Roberto Petronzio

Quanti di salute. Fisica quantistica e medicina

Quanti di salute. Fisica Quantistica e Medicina: Universi Paralleli?
Convegno organizzato nell’ambito del ciclo Scuola & Eccellenza di Fondazione Sigma Tau, Roma 16 febbraio 2011.

SCIENZA: la ricerca scientifica sta facendo studi sempre più approfonditi e sta mettendo a punto macchinari sempre più sofisticati per la diagnosi medica, le terapie e gli interventi chirurgici. La fisica quantistica, che può sembrare qualcosa di lontano dal nostro quotidiano e di “astratto”, in realtà ci circonda e, in un certo senso, permette la nostra stessa esistenza e sopravvivenza: le strutture chimiche di cui siamo composti sono espressione di forze fisiche. Non è dunque raro che la fisica quantistica corra in aiuto della medicina, permettendo la realizzazione di mezzi sempre più precisi per la cura delle malattie, come i laser o le machine per la radioterapia e la risonanza magnetica.

La fisica del secolo scorso ha compiuto una straordinaria rivoluzione della nostra visione del mondo, andando a osservare le cose, per così dire, molto da vicino. Ha descritto il comportamento dei mattoni più piccoli della materia: gli atomi, i nuclei e i loro ultimi costituenti. E ha scoperto che questo mondo microscopico obbedisce a principi che, rispetto alla nostra esperienza quotidiana, appaiono bizzarri e contraddittori: le leggi della meccanica quantistica.

Non siamo però abituati a considerare che questi stessi principi sono fondamentali nella descrizione e comprensione dei meccanismi alla base della vita, giocando un ruolo chiave in molti processi biologici. L’architettura stessa del nostro DNA, ad esempio, e il funzionamento delle proteine sono regolati dalla chimica degli amminoacidi e si basano quindi sulle interazioni quantistiche dei sistemi di atomi e molecole. La conoscenza delle leggi del mondo quantistico è inoltre alla base del funzionamento di tanti degli attuali strumenti di diagnosi e imaging medico, come la PET (tomografia a emissione di protoni, usata in medicina per produrre bioimmagini), la SPECT (tomografia a emissione di fotone singolo, utilizzata per produrre bioimmagini tridimensionali), la risonanza magnetica nucleare o i laser, che trovano in medicina tante e diverse applicazioni, nonché di innovativi sistemi di terapia, come l’adroterapia per la cura dei tumori.

La danza degli elettroni, ad esempio, in alcuni speciali accoppiamenti di atomi produce il cosiddetto legame idrogeno. In questo tipo di legame chimico gli elettroni condivisi della molecola tendono ad allontanarsi dal nucleo dell’idrogeno, producendo un polo negativo e uno positivo, che, respingendosi, conferiscono alla molecola una specifica e ben definita architettura. L’architettura del legame a idrogeno caratterizza la struttura e le proprietà delle molecole dell’acqua o di quella a doppia elica del DNA. Senza questo prezioso collante la temperatura di ebollizione dell’acqua diminuirebbe fino a -100°C e sarebbe incompatibile con la vita e anche i due filamenti di basi intrecciate nel DNA si separerebbero.

È direttamente riconducibile a un fenomeno quantistico, chiamato effetto tunnel, anche la possibilità che alcuni processi biochimici (come il trasferimento di idrogeno attraverso la membrana cellulare) avvengano con una frequenza molto più alta di quella prevista o in condizioni in cui dovrebbero essere praticamente inibite, ad esempio a basse temperature.

Tra gli esempi di tecnologie quantistiche, utilizzati come strumenti di diagnosi e terapia, uno dei più diffusi è il laser. La luce laser rappresenta in sé un effetto quantico ed è costituita da fotoni (ovvero particelle di luce) tutti identici e coerenti. I fotoni del laser vengono emessi dal passaggio degli elettroni negli atomi di un certo elemento, da un livello di energia più alto a quello più basso. Alla scala atomica infatti gli elettroni possono occupare solo alcuni livelli di energia, separati gli uni dagli altri, e non un intervallo continuo e infinito. La presenza di livelli energetici discreti consente quindi l’emissione di una luce dalle caratteristiche speciali (coerente nello spazio e nel tempo), che la rendono così preziosa nelle applicazioni mediche.

La risonanza magnetica nucleare è un altro strumento diagnostico, che utilizza due effetti quantistici interessanti: il salto tra due diversi livelli di energia e la proprietà degli elettroni di possedere uno spin (che non è propriamente un moto nello spazio, ma può essere visualizzato come un moto simile alla rotazione della Terra attorno al proprio asse).

