La vita è fisica (Parte II)

P.-A. Renoir, “Presso l’acqua” (1880)

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La vita è fisica (Parte II)

Le basi quantistiche della vita

di Giorgio Masiero        

Nella Parte I ho descritto 4 fatti inspiegabili della biologia molecolare classica:

1. l’accadere in vivo di reazioni chimiche che non si osservano in vitro;
2. la velocità di molte reazioni biochimiche, nettamente superiore rispetto alle stesse reazioni in laboratorio;
3. l’elevatissima efficienza di molte reazioni biochimiche, traccia diretta di fenomeni quantistici; e, più strabiliante di tutti,
4. la presenza di codici organici, che guidano i cicli chimici nell’organizzazione funzionale a più livelli della vita.

Questi problemi rientrano nella questione dell’attenzionalità, che nomina quella caratteristica dei sistemi viventi per cui tutte le loro più minuscole componenti – a cominciare dalle particelle subatomiche, come vedremo – utilizzano le risorse dell’ambiente in un’organizzazione coordinata di miriadi di operatori per costruire, conservare e riprodurre i sistemi. L’attenzionalità è nella scienza moderna il concetto corrispondente in filosofia classica all’anima vegetativa, com’era chiamato il principio basico della vita, condizione dell’accrescimento, della nutrizione e della riproduzione. Tutte le specie, dagli archaea all’uomo, si supportano sulle funzioni vegetative.

L’attenzionalità rivela la presenza nella cellula, accanto al regime caotico descritto dalla statistica chimica, di un regime ordinato che può essere guidato solo da un campo fisico. Abbiamo visto anche che l’attenzionalità (e con essa la comparsa di forme esclusivamente vegetative di vita, ovvero l’abiogenesi) si potrebbero spiegare, se si riuscisse a risalire ad una struttura molecolare che derivi la sua individualità da una relazione tra due generi di processi fisico-chimici auto-organizzativi, dipendenti l’uno dall’altro. A questo punto si tratta di affiancare all’azione di smontaggio dell’organismo prodotta dalla biologia molecolare il metodo inverso della teoria quantistica dei campi (TQC), per provare a rimontare il “giocattolo”. Solo così si può sperare di superare l’angustia del riduzionismo che, rimuovendo dall’analisi della materia vivente la sua complessità, abdica a spiegare la vita ed anche solo a definirla.

Ora viene la pars construens: mi riprometto di descrivere – usando un linguaggio comprensibile ad uno studente di liceo – alcune delle più recenti ricerche di biologia e chimica integrate con la fisica quantistica, volte ad individuare i due tipi di processi intrecciati che sono all’origine dell’attenzionalità della vita. L’interdisciplinarità di biologia, chimica e fisica si basa su una concezione fisico-strutturalistica del fenomeno “vita” e le sue teorizzazioni producono predizioni sperimentalmente controllabili (corroborate, come vedremo nell’ultima Parte). Questa concezione si candida come nuovo paradigma scientifico della biologia del XXI secolo, alternativo alle speculazioni poetiche succedutesi per millenni nella storia umana. In particolare, lo strutturalismo fisico è alternativo al darwinismo, che è una superstizione storico-funzionalistica ferma al meccanicismo della (falsificata) fisica classica e costituzionalmente priva, come abbiamo visto nella Parte I, di predittività.

Alla ricerca del campo fisico che crea l’ordine biologico

Capita ancora d’udire in ambienti anti-evoluzionisti che l’ordine e l’auto-organizzazione del vivente siano violazioni patenti del secondo principio della termodinamica, con l’immediato corollario che la vita sarebbe un fenomeno in contrasto con le leggi della fisica o comunque ad essa sfuggente. Ciò non è vero, come ho spiegato in un articolo dedicato al rapporto tra entropia e biologia.

Già nella materia inanimata, seppure in misura molto meno spettacolare che nell’animata, avvengono fenomeni di comparsa d’ordine in apparente opposizione alla termodinamica. Uno di questi era usato dai cercatori d’oro per filtrare il metallo prezioso dal miscuglio minerale: agitando la miscela, essi sfruttavano il campo gravitazionale per separare le particelle più pesanti, che andavano nel fondo del setaccio, da quelle più leggere, che emergevano in superficie, con l’effetto anti-entropico di riordinare i minerali del miscuglio. Mentre nei casi comuni l’agitazione d’una miscela allo stato liquido provoca il veloce raggiungimento della massima entropia perché accelera la distruzione di eventuali isole d’ordine generatesi per scarsa diffusione, nei microaggregati[i] la stessa operazione è localmente anti-entropica in quanto esalta l’effetto ordinante della forza di gravità. Altri casi di anti-entropia locale, possibile grazie alla presenza di gradienti di energia gravitazionale, sono la formazione di vortici ordinati, i fenomeni atmosferici, l’erosione differenziale di rocce a diversa composizione di durezza, ecc. In generale, nei fenomeni inanimati ad apparizione d’ordine, è sempre l’interazione di un campo di forze (“driving field”, o campo pilota) con la materia a guidare l’evoluzione anti-entropica di un sistema aperto[ii], a prezzo dell’accelerazione entropica degli altri sistemi energeticamente comunicanti col primo. Complessivamente comunque, nell’unione di tutti i sistemi comunicanti, l’entropia aumenta in continuazione. Ciò stabilisce la freccia del tempo e l’irreversibilità dei processi naturali: “Tu non puoi, o mortale esistenza, discendere due volte il medesimo fiume, né occupare due volte il medesimo stato, ma per rapido scambio di ardore ogni cosa si scinde e si aggrega, non prima né dopo ma nel medesimo tempo, si unisce e si disfa, compare e scompare” (Eraclito[iii]).

