La vita è fisica (Parte I)

E.R. Hughes, “La veglia della valchiria” (1906)

La vita è fisica (Parte I)

I limiti della biologia molecolare

di Giorgio Masiero

La ricerca scientifica si sviluppa in 3 fasi principali, analoghe a quelle che scandiscono il rapporto di un bambino con un giocattolo. Per prima cosa il bambino prende dimestichezza con l’oggetto, imparando ad usarlo in tutte le sue potenzialità. Ciò corrisponde in scienza empirica alla fase “aristotelica” di primo esame della natura, con la raccolta dei dati e la catalogazione: si osservano i fenomeni per separarli in categorie, classi e generi, al cui interno vengono raggruppati secondo il numero crescente di analogie. Si cominciano così ad intravedere regolarità in natura accanto alla varietà; schemi che si ripetono, pur nel cambiamento. La scienza chiama leggi naturali le regolarità che estrae dalle osservazioni.

Poi interviene la seconda fase, nell’una e nell’altra attività. Il bambino curioso vuol capire come funziona il giocattolo, così lo apre rompendolo in tanti pezzi. Altrettanto fa il ricercatore analizzando il fenomeno nelle sue componenti e queste nei loro costituenti, ecc. Lo scopo di entrambi è derivare il funzionamento del sistema intero dalle proprietà degli elementi più piccoli cui possono arrivare e dalle loro relazioni. Con l’intuizione, l’uno e l’altro si creano una teoria di come funzionano le cose, che all’inizio è soltanto una congettura di come le cose potrebbero funzionare, nel giocattolo o in natura.

C’è solo un modo che ha il bambino per sapere se ha compreso almeno in parte il funzionamento del giocattolo ed è quello di ricostruirlo ricombinando i pezzi. Allo stesso modo lo scienziato può riconoscere se la sua congettura è una teoria scientifica oppure una storia come tante solo tramite il test, che consiste nella replica sperimentalmente controllata del fenomeno (o di un fenomeno correlato al primo, quando questo non sia replicabile perché unico[i] o remoto[ii]). Questa è la terza fase, cruciale in scienza sperimentale, ahimè dimenticata dai fantasiosi narratori che hanno una risposta facile, e soprattutto incontrollabile, per ogni problema difficile.

 Fig. 1 – Le 3 fasi principali della ricerca scientifica

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Così per es., a proposito dell’evoluzione delle specie e delle tradizionali spiegazioni, Carl Woese scrisse: “Pensate alle spiegazioni della biologia evolutiva classica alla luce della ragione e della moderna evidenza empirica, prima di stendere un tappeto davanti ad esse. La maggior parte si mostreranno soltanto delle congetture che i biologi dell’800 usavano per stimolare i propri pensieri; ma le congetture, dopo essere state ripetute nel tempo, sono state nella nostra epoca scolpite nel marmo: i concetti moderni dell’evoluzione cellulare sono di fatto versioni pietrificate delle speculazioni del XIX secolo. […] Puntare ad indovinare di per sé non è anatema; anatema è mascherare ipotesi, congetture e altre cose simili come soluzioni finali o fatti, così violando le norme scientifiche”[iii]. Le quali impongono finalmente il setaccio di predizioni sperimentalmente controllabili.

La nascita della biologia molecolare

Fino alla prima metà del ‘900, la biologia era una scienza nuova, alle prime due fasi di catalogazione dei suoi fenomeni e d’individuazione dei suoi principi. Ray e Linneo, sulla spinta della concezione strutturalistica dominante in biologia prima di Darwin, avevano iniziato la moderna classificazione a binomio latino; Spallanzani e Pasteur, bandendo la “generazione spontanea”, avevano stabilito il principio che la vita nasce solo dalla vita; Koch e Häckel avevano mostrato che il mondo vivente si estende oltre le piante e gli animali; la cellula era emersa con chiarezza come l’unità base. L’unica incursione nella terza fase era avvenuta forse con la teoria dell’ereditarietà dei caratteri di Mendel, che da un argomento di biologia aveva tratto ex novo una disciplina scientifica: la genetica.

Nel febbraio 1943 ci fu una svolta: Erwin Schrödinger – uno dei padri della rivoluzione quantistica in fisica – tenne un ciclo di lezioni a Dublino sul tema “Che cos’è la vita?” e spiegò ai biologi la necessità di fisica, chimica e matematica, se si vuol provare a rispondere a quella domanda, che poi è la fondamentale della biologia. Schrödinger avanzò la congettura che la cellula sia governata da un codice ereditario istanziato in una molecola, simile ad un cristallo aperiodico costituito da una sequenza di isomeri. Tale codice conterrebbe il piano di sviluppo dell’organismo. Le lezioni raccolte in un libretto ebbero grande risonanza e i biologi si tuffarono a studiare la chimica, prima piuttosto negletta. Così decollò una ricerca interdisciplinare, che passò per la scomposizione dell’organismo e l’osservazione delle sue componenti (ultime?), le molecole della cellula, e delle loro reazioni chimiche: nacque la biologia molecolare, che chiamerò “classica” per sottolinearne l’appiattimento sul meccanicismo della vecchia fisica (già all’epoca falsificata) e l’estraneità alla succeduta fisica quantistica. Si adottarono comunque criteri quantitativi rigorosi, secondo il dettato di Galileo, anche nella trattazione dei problemi biologici, in particolare genetici. Dieci anni più tardi, Crick e Watson scoprirono la struttura del DNA, guidati dall’intuizione di Schrödinger.

Che cos’è la vita? Ebbene, a 71 anni da quelle lezioni e nonostante la messe di scoperte accumulate dalla biologia molecolare (riconosciute in decine di Nobel), la comunità dei biologi non condivide ancora una definizione del proprio oggetto. Se prendiamo i testi di scuola e gli articoli delle riviste scientifiche, non troviamo una definizione uguale ad un’altra: o la vita consiste nel possesso di una certa stabilità genetica, ma anche di una sufficiente mutabilità, così da permettere evoluzione e adattabilità; oppure si caratterizza per una reattività efficace agli stimoli ambientali, così da supportare la sopravvivenza e la riproduzione; o piuttosto coincide con la capacità di catturare, trasformare ed immagazzinare l’energia per il proprio utilizzo; ecc., ecc. C’è perfino la definizione di Carl Sagan, fatta propria dalla Nasa: “La vita è un sistema capace di evoluzione attraverso la selezione naturale”, che nello sforzo titanico di adattare la cosa all’idea risolve ironicamente il darwinismo in un truismo. Un’altra definizione ancora identifica la vita nella presenza d’un programma genetico. L’evidenza empirica che nel mondo inanimato non sia mai stata osservata una sequenza di reazioni chimiche guidate da un “programma d’istruzioni” fu notata la prima volta da Ernst Mayr nel 1988, portandolo a proporre come criterio di demarcazione degli organismi viventi dalla materia inanimata l’esistenza/assenza d’un genoma e d’un codice genetico. Questa definizione è da alcuni aborrita forse perché si teme che la parola “programma” evochi un Programmatore nelle menti ingenue degli studenti. Ma nessuno è obbligato a salire al piano metafisico. Si può vivere felici e contenti al piano terra scientifico. D’altronde, i fisici e i chimici non parlano di “leggi” naturali evitando candidamente il Legislatore?

Conoscere a occhi chiusi come sono fatti i mattoni non significa tuttavia saper costruire una casa. La biologia molecolare classica ci ha portati a sapere (quasi) tutto sui componenti chimici della vita, con un lavoro preziosissimo. Ma dobbiamo ammettere di non sapere (proprio) nulla su come quei mattoni si siano aggregati a far comparire la vita sulla Terra 3,8 miliardi di anni fa, subito dopo il raffreddamento della crosta e la grande gragnuola meteoritica (LHB). Né sappiamo come una decina di milioni di specie viventi, sempre più complesse e culminate nell’uomo, si siano susseguite ad altissime velocità apparentemente vietate alla cinetica chimica. (D’altra parte perché ci dovremmo sentire in diritto di saperlo, se non abbiamo ancora capito come i mattoni si auto-organizzino tutti i giorni sotto il nostro naso nell’ontogenesi d’un vivente qualsiasi?) Per questi due fenomeni “eccezionali, forse unici nell’Universo” (Jacques Monod) non disponiamo di teorie sottoponibili a test. La terza fase scientifica della biologia è appena iniziata.

Le 5 finte alternative e l’opzione fisico-strutturalistica

I due persistenti enigmi della prima origine e della ricchezza (solo terrestre?) di forme biologiche si stanno traducendo ai nostri giorni in una disputa interminabile tra varie opzioni. La vita e le specie sarebbero l’esito

1. d’una successione infinita di eventi contingenti implausibili (il darwinismo, ovvero “La normalizzazione del paranormale”); oppure
2. d’una programmazione intelligente gratuita (l’Intelligent Design, ovvero “Ritorno al dualismo cartesiano”); oppure
3. del multiverso (Eugene Koonin & C., ovvero “Fuga nell’agenzia trascendente cieca”); oppure, ultima arrivata,
4. dell’inesistenza “in realtà” della vita, per dire che tra un sasso e un uomo non c’è discontinuità (Scientific American del 2 dicembre 2013, ovvero “La volpe e l’uva”).

Si tratta di concezioni diverse sotto l’aspetto filosofico, ma ugualmente nulle sotto l’aspetto scientifico, perché sperimentalmente incontrollabili e quindi equivalenti alla quinta:

5. “L’ignoranza perpetua” (Niels Bohr: “L’esistenza della vita deve essere considerata come un fatto elementare, un assioma, che non può essere spiegato, ma che può solo essere preso come un punto di partenza in biologia”).

L’equivalenza all’ignoranza perpetua implica per tutte sterilità applicativa.

La visione dominante, il darwinismo in tutte le sue varianti, è una concezione storico-funzionalistica: le forme della vita (comprese quelle che si sono conservate per centinaia di milioni di anni e attraverso taxa diversi, come l’arto pentadattilo dei tetrapodi o la segmentazione tripartita del corpo degli insetti o lo schema circolare concentrico del fiore delle magnoliofite) non sarebbero un esito diretto delle leggi della fisica, ma piuttosto il risultato storico di adattazioni specifiche, costruite gradualmente dalla selezione naturale durante il corso dell’evoluzione per servire a scopi imposti all’organismo dall’ambiente. Le specie sarebbero soltanto un complesso di adattamenti trasmessi ereditariamente da lungo tempo, un complesso che proprio per i suoi meccanismi contingenti d’origine avrebbe potuto essere diverso da quello effettivamente accaduto, se solo fosse intervenuto in condizioni ambientali diverse. Donde il “non senso dell’evoluzione” (Telmo Pievani), che è un corollario della storicità di questa concezione, non un fatto sperimentale. Le assunzioni di contingenza e storicità implicano l’imprevedibilità e l’incontrollabilità e postulano solo la possibilità, anche se altamente implausibile (la “roulette” monodiana), intesa come rispetto teorico dei vincoli della meccanica classica. In compenso, scatenano la fantasia e l’entertainment: di qui la fede diffusa nella vita aliena e le “guerre stellari” hollywoodiane.

C’è una sesta alternativa, di cui mi propongo di mostrare l’agibilità scientifica: sta in

L’impostazione storicistica ha permeato per tutta la seconda metà del XX secolo la biologia molecolare, estraniandola dalle leggi della fisica quantistica (di cui non sono mai stati considerati né i vincoli, né le aperture sull’universo del possibile) e accentrandola sull’armamentario chimico, per definizione focalizzato sugli elementi (atomi e molecole) e sui loro urti stocastici. Così però si è perso di vista l’organismo vitale nel suo insieme e la biologia evolutiva si è trasformata in una vasta e disorganica raccolta di micro-modelli e di storie ad hoc per una ricca fenomenologia (la “Sintesi Estesa”), integrata non in una teoria scientifica, ma solo da una filosofia (naturalistica naïve) della biologia.

Non è un caso se il culmine della biologia molecolare classica fu raggiunto con la scoperta della struttura del DNA e con la sua immediata interpretazione riduzionistica. La doppia elica, che chiaramente rivelava solo il meccanismo di replicazione genica, fu salutata come la soluzione di tutti i problemi, tanto che molti biologi molecolari fecero i bagagli e corsero alla Questione par excellence, il funzionamento del cervello, annunciato già nel 1968 come “l’ultima grande frontiera della ricerca biologica per cui non si è ancora trovato un meccanismo molecolare ragionevole” (Gunther Stent[iv]). Un risultato, questo della comprensione della mente, “raggiungibile in una generazione” (Francis Crick[v], nel 1981). Sappiamo com’è andata: lungi dall’aver trovato i segreti della coscienza, la biologia non sa ancora come funziona il DNA nella vita vegetativa, così da far dire oggi alla Evelyn F. Keller[vi]: “Per quasi 50 anni ci siamo illusi che la scoperta delle basi molecolari dell’informazione genetica avrebbe svelato il segreto della vita, che bastasse decrittare il messaggio nella sequenza dei nucleotidi del DNA per capire il programma che fa di un organismo ciò che è. Ci stupiva che la risposta fosse così semplice. […] Ora che cominciamo a misurarne l’ampiezza, ci stupisce non la semplicità dei segreti della vita ma la loro complessità”. La cosa divertente è che i biologi molecolari dichiararono chiuso il problema del gene ancora prima che fosse compreso il meccanismo della traslazione (che è il cuore dell’espressione genica), un nonsenso a priori per il riduzionista fondamentalista che intende il gene come definito dalla relazione genotipo-fenotipo, in termini di espressione come di replicazione.

Le schiere di “neuroscienziati” e di “filosofi della biologia” moltiplicatesi da allora nel pubblico impiego in Occidente – propriamente due circoli autoreferenziali di fratelli minori dei biologi molecolari – stanno a testimoniare l’entusiasmo con cui molti riduzionisti ontologici accolsero l’invito di Stent e Crick a passare allo studio della mente, armati di elettrometri e magnetometri come i Frankenstein dell’epoca del muto, o a cantarne le eroiche imprese da moderni menestrelli, essendo tutti gli altri problemi risolti. Intanto la biologia molecolare si trasformava gradualmente in ingegneria sotto gli occhi interessati dell’industria…

Ma che cos’è infine la chimica se non un biliardo di urti casuali di molecole ed un registro di scomposizioni-ricombinazioni di atomi per scambi di elettroni dell’orbitale esterno? non c’è altro nella scienza moderna che ossido-riduzione tra particelle in agitazione termica? La complessità della vita è la nemesi del riduzionismo ontologico, se lo sono già fenomeni fisici molto più semplici, come la superfluidità dell’elio-4 o una connessione wireless, per citarne due a caso. La fisica ha realizzato l’insufficienza dell’approccio riduzionistico già nella descrizione della materia inanimata dai tempi di Newton, con la scoperta del campo gravitazionale (anno di grazia 1687). Posta la polvere sotto il tappeto dal meccanicismo illuministico, il problema riemerse nella seconda metà dell’800 con la scoperta del campo elettromagnetico ad opera di Maxwell e di Hertz e deflagrò infine a inizio ‘900 con la falsificazione sperimentale della meccanica classica operata dalla radiazione del corpo nero. Oggi la fisica è Teoria Quantistica dei Campi (TQC). E lo strutturalismo biologico non è altro che interdisciplinarità di fisica quantistica e biologia molecolare.

Il ruolo della matematica nelle scienze naturali

Prima di applicare la TQC ai grandi problemi della biologia, conviene esaminare se ce ne siano anche di minori insoluti nella biologia molecolare classica, perché questi possono indicare una traccia da cui partire per immaginare un modello quantistico adatto a rappresentare i processi biologici. Per spiegarmi meglio, porto un paio di contro-esempi di come non devono essere costruiti i modelli scientifici.

Durante tutta la sua carriera Stuart Kauffman si concentrò su due questioni (interrelate): l’abiogenesi e l’auto-organizzazione della vita. Partito con grande entusiasmo, dopo 40 anni si ritirò nel “magico incanto”. Però, come Aristotele spiega nella sua “Metafisica”, lo stupore è il sentimento da cui si parte per avviare l’indagine, la quale normalmente si chiude con una spiegazione che spazza via lo stupore. Se invece lo stupore è il sentimento con cui l’indagine si chiude, vuol dire che la ricerca è fallita e che il fenomeno stupefacente resta in attesa di spiegazione.

Nello studio sull’auto-organizzazione della vita il flop di Kauffman si deve all’abuso della matematica, specificatamente alla calata dall’alto (vale a dire, in totale autonomia dalla fisico-chimica del fenomeno da rappresentare) di “reti booleane” come modelli per lo studio dei meccanismi di attivazione dei geni di un genoma e più in generale come modelli di sistemi complessi, atti a simulare l’emergere dell’ordine nei viventi. Una rete booleana (Fig. 2) è un grafo orientato di N nodi, con K archi incidenti in ogni nodo. Ad ogni nodo sono associate una variabile booleana ed una funzione booleana; gli argomenti della funzione booleana sono le variabili associate ai nodi, i cui archi incidono nel nodo considerato. Domanda: c’è qualcuno che intravede sia pure nebulosamente nella rete booleana (N, K) una relazione anche super-semplificata con il sistema gerarchico di organelli, cellule, organi, ecc., per non parlare delle loro strutture molecolari, rivelatoci dai biologi? Risposta: no, evidentemente. Il guaio delle reti booleane è che sono astratte dalla realtà. Non rappresentazione stilizzata della vita, ma puro parto della mente creativa.

 Fig. 2 – Rete booleana (N = 4, K = 2)

Dopo la scoperta delle geometrie non euclidee (avvenuta nella prima metà dell’800), ogni studente di liceo sa che la matematica è come il cappello d’un illusionista: ne esce solo ciò che ci si mette dentro. Venghino, venghino, signori, al Circo Matematico! Vogliono un triangolo diverso dai soliti, con la somma degli angoli maggiore di un piatto? Ecco per Lor signori la geometria ellittica! Preferiscono invece il menu opposto offerto dalla cucina iperbolica… Un modello matematico, da solo, non può spiegare nulla più di ciò che il suo autore vi ha postulato all’inizio. Lo dice la parola: un modello matematico è un “sistema ipotetico-deduttivo” dove, lettore, sei invitato a focalizzare la tua attenzione sul termine “ipotetico-” del binomio, quello che indica il punto di partenza scelto arbitrariamente dall’autore. Come la prestidigitazione, la matematica usa nel prosieguo procedure precisissime (“-deduttive”) ed ignote ai più, che richiamano la magia; ma solo i bambini ci cascano, perché credono nella magia. Gli adulti invece sanno che, quando un coniglio esce, vuol dire che prima era stato messo dentro.

Così, nel caso della spiegazione kauffmaniana dell’auto-organizzazione biologica, concepita una qualsiasi dinamica sullo spazio degli stati dell’insieme dei geni, è sempre possibile variando i parametri N e K trovare una rete booleana associabile. Ed ecco che si possono predeterminare il numero degli attrattori, la loro lunghezza ed ogni altra desiderata caratteristica. Insomma una gigantesca tautologia, stante nell’ovvia predizione che se la dinamica di un sistema ha un numero finito di possibilità, allora il sistema ripercorrerà gli stessi stati dopo un po’ di tempo per infinite volte.

Tantomeno la matematica può portare un mondo (o gli infiniti mondi di un multiverso!) all’esistenza. “Che cosa ha soffiato il fuoco sulle mie equazioni dando loro un Universo da descrivere?”, s’interrogava Stephen Hawking[vii] 25 anni fa, già con poca modestia, ma ancora con un briciolo di buon senso. Poi, a forza di matematizzare e astrarre nella sua stanza, di astrarre e matematizzare, anch’egli violò una regola aurea del metodo scientifico – “La matematica è al termine della filosofia naturale, ma non la deve generare” (Francesco Bacone) – e cascò nella stregoneria delle “sue” equazioni che “fanno apparire l’Universo da nulla, per caso”[viii]…, divenendo una star degli idola theatri. Così l’origine del cosmo proposta da Hawking come “le origini dell’ordine” biologico proposte da Kauffman restano esercizi di matematica.

Se invece ci ricordiamo che la natura sta come roccia indipendente dalla fantasia e che, a differenza della poesia, la scienza empirica ha il compito di descriverne oggettivamente il funzionamento nei termini più semplici, allora per tentare di spiegare l’auto-organizzazione del vivente dobbiamo partire dai dati raccolti dai biologi molecolari. E le loro osservazioni ci dicono che la biochimica non si è rivelata impari solo davanti ai grandi problemi della biologia evolutiva. Altri minori, sorti all’interno delle sue provette, si sono mostrati irrisolvibili col suo metodo. Questi problemi, oltre a postulare l’integrazione proposta da Schrödinger della biologia con la (finora negletta) fisica in una “biologia molecolare quantistica”, suggeriscono anche le tracce per il suo sviluppo.

4 piccoli misteri della biologia molecolare classica

1. È noto che in vivo avvengono reazioni chimiche che non si osservano in vitro, comprese reazioni endotermiche che sono ritenute quasi impossibili dai biochimici. Già Albert Szent-Györgyi, lo scopritore della vitamina C, premio Nobel per la medicina nel 1937, nel suo libro “Bioenergetics” (1957) si chiedeva donde provenissero gli elettroni liberi che in grande quantità sono utilizzati dalle reazioni biochimiche (per es. nel ciclo di Krebs, Fig. 3) e che tuttavia non sono facilmente rilasciati da nessuna molecola presente nell’organismo. Se qualcuno pensasse all’acqua, che è di gran lunga la molecola più diffusa nelle forme viventi, deve sapere che per strappare un elettrone da una molecola di H₂O servono 12 eV (1 eV = 1 elettronvolt = 1,6 × 10^-19 joule), che sono l’energia cinetica d’urto tra molecole alla temperatura di 145.000 °C, o in alternativa il quanto di energia dei raggi X: due metodi evidentemente non usati dalla vita!

2. Un altro mistero è la velocità nettamente superiore delle reazioni biochimiche rispetto alle corrispondenti reazioni chimiche approntabili in laboratorio. Nell’organismo avvengono in alcuni millisecondi reazioni che fuori dell’organismo richiederebbero milioni di anni. Il biochimico giustifica il fenomeno con la presenza negli organismi degli enzimi, che sono i catalizzatori delle reazioni. Giusto: però, quando si tratta di spiegare il meccanismo d’azione di questi catalizzatori, egli si ferma alla cinetica (la descrizione), senza poter entrare nella dinamica (la spiegazione). Questo perché la chimica fonda la dinamica delle reazioni sugli urti casuali delle molecole e alle temperature ambiente il limite superiore per le velocità delle particelle risulta di qualche centinaio di metri al secondo, che è del tutto impari alla cinetica osservata negli organismi viventi, enzimi o non enzimi presenti. Una tartaruga che cammina a zig zag in gara di velocità contro Achille piè veloce.

 Fig. 3 – Il ciclo di Krebs

3. Il terzo enigma sta nell’elevatissima efficienza delle reazioni biochimiche. Nei modelli termodinamici di urti casuali, l’efficienza di un processo è abbassata sempre dall’energia cinetica dispersa negli stessi urti, cioè in calore; e il rendimento non può superare la soglia di Carnot, ΔT/T. Poiché negli organismi viventi T è dell’ordine di 300 gradi assoluti e la variazione della temperatura interna ΔT è di qualche grado, il rendimento dovrebbe risultare solo di qualche unità percentuale. Invece l’osservazione elettrochimica mostra nei processi alle membrane rendimenti del 65-70%. Nella fotosintesi poi, il rendimento del processo di trasferimento di energia elettromagnetica dalla luce solare incidente ai legami chimici dei cloroplasti, dove l’energia viene immagazzinata, è stato misurato quasi uguale al 100%. Un evidente fenomeno quantistico. Per non violare il II° principio della termodinamica, c’è una sola strada: che il sistema abbia una bassissima entropia, ovvero che il regime dinamico delle molecole non sia del tutto caotico, ma almeno in parte ordinato con scambio d’energia con l’ambiente. Che tipo d’ordine? donde proviene? che cosa lo impone alle particelle?

4. Il quarto punto, correlato ai precedenti, è il più intrigante di tutti: riguarda la presenza all’interno degli organismi di codici che guidano le reazioni chimiche, così creando quell’organizzazione funzionale a più livelli della vita che è da sempre fonte di stupore. Questa evidenza sovrasta talmente le capacità esplicative di un metodo fondato sugli urti casuali, che ha portato alcuni, anziché a integrare il metodo riduzionistico, a negare il problema. Con esiti opposti, come al solito, quando sui fatti prevale la Weltanschauung.

Così il filosofo darwinista se ne esce mettendo in dubbio l’esistenza dei codici: “Il concetto d’informazione in biologia è tutt’altro che assodato […] Il DNA non è un software” (T. Pievani[ix]), come se il problema stesse nella nostra comprensione del linguaggio e del sistema operativo usati e non nell’ordinamento delle reazioni. Ed una divulgatrice, che si dichiara dotata del “dono della divagazione”, sbotta in stizze infantili: “Una cellula è uno schifo, una roba molle, fatta di cose spesso che non servono, messe lì, che uno si porta dietro dall’evoluzione” (Beatrice Mautino[x]). Lo scienziato darwinista infine si beve imperterrito la canonica panacea: “In biologia l’origine di un codice è la selezione naturale. Ciò può sembrare strano o falso a un non darwinista. Ma è la selezione naturale che nel passato ha prodotto la sequenza di basi [nel DNA]tra tutte le possibili sequenze […] così dando ‘significato’ ad una proteina, nel senso che l’ha fatta funzionare in un modo che favorisse la sopravvivenza dell’organismo. Dove un ingegnere vede il progetto, un biologo vede la selezione naturale” (John Maynard Smith[xi]). Il ricorso alla selezione naturale per spiegare i codici appare “strano e falso” invece, non solo ai non darwinisti, ma a tutti coloro che conoscono la fisica, da Bohr a Hoyle a Chandrasekhar a Koonin, da Crick allo stesso Kauffman, le cui riflessioni a riguardo esamineremo più avanti.

La questione che alcuni non vogliono capire è che la panacea immaginata da Darwin un secolo e mezzo fa è stata ridotta oggi ad un placebo dai vincoli quantistici, secondo i quali dieci miliardi di anni equivalgono per la selezione naturale ad un decimiliardesimo di secondo, cioè a zero con la tecnica miserella dei trials & errors. Se in un esopianeta earth-like ospitante una decina di milioni di specie viventi un’intelligenza locale avanzasse l’ipotesi che le specie si siano colà evolute per caso e selezione naturale in un decimiliardesimo di secondo quanti ci crederebbero? Eppure questa identica congettura ci propone il funzionalismo storicistico per la speciazione terrestre con la metafora dei “tempi profondi” (T. Pievani). “Profondo” è un antropomorfismo poetico, non una misura di efficacia: anche alla velocità massima di una reazione chimica per tempo di Planck, la selezione naturale non ha avuto né lo spazio-tempo né la massa-energia per fare le sue prove sulle combinazioni fornitele dal caso. (Alcuni calcoli elementari si possono trovare qui.)

In una pausa di riposo tra un talk show e l’altro, persino Richard Dawkins sentì la necessità di trovare un meccanismo fisico che permettesse alla selezione di avere successo, riducendo lo spazio di manovra al caso. “Neanche la costruzione casuale della sola emoglobina è immaginabile, se già per questa molecola il numero delle combinazioni è 10¹⁹⁰! E che dire di un intero organismo?”, scrisse nel suo “Orologiaio cieco”. Però “il setaccio darwiniano” che propose per eliminare a priori “le combinazioni senza senso” finiva per dare una soluzione teleologica, antidarwiniana, dell’evoluzione e lo zoologo di Oxford… tornò agli show.

Dalla Weltanschauung opposta, l’Intelligent Design propone di considerare i codici come assiomi dati, meritevoli di nuovi alti concetti come “complessità specificata” (William Dembski), “complessità irriducibile” (Michael Behe), ecc. Ancora parole, parole…, che non spiegano uno iota riguardo all’agente fisico materiale che guida le reazioni biochimiche. Vediamo di capire bene il problema.

Con buona pace della Mautino, che evidentemente non ha mai “divagato” tra i capannoni di un’industria farmaceutica o della plastica, la cellula non è un reattore chimico. Tanto è “uno schifo” il reattore, “fatto di cose che non servono”, quanto perfetta organizzazione è la cellula, di efficienza tecnico-produttiva insuperabile. In chimica ogni molecola reagisce con quasi ogni altra, poligamicamente, cosicché se mettete insieme alcune specie molecolari – come accade all’interno di un reattore industriale – risulterà alla fine un magma di molte nuove specie (insieme ad una quota non trasformata delle vecchie), di cui la specie molecolare voluta dall’azienda è soltanto una tra le tante prodotte negli urti casuali. Questa dovrà essere estratta con opportuni procedimenti, mentre le altre finiranno tra i rifiuti industriali, così abbassando l’efficienza del processo ed innalzando i costi di produzione e di smaltimento.

Tutto l’opposto accade nei sistemi viventi: in ogni ciclo biologico, sulla base di schemi specifici monogamici, la molecola A va in cerca della molecola (anche lontana) B con cui combinarsi, piuttosto di farlo con la molecola (eventualmente più vicina) C, con la quale pure reagirebbe fuori dall’organismo; e le reazioni avvengono, quasi in modo intenzionale, anche per produrre quelle molecole che si giustificano solo come intermedie per la produzione in fasi successive di altre molecole necessarie all’organismo. La selettività organica moltiplica la velocità delle reazioni, massimizza il rendimento energetico dei processi e minimizza gli scarti.

È evidente a questo punto che all’interno degli organismi viventi la dinamica chimica non è regolata dal regime diffusivo degli urti casuali di molecole indipendenti, né dalle forze chimiche (“di van der Waals”) di range uguale al raggio medio molecolare (1 Å = 1 angström = 10^-10 m), ma al contrario è guidata dal riconoscimento reciproco di molecole poste anche a distanza molto superiore (tipicamente il raggio medio di una cellula: 1 micron = 10.000 Å). Questo riconoscimento è il risultato dell’obbedienza a codici che, per ogni specifico ciclo biologico, selezionano per ogni molecola il partner con cui combinarsi, escludendo ogni altra molecola ancorché presente nello stesso ambiente. Il più popolare di questi codici è quello genetico, ma negli organismi viventi ne sono presenti molti altri, da quelli di “splicing” a quelli di compartimento a quelli di citoscheletro. Un altro codice ancora è il già citato ciclo scoperto da Hans Krebs (la cui prima pubblicazione fu rifiutata dalla rivista Nature, ma che valse all’autore il premio Nobel 1953 per la medicina): un codice d’importanza fondamentale negli organismi aerobici, perché congiunge il catabolismo (di degradazione di carboidrati, grassi e proteine in anidride carbonica e acqua) alla formazione di energia chimica, oltre che produrre anche alcuni aminoacidi.