Un altro esempio viene dall’adroterapia, un modo per irradiare i tumori che a differenza della normale radioterapia (che fa uso di raggi di luce estremamente energetici) cura attraverso le particelle soggette a interazioni “forti”, gli adroni, come gli ioni carbonio e protoni.

La differenza tra questa e la radioterapia è simile a quella che c’è tra una catapulta e un cannone. Quest’ultimo distrugge tutto quel che trova sul suo passaggio, mentre la catapulta colpisce principalmente l’obiettivo finale. In questo caso a prevedere come si comportano questi proiettili più efficaci e a permetterci di usarli per colpire i tumori sono le moderne teorie quantistiche delle particelle elementari.

Proviamo allora a risalire all’origine dei fenomeni fisici che determinano processi biologici e applicazioni mediche tanto fondamentali e a immergerci nella realtà davvero poco intuitiva del mondo quantistico. Gli stessi principi in realtà determinano i processi fisici anche su scala umana, ma nel mondo macroscopico gli effetti quantistici risultano irrilevanti e le leggi di Galileo e Newton (la meccanica “classica”) sembrano descrivere bene ciò che si muove intorno a noi.

La loro apparente validità dipende dalla esiguità di una costante della natura, la costante di Planck, che segna lo spartiacque tra fenomeni fisici detti “classici” e “quantistici”. Ogni moto “classico” obbedisce a un principio di economia che lo porta a perseguire nel suo sviluppo la minima “azione”: se una palla di biliardo viene colpita da un giocatore, essa seguirà una traiettoria, quella rettilinea, che minimizza l’azione necessaria per raggiungere il bersaglio. Mentre il mondo classico sembra essere intransigente nell’obbligo di realizzare la minima azione, quello quantistico introduce una sorta di disturbo che ammette anche traiettorie che non la realizzano. In effetti possiamo determinare una qualsiasi traiettoria solo a meno di deviazioni pari alla costante di Planck. In un tiro di biliardo non ce ne accorgiamo perché la costante è davvero piccola: essa comporta un’imprecisione nel determinare il punto di arrivo della biglia pari a una manciata di atomi. Ma se stiamo tirando atomi contro atomi fa una bella differenza.

A questa scala le nostre capacità di misurare simultaneamente quantità fisiche come posizione e velocità, oppure tempo ed energia, sono gravemente limitate. In effetti le particelle si comportano ai nostri occhi come onde: se individuiamo la loro posizione si propagano in tutte le direzioni (come la sorgente puntiforme di un’onda luminosa), se invece misuriamo il loro impulso ci appaiono totalmente delocalizzate (in modo simile alle onde del mare). Questo comportamento produce una serie di conseguenze, inspiegabili da un punto di vista classico. Le particelle, sottoposte a vincoli o forze, non occupano un continuum di stati fisici, ma solo alcune traiettorie privilegiate (in un certo senso risonanti), come le vibrazioni di una corda di chitarra. Gli elettroni si muovono così su orbite privilegiate intorno ai nuclei, occupando livelli di energia discreti e appunto “quantizzati”. È questa caratteristica che ci permette di distinguere gli isotopi nucleari, riconoscibili dal salto tra differenti livelli di energia, e di usarli come tracciatori per la diagnostica.

Le particelle, inoltre, cancellata la memoria della loro traiettoria, diventano indistinguibili e si caratterizzano per il solo fatto di potere o non potere condividere lo stesso stato energetico. Sono questi nuovi vincoli a determinare le forme delle nuvole elettroniche, come nel caso del legame idrogeno. In questo scenario infine le barriere energetiche che sarebbero insormontabili per l’energia con cui le affrontiamo diventano permeabili e possono essere attraversate. Ritroviamo così l’effetto tunnel che abbiamo citato in alcuni processi biologici.

È possibile che in futuro scopriremo ancora altri aspetti delle ricadute biomediche dei quanti, riuscendo a ricostruire, a partire da principi primi (o, come si dice, ab initio), lo sviluppo di alcuni processi biochimici, come il ripiegamento delle proteine. Né possiamo escludere che gli sviluppi della fisica fondamentale (ad esempio quelli che ci attendiamo nei prossimi anni dal grande acceleratore del Cern, Lhc) ci aprano nuove prospettive oltre a produrre innovative tecnologie per la diagnosi e la terapia. Il quadro che abbiamo tracciato dà conto di come e quanto profondamente gli sviluppi della fisica fondamentale incidano sulla nostra comprensione del mondo biologico e dei meccanismi alla base della nascita e dello sviluppo della vita sul nostro pianeta. E ci spinge a spostare ulteriormente in avanti la frontiera delle nostre conoscenze.

[box]ROBERTO PETRONZIO è professore ordinario di Fisica Teorica presso l’Università di Tor Vergata a Roma e presidente dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare dal 1° luglio 2004.[/box]

 

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