Alcuni fenomeni eclatanti con apparizione improvvisa, per scatto di fase, di ordine stabile nella materia inanimata richiedono l’intervento di campi diversi dal gravitazionale e le spiegazioni della TQC. Per es., i cristalli. Abbassando lentamente la temperatura, a 0 °C interviene con discontinuità un cambio di stato dell’acqua: le goccioline precipitano in fiocchi di neve dalle infinite forme, geometricamente regolari, con l’esagono come tema costante (Fig. 1). Altre sostanze precipitano (ad altre temperature) in altre geometrie: cubi, prismi, romboedri, ecc. La fisica spiega la comparsa di quest’ordine con un principio: a date condizioni di temperatura e pressione, la configurazione delle particelle di ogni cristallo è quella di valore minimo dell’energia del campo elettromagnetico prodotto dal moto delle stesse particelle. Cosicché, la simmetria stabile del cristallo non è che un ordine pre-esistente nel campo elettromagnetico, il quale nella precipitazione della materia allo stato solido emerge parzialmente a livello macroscopico. Il “continuismo” – la concezione laplaciana dei piccoli passi come descrizione esaustiva dei processi naturali – è una delle tante assunzioni della meccanica classica falsificate dai fatti sperimentali.

  Fig. 1 – Fiocchi di neve

Altri fenomeni fisici spettacolari che nei cambi di stato (aeriforme → liquido ↔ solido, ma non solo) svelano a livello macroscopico simmetrie naturali profonde sono la superconduttività, la superfluidità, i cristalli liquidi, l’antiferromagnetismo, la ferroelettricità, ecc. In generale, l’ordine che ogni volta emerge è codificato nelle proprietà di simmetria matematica di campi fisici, rotta spontaneamente dopo l’interazione contingente[iv] con la materia e con l’ambiente. La “rottura spontanea della simmetria” è un termine tecnico allusivo al fatto che non tutte le simmetrie possedute dal campo si trasferiscono allo stato finale del sistema aperto, andando alcune perdute nel suo attualizzarsi. In questo modo, l’ordine che emerge a livello macroscopico è predetto dalla TQC come l’esito necessario del flusso energetico tra specifiche strutture atomiche soggette a campi dotati di simmetrie pre-esistenti che almeno in parte si conservano.

Si noti infine che la fisica non s’interroga sull’origine delle simmetrie dei campi; le postula a priori in base a criteri di semplicità (principio di Ockam: “Entia non sunt multiplicanda praeter necessitatem”[v], le simmetrie essendo proprio un potente strumento matematico per minimizzare il numero delle variabili) e le giustifica a posteriori nelle predizioni controllate dall’esperimento che ne ricava: “All’inizio tiriamo a indovinare […] poi calcoliamo le conseguenze di un’ipotesi, per vedere quale sarebbe la conseguenza e cosa comporterebbe […] poi compariamo tali calcoli […] direttamente alle osservabili sperimentali per vedere se [l’ipotesi] funziona. Se non è in accordo con l’esperimento è sbagliata” (Richard Feynman[vi]).

Ora, come l’informazione all’origine dell’ordine nella materia inanimata è creata dalla simmetria d’un campo spontaneamente rotta nella sua interazione con le particelle atomiche, ci chiediamo:

Fig. 2 – Radiolari

Le forze che hanno composto le forme sferiche, cilindriche ed ellissoidali dei radiolari (Fig. 2) sono oggi le stesse di 500 milioni di anni fa. I cristalli di neve sono oggi gli stessi di quando cadde la prima neve, miliardi di anni fa. Perché i primi  – che sono presenti nelle stesse forme e ovunque sulla Terra, sotto ogni clima, fin dalla loro comparsa – dovrebbero essere stati forgiati dalla selezione naturale, piuttosto che dalla stessa fisica che ha forgiato e forgia i secondi? Lo stesso potremmo chiederci per i foraminiferi.

Dal punto di vista della fisica – e quindi in termini di fondamenti materiali – non è questione né di tempo né di adattamento, ma solo delle forze che assemblano un organismo in una forma geometrica piuttosto che in un’altra e, per quanto sappiamo, le forze fisiche che agiscono oggi su Orbulina, Lagena o Nodosaria sono le stesse che ai tempi del Cretaceo. Anche Stephen J. Gould negