel) che l’intuizione e la
creatività in matematica possono risolvere problemi NON COMPUTAZIONALI cioè:
-esistono funzioni mentali (coscienti e inconscie) impossibili da riprodurre mediante
programmi per quanto complicati di un computer per quanto potente.
Il cervello umano NON è una macchina di Turing
«Una macchina di Turing è un modello matematico di calcolo che definisce una macchina
astratta che manipola i simboli su un nastro secondo una tabella di regole. Nonostante la
semplicità del modello, dato qualsiasi algoritmo informatico, è possibile costruire una
macchina di Turing in grado di implementare la logica di quell’algoritmo».
La biochimica e l’elettrofisiologia della rete dei neuroni NON POSSONO spiegare l’esistenza di
funzioni mentali NON COMPUTAZIONALI: la teoria {mente-cervello} = {software-hardware} di
un computer biologico non è sostenibile!
L’unico fenomeno fisico che si suppone non computazionale si trova nella fisica quantistica
(collasso della funzione d’onda): tutti gli stati possibili di un sistema hanno esistenza
simultanea (principio di sovrapposizione).
Secondo Roger Penrose l’unico fenomeno fisico che si suppone non computazionale si trova
nella fisica quantistica (collasso della funzione d’onda).
Già i neuroscienziati K. Pribram e il premio Nobel J.Eccles vedevano nella fisica quantistica
l’unica risposta alla necessità di andare oltre l’elettrofisiologia e la biochimica del cervello per
spiegare come i fenomeni mentali possano influenzare il funzionamento cerebrale.
Penrose ha elaborato una teoria precisa circa le azioni non computazionali della mente
facendo ricorso all’osservazione di S. Hameroff che i citoscheletri possano essere i «cervelli»
delle cellule eucariote (Paramecio).
I microtubuli sarebbero sedi di elaborazione dell’informazione, i due stati conformazionali dei
dimeri di tubulina sarebbero gli stati «0 e 1» degli elementi logici di base.
L’ultrarete dei citoscheletri neuronali è supposta essere la sede di fenomeni fisici quantistici, e
sarebbe il supporto materiale di eventi mentali non computazionali.

Reazione del Paramecio in seguito ad uno stimolo “percepito” come pericoloso.
Nonostante i Parameci siano organismi unicellulari le azioni che compiono sono tutt’altro che
banali. Le uniche strutture deputate a queste funzioni sono i microtubuli (il citoscheletro
agirebbe come «cervello» del Paramecio).

Microtubuli e citoscheletri.

Il ruolo di microtubuli e citoscheletro è svelato anche da Anestetici.
Lo Xenon, gas nobile chimicamente inerte, è un potente anestetico (nessun anestetico agisce
chimicamente):
Nel Paramecio, interagendo con i microtubuli, inibisce la motilità
Nell’uomo spenge la coscienza e le funzioni mentali, interagendo con le tubuline dei
microtubuli nella tubulina sono presenti 47 siti per anestetici volatili.

Inoltre dato che i microtubuli neuronali modulano l’intensità della trasmissione sinaptica:
microtubuli e citoscheletri neuronali hanno un ruolo centrale nell’esistenza dei fenomeni
mentali.
Approcci teorici diversi (Teoria di Hameroff-Penrose ed altre) propongono il microtubulo
come sede di attività non computazionali.
LA FISICA QUANTISTICA presenta varie « stranezze ».
La fisica quantistica presenta il più grande mistero ad oggi
conosciuto che sfida il nostro senso comune: l’indivisibilità dei sistemi fisici legato
all’esistenza dell’”ENTANGLEMENT” è il fenomeno quantistico strano in cui due oggetti
separati condividono effettivamente la stessa esistenza, non importa quanto distanti possano
essere!
“Telepatia” fra i sottosistemi che vediamo come separati nello spazio-tempo.
Essa studia l’evoluzione temporale (la dinamica) dei sistemi microscopici (struttura della
materia) ma:
— tutti gli stati possibili di un sistema hanno
esistenza simultanea (principio di sovrapposizione)
— il DETERMINISMO ed il MECCANICISMO della fisica
classica sono abbandonati e la materia ha un movimento
spontaneo intrinseco
— la dinamica di un sistema fisico è condizionata da tutti
i suoi stati possibili (controfattuali).

Materia, Energia, Informazione.
David Bohm ha proposto un modello per l’evoluzione temporale che conduce al collasso della
funzione d’onda di un sistema quantistico:
Un campo ξ(x,t) di “variabili nascoste’’ guida il passaggio dalla sovrapposizione di stati ad un
ben definito stato finale attraverso le
variabili R, senza accoppiamento energetico.

Un campo ξ(x,t) di “variabili nascoste’’ guida il passaggio dalla sovrapposizione di stati ad un
ben definito stato finale attraverso le variabili R, senza accoppiamento energetico.

Il campo ξ(x,t) è un buon candidato per descrivere un’entità non materiale e non
energetica avente delle «qualità mentali» che può contenere le informazioni sull’ambiente e
guidare dei processi microscopici.
Quanto menzionato appare andare incontro alla proposizione che la coscienza è un
fondamentale come lo spazio, il tempo e la massa, dunque è naturale supporre che coscienza
possa essere universale così come lo sono loro.
Ogni sistema potrebbe essere cosciente, non solo gli esseri umani, ovvero ogni sistema
potrebbe possedere un qualche precursore primitivo della coscienza
Questa idea non è così illogica per alcune culture dove la mente umana è vista di più come un
continuo con la natura. (Nel Buddhismo gli esseri senzienti hanno tutti coscienza anche se in gradi diversi.
Nell’Induismo il termine sanscrito Akasha ( आकाश ) indica l’etere da cui nascono tutte le cose,
compresa la coscienza, ed è la memoria costante e duratura dell’universo dove si archiviano
tutte le esperienze e le conoscenze dell’anima.).
Ruolo importante della fisica quantistica nella descrizione dei processi non computazionali
(Hameroff-Penrose, K.Pribram, J.Eccles…)
Dibattito aperto sul possibile funzionamento quantistico dei microtubuli. Molte critiche
sono state sollevate contro l’ipotesi che molte molecole possano trovarsi in uno stato coerente
quantistico per tempi lunghi (fino a 500ms). Per proteggere gli stati di sovrapposizione
quantistica l’acqua degli strati di idratazione intorno ai microtubuli (acqua vicinale) altamente
ordinata (fino a 40-50 Å di distanza) eserciterebbe proprietà di schermo.
Tuttavia anche i critici delle teorie sopra dette finiscono per ammettere il carattere non
computazionale di molti fenomeni mentali sottolineando l’inadeguatezza della pura
descrizione biochimica del rapporto mente-cervello. Perché il cervello NON è un computer classico? (ovvero: il paradosso termodinamico del cervello).

Il corpo umano ha bisogno in media di circa 100 W di potenza metabolica che si traduce nella
sintesi di 1021 molecole di ATP al secondo. Nel corpo umano ci sono circa 3,5 x 1013 cellule e
ognuna ha circa 103 mitocondri, quindi ci sono circa 3,5 x1016 mitocondri e 3 × 104 eventi di
produzione di ATP al mitocondrio per secondo. Si tratta di un insieme complesso di reazioni
biochimiche, dette fosforilazione ossidativa, che convertono 1 molecola di glucosio in 38
molecole di ATP.
Il cervello è l’organo con il più alto tasso di consumo energetico: circa il 25% della domanda
totale di energia, cioè 25 W. La fonte principale di energia è l’idrolisi delle molecole di ATP,
ognuna fornisce circa 4×10-20 Joule di energia libera. Il 70-80% è usato per l’omeostasi
termica, molta della rimanente serve per la sintesi proteica, ne resta circa un 5% per
immagazzinare l’informazione (memoria) e per processare le informazioni (processi
cognitivi), circa 4W in tutto.

I più moderni clusters di supercomputer come BlueGene hanno una potenza di calcolo di 1016
flops ma consumano intorno a 10 MW.
◦ Cervello umano: 100 miliardi (1011 ) di neuroni, 10 mila (104 ) sinapsi per i neuroni grandi,
1000 (103 ) commutazioni al secondo ➔1018 operazioni al secondo (flops) ➔ confrontando
con BlueGene il cervello umano dovrebbe consumare 1000 MW (la potenza di una centrale
nucleare !)
◦ 10 milioni (107 ) di dimeri di tubulina dei microtubuli per neurone, tempo di commutazione
circa un nanosecondo ➔1016 operazioni per secondo per neurone ➔1027 operazioni per
secondo nel cervello
In base al cosidetto limite di Landauer esiste un costo energetico minimo per ogni bit di
informazione pari a ε = kT ln (2) = 4×10-21 Joule ➔ realizzando questo limite teorico ottimale
servirebbero sempre 4 MW di potenza (pari a 40000 volte la potenza metabolica corporea)

Durante i processi inconsci, la sovrapposizione/computazione quantistica coerente avviene
nelle tubuline del microtubulo e continua fino a quando la differenza di distribuzione della
massa tra gli stati separati delle tubuline raggiunge una soglia legata alla gravità quantistica.
Si verifica allora l’auto-collasso (OR)
Il processo OR di auto-collasso porta le tubuline ad uno stato finale che poi rende effettive le
funzioni neurofisiologiche. In accordo con alcune idee sull’ OR gli stati risultanti sono “noncomputabili”;
questo vuol dire che non si possono determinare algoritmicamente a partire
dagli stati della tubulina all’inizio del calcolo quantistico.
-Le possibilità e le probabilità degli stati delle tubuline dopo l’OR sono influenzate da fattori
che includono gli stati iniziali delle tubuline e i legami con le MAP (microtubule associated
protein) che agiscono come “nodi” che “sintonizzano e orchestrano” le oscillazioni
quantistiche. Perciò il processo OR di auto-sintonizzazione nei microtubuli viene chiamato
riduzione oggettiva orchestrata (Orch OR).

Ogni Orch OR auto-indotta viene considerata come un singolo evento cosciente; cascate di tali
eventi costituirebbero un “flusso” di coscienza.
Gli stati quantistici sono fenomeni non-locali (a causa dell’entanglement quantistico e degli
effetti EPR (Einstein-Podolsky-Rosen), in questo modo l’intero stato non locale si riduce tutto
in una volta.
Ogni Orch OR istantanea potrebbe “legare” varie sovrapposizioni, che potrebbero essere
evolute in distribuzioni spaziali separate e su diverse scale temporali, ma il cui spostamento
netto di auto-energia raggiunge la soglia in un momento preciso.
L’informazione è legata ad un evento istantaneo (un “ora” cosciente). Cascate di eventi Orch
OR potrebbero rappresentare il nostro “flusso di coscienza”, e creare una direzione “in avanti”
nel tempo.
Ogni momento cosciente non ha una durata nel tempo, come un punto che non ha lunghezza.
(“qui e ora”)
I microtubuli, quindi, grazie alla loro attività quantistica, conferiscono alle cellule sia
procariote che eucariote, una sorta di protocoscienza che spiega i comportamenti
“intelligenti” di tutti i microorganismi!
Prendiamo ora in esame la teoria di Penrose-Hameroff (PE) sull’ipotizzato funzionamento
quantistico del cervello, teoria peraltro criticata da Tegmark e altri, ma supportata da
altrettanti. Il fisico matematico e filosofo della scienza inglese Roger Penrose ha sviluppato
l’ipotesi denominata Orch-OR (Orchestrated objective reduction) secondo la quale la
coscienza ha origine da processi all’interno dei neuroni, piuttosto che dalle connessioni tra i
neuroni (la visione convenzionale). Il meccanismo è ritenuto essere un processo di fisica
quantistica chiamato riduzione oggettiva che viene orchestrata dalle strutture molecolari dei
microtubuli delle cellule cerebrali (costituenti il citoscheletro delle cellule stesse). Insieme al
medico Stuart Hameroff, Penrose ha suggerito una relazione diretta tra le vibrazioni
quantistiche dei microtubuli e la formazione della coscienza .
I due scienziati hanno scoperto che i microtubuli presenti nel cervello si trovano tra loro in
perfetto stato di entanglement. Come concordano Penrose e Hameroff, il “momento conscio”
corrisponde “al collasso della funzione d’onda che raccoglieva in sé, in un unico stato
quantistico, il complesso entanglement globale che unisce i microtubuli del cervello”.
Questa fase viene denominata “riduzione obiettiva orchestrata” (Orch-OR).
Penrose e Hameroff affermano che l’emergere della coscienza si verifica solamente quando
una “orchestra” di microtubuli (all’interno dei neuroni) in stato di coerenza quantistica fa in
modo che la funzione d’onda che li governa collassi generando ogni volta un momento di
coscienza secondo la semplicissima legge:

E = h/2πt

dove:
E = nanogrammi di proteine nei microtubuli
h/2π = costante di Planck
t = durata del fenomeno di coscienza

La formula denota che minore è il tempo t, maggiore è l’energia associata al fenomeno di
“coscienza”. Se t = ∞, non esiste nessuna coscienza. Se t=0, il collasso genera una coscienza
idealmente infinita.
Recentemente, il fisico Massimo Teodorani ha fatto notare come questa sia la stessa identica
legge che governa il modo in cui fluttuazioni in forma di particelle virtuali nascono dal vuoto
quantistico. E alcune di esse possono generare Universi fatti di materia, incluso quello in cui
esistiamo. Ne consegue che, secondo Teodorani, se la teoria di Penrose e Hameroff fosse
confermata, allora materia e coscienza sarebbero intrinsecamente legate tra loro. Da ciò si
deduce che la coscienza emerge solamente se c’è materia in particolari condizioni di
entanglement sotto forma di coerenza quantistica. Se non c’è materia non c’è coscienza attiva
quindi, secondo Teodorani, l’universo fisico non può essere privo di coscienza.
Una recente pubblicazione (2014) del Physics of Life Reviews ha presentato la conferma
sperimentale della presenza di vibrazioni quantistiche nei microtubuli dei neuroni cerebrali.
Scrive “Sir”Roger Penrose: “L’evoluzione della vita cosciente su questo pianeta è dovuta a
successive mutazioni occorse nel tempo. Queste, presumibilmente, rappresentano eventi
quantistici e quindi sarebbero esistite sotto forma di stati multipli sovrapposti fino a quando
l’evoluzione ha portato a un essere cosciente, la cui vera esistenza dipende da tutte le corrette
mutazioni che hanno realmente avuto luogo”.

A livello di osservazioni misurabili, la coscienza è in qualche modo correlata ad attività
sincronizzate di gruppi di neuroni, e questa attività sincrona è misurata dallo scalpo o dalla
superficie corticale con l’elettroencefalografia (EEG).
Sebbene la coscienza correli fortemente con oscillazioni neurali coerenti, tuttavia i
meccanismi con cui i neuroni si sincronizzano non sono pienamente compresi.
Se la coscienza sorge dalla complessità dell’azione collettiva di 100 di miliardi di neuroni che
agiscono in modo cooperativo/sincrono, allora l’azione collettiva di 100 di milioni di
componenti sub-neurali (incluso ad esempio quelle che comprendono il citoscheletro)
possono solo aumentare la ricchezza e complessità di questo processo. Ed in effetti si ritiene
che i microtubuli dei citoscheletri neuronali abbiano un ruolo fondamentale nel determinare
la coscienza.

I microtubuli citoscheletrici formano negli assoni neuronali lunghe strutture continue
orientate con la stessa polarità, mentre nei dendriti si caratterizzano come brevi filamenti
interrotti di polarità mista. Queste strutture citoscheletriche nei neuroni sono relativamente
stabili, al contrario dell’instabilità dinamica osservata in tutti gli altri tipi di cellule. La
tubulina, che è la proteina costitutiva dei microtubuli, possiede una rete unica di amminoacidi
cromofori, similmente alle architetture della clorofilla osservate in complessi fotosintetici per
la raccolta della luce.
Ciascuna molecola di tubulina ha otto anelli di indolo triptofano arrangiati in una geometria
simile a quella nelle proteine della fotosintesi nelle quali i fenomeni quantistici giocano un
ruolo cruciale. In base a questa analogia e ad altre considerazioni, si suppone che i fenomeni
sottostanti alla coscienza debbano essere di tipo quantistico con un non banale processo di
amplificazione dal livello microscopico a quello macroscopico.

Questo punto di vista è stato criticato sostenendo che i sistemi viventi sono troppo « caldi,
umidi e rumorosi » per supportare dei fenomeni quantistici, tuttavia recenti risultati suggeriscono che questo non è necessariamente sempre il caso. Dalla coerenza quantistica nella fotosintesi e nella percezione dei campi magnetici nella navigazione degli uccelli, come pure gli effetti di singoli fotoni nella visione, il campo della biologia quantistica si sta affermando. Così anche il cervello può usare degli effetti quantistici e più specificamente all’interno di microtubuli citoscheletrici, tuttavia invocando un livello più profondo di quello originariamente proposto da Penrose e Hameroff.

Il substrato quantistico, oggetto degli studi attuali, e che è protetto dal rumore termico, viene identificato nelle nuvole di risonanza π-elettroniche di amminoacidi aromatici, simili agli array di risonanza-π negli orbitali molecolari che mediano la coerenza quantistica nelle proteine coinvolte nella fotosintesi. Nel cervello, il substrato quantistico è identificato come origine della coscienza dalla correlazione di Meyer-Overton, che mostra dove gli anestetici agiscono per cancellare la coscienza, smorzando le oscillazioni di dipolo quantistico all’interno dei microtubuli neuronali cerebrali, mentre risparmiano le attività cerebrali non coscienti. Caso paradigmatico l’uso in anestesiologia dello Xenon, gas inerte che agisce proprio sui micriotubuli.

Le regioni così coinvolte sono quelle non polari e sono costituite principalmente da nuvole di risonanza π-elettronica negli anelli aromatici degli aminoacidi fenilalanina, tirosina e triptofano. Queste nuvole di π-risonanza derivano dall’anello del benzene. Array geometrici di queste nuvole di π-risonanza (“pi-stacks”) nelle regioni non polari all’interno delle tubuline, schermate dall’ambiente polare, sono in grado di sostenere la coerenza quantistica e sono ritenute costituire il “substrato quantistico” della coscienza.

La fisica quantistica ad oggi nota pur necessitando di sostanziali sviluppi già permette di intravedere vasti territori tutti da esplorare per:

1. sviluppare una teoria nuova del processo storico di auto-organizzazione della materia (evoluzione)
2. più in generale del rapporto fra materia e non-materia (mente/informazione) a vari livelli Waddington’s chreods (paesaggio epigenetico): Sheldrake’s morphic fields and morphic resonance.

Quanto menzionato appare andare incontro alla proposizione che la coscienza è un
fondamentale come lo spazio, il tempo e la massa, dunque è naturale supporre che la
coscienza possa essere universale così come lo sono loro.
Ogni sistema potrebbe essere cosciente, non solo gli esseri umani, ovvero ogni sistema
potrebbe possedere un qualche precursore primitivo della coscienza
Questa idea non è così illogica per alcune culture dove la mente umana è vista di più come un
continuo con la natura.
(Nel Buddhismo gli esseri senzienti hanno tutti coscienza anche se in gradi diversi.
Nell’Induismo il termine sanscrito Akasha ( आकाश ) indica l’etere da cui nascono tutte le
cose, compresa la coscienza, ed è la memoria costante e duratura dell’universo dove si
archiviano tutte le esperienze e le conoscenze dell’anima.)
Oltre alla MASSA e alla ENERGIA esite una terza ontologia della INFORMAZIONE?
Ma la strada è ancora molto lunga……
Prof Dr Riccardo Simoni