Che rispetto a due molecole B e C di pari reattività con la molecola A, questa scelga di combinarsi in un ciclo sempre con B (andando magari a cercarla lontano) e sempre con C in un altro ciclo, significa che qualcosa veicola informazione ad A. Il caso, o la contingenza, o l’assenza d’informazione operano per definizione in modo opposto: combinerebbero A con B e A con C in tutti i cicli, in proporzione al numero delle molecole disponibili B e C. Naturalmente esiste anche un moto caotico a livello biomolecolare, tanto più importante quanto più è elevata la temperatura, ma esso coesiste con un moto ordinato dall’informazione, che è diminuzione di caoticità, ovvero entropia negativa del sistema. Già Schrödinger nelle sue lezioni dublinesi aveva osservato: “Non c’è bisogno di immaginazione poetica, ma solo di chiara e sobria riflessione per riconoscere che [nei sistemi biologici] ci troviamo ovviamente di fronte a eventi il cui regolare e rigoroso svilupparsi è guidato da un meccanismo interamente differente dal meccanismo probabilistico”. Qualcuno persiste a dimenticare la vecchia lezione.

L’attenzione vitale

Questi problemi della biologia molecolare classica appartengono ad una stessa classe: l’aboutness, che è il termine usato in semiotica per definire quella caratteristica dei sistemi viventi per cui tutte le loro più minuscole componenti sfruttano – in un lavoro coordinato di miriadi di agenti microscopici – le risorse dell’ambiente per costruire l’organismo prima e per mantenerlo in vita poi. Quando la cellula di un batterio si trova in un gradiente di nutrienti e nuota a destra piuttosto che a sinistra, essa opera una scelta. Questa scelta è basata ovviamente su un macchinario chimico complicato (comprendente un certo numero di differenti specie proteiche), ma l’analisi  biochimica del sistema non esaurisce la nostra comprensione. Non c’è solo il problema evolutivo di sapere come si è sviluppato la prima volta quell’apparato. Abbiamo un problema più urgente qui ed ora, stante nel fatto che la biologia molecolare nulla ci può dire riguardo alla logica strutturale (all’informazione) che guida l’organizzazione dell’apparente guazzabuglio di milioni di reazioni chimiche che accadono nel batterio. Come si espresse nel 2001 Alfred Gilman, premio Nobel 1994 in medicina per la scoperta del ruolo delle proteine G nella trasduzione dei segnali informativi alle cellule: “Potrei tracciare una mappa di decine di migliaia di componenti in un organismo monocellulare, mettendo anche le freccette che le connettono, ma né io né nessun altro al mondo guardando alla mappa avremmo la capacità di predire alcunché”[xii]. La biologia molecolare classica è descrittiva, ma non prescrittiva. Con questi mezzi staremo sempre fermi alle fasi 1 e 2 della ricerca scientifica, in biologia evolutiva e nell’ontogenesi.

Aboutness è il termine politicamente corretto usato al posto di “intenzionalità” (dal latino “in-tendere”, tendere direttamente verso qualcosa) che sa troppo di antropico, progettuale e mentale. Lo tradurrò con il neologismo “attenzionalità” (dal latino “ad-tendere”, tendere verso ciò che sta intorno) o “attenzione vitale”, per esprimere la persistente tensione di ogni essere vivente verso tutto ciò che gli sta intorno e che può essere usato per la sua sopravvivenza. L’attenzionalità è nella scienza moderna il concetto corrispondente all’anima vegetativa della cultura classica[xiii], che secondo Aristotele è il principio basico della vita, condizione: dell’accrescimento, per cui non bastano cause esterne, ma serve una regola interna; della nutrizione, che non è meccanico trasferimento di sostanze simili, ma assimilazione del dissimile mediante il calore; della riproduzione, con cui ogni vivente cerca l’eternità del divino che ottiene come specie. Tutte le forme di vita, dagli archaea all’uomo, si supportano sulle funzioni vegetative.

La difficoltà di spiegare l’attenzione vitale sta nell’unificare due dinamiche presenti negli organismi viventi, che sono distinte negli automi artificiali: quella materiale (delle interazioni fisico-chimiche in biologia) o hardware, e quella immateriale dell’informazione o software, più precisamente dell’atto con cui il destinatario organico microscopico di un segnale inviatogli da un altro agente organico microscopico lo interpreta correttamente, attribuendogli significato utile all’organismo complessivo. La selezione ha ovviamente modulato gli organismi per tutto il cammino evolutivo sulla Terra della vita, uomo compreso. Ma la selezione naturale, da sola, non può spiegare l’attenzione vitale “perché da essa dipende” (S. Kauffman).

Lavorando al Santa Fe Institute (New Mexico, USA), a fianco del grande fisico Murray Gell-Mann, Kauffman non poté mettere la testa sotto la sabbia come il suo collega Maynard Smith. Così in “Investigations” (2000) egli si dedicò ad esaminare la questione della “non ergodicità” dell’Universo, cioè dell’evidenza che l’Universo non ha avuto il tempo di cui avrebbe avuto bisogno per arrivare al suo presente stato contenente la vita, se questo stato fosse rappresentativo solo delle sue possibilità casuali. Kauffman propose allora che il continuo muoversi dell’Universo verso “il possibile adiacente” non derivi solo dalla stocastica. L’Universo sarebbe “storico”, perché “la storia è coinvolta quando lo spazio del possibile che poteva essere esplorato è più grande, anzi molto più grande, di quello che di fatto è accaduto”. Kauffman usa un linguaggio criptico, perché si rende conto della forza negativa dei numeri presentatigli da Gell-Mann, ma allo stesso tempo vorrebbe mantenersi in ambito scientifico. Almeno una conclusione è chiara del suo discorso: la vita è un fenomeno contro ogni probabilità, perciò il fatto che la vita esista significa che essa non è solo una questione di “fortuna” (J. Monod). Questione di che cos’altro, allora? La selezione naturale ovviamente aiuta a spiegare l’adattamento dei biosistemi, ma serve un principio che risolva a monte la fondamentale questione dell’attenzionalità, dell’ininterrotta catena di micro-azioni operate dai sistemi viventi apparentemente “in-tesa” ad arrivare e a mantenersi nelle loro condizioni di vita.

Che le possibilità “esplorate” siano molte di più di quelle che sono “di fatto accadute” è un kauffmaniano non senso: infatti, nello stesso momento in cui una possibilità è stata fisicamente esplorata vuol dire che è accaduta. Non è più potenza, perché è divenuta atto (dell’esplorazione). Certo, una mente prima di fare una scelta esplora gli scenari conseguenti alle diverse possibilità e poi, in base ad essi, esercita la sua scelta. In questo caso le possibilità non sono divenute atto, perché sono state solo immaginate e mentalmente esplorate nelle loro conseguenze. Ma, poiché in ambito scientifico dobbiamo per principio prescindere dall’azione diretta d’una Mente, il problema resta tutto lì nella sua evidenza:

perché l’evoluzione dell’Universo avvenne nei primi 10 miliardi di anni sotto l’azione esclusiva di 4 campi e della materia inanimata strutturata in 3 dozzine di particelle elementari e poi, negli ultimi 4 miliardi di anni, accanto alla prosecuzione di un’evoluzione secondo le leggi della fisica quantistica, sarebbe improvvisamente comparsa e si sarebbe parallelamente accompagnata in (almeno) un Pianeta un’evoluzione di materia animata secondo una successione di eventi improbabili apparentemente intenzionali?!

La “storia” delle esplorazioni non può aumentare lo spazio delle possibilità favorite a posteriori dalla selezione. Una storia espansiva della realtà la fanno solo le menti immaginative. Nel 2006 Kauffman inizia la sua resa verso l’“incanto”. In un articolo[xiv] redatto a quattro mani col teologo Philip Clayton leggiamo che l’attenzionalità non è derivabile dal principio di selezione naturale per la semplice ragione che la selezione postula l’attenzione per poter operare: benvenuti, signori, nel regno della logica! E se gli organismi non esibissero attenzionalità, se non avessero “interesse” al mondo che li circonda, se non “si battessero […], per usare il termine di Darwin [strive]”, non ci sarebbe alcuna competizione per la sopravvivenza, ma solo un’attività disorganizzata che non porterebbe da nessuna parte. Eppure, continuano gli autori: “È un fatto strabiliante che l’Universo abbia dato origine ad entità che modificano, ogni giorno, l’Universo ai loro fini. Chiameremo questa capacità agenzia”.

L’attenzionalità come entanglement di due processi fisici auto-organizzativi

“Agenzia” è solo un nuovo nome per esorcizzare la vecchia cosa, in mancanza di un meccanismo fisico esplicitato. L’“agenzia” di Kauffman & Clayton coinvolgerebbe un qualche tipo di processo di misura, con il quale essa modificherebbe il suo ambiente in modo selettivo, secondo i propri “fini”, e questo processo di misura sarebbe il cuore della “strabiliante” attenzionalità verso tutto ciò che li circonda che caratterizza i sistemi viventi. Ma qual è la base materiale di questa agenzia mirabolante, attenta, capace di misurare, scegliere e controllare i risultati secondo i propri fini? Il silenzio di Kauffman si tradurrà qualche anno dopo in esplicito “incanto”[xv] davanti al fenomeno della vita. Con forza rinnovata, l’ID potrà proclamare che le due dinamiche dell’attenzione vitale, l’hardware e il software, sono irriducibili l’una all’altra: “La dinamica fisica da sola non può organizzarsi nei sistemi cibernetici [cioè, richiedenti le funzioni d’informazione, scelta e controllo] dei viventi” (David L. Abel[xvi]).

Ma è proprio così? o la chiave della prima comparsa dell’organizzazione cellulare e, un miliardo di anni dopo, della prima organizzazione multi-livello dell’organismo pluricellulare potrebbe essere ricercata integrando le equazioni differenziali della fisica alle condizioni iniziali di sistemi prebiotici e biologici più semplici agenti in interazione reciproca e con l’ambiente? c’è un’alternativa all’implausibilità e all’imprevedibilità, all’agenzia attenta e all’agenzia trascendente cieca, all’incanto, al dualismo cartesiano e all’ignoranza perpetua?

 Fig. 4 – Dom Robert, Arazzo (1990)

A questo punto è l’ora di ringraziare la biologia molecolare classica per il suo prezioso lavoro descrittivo (di smontaggio) e di cercare se la fisica quantistica possa con il metodo inverso (prescrittivo) indicare la via per rimontare l’organismo, determinando il processo fisico doppio intrecciato all’origine dei codici e più in generale dell’attenzionalità caratteristica della vita. È ciò che esamineremo nella Parte II.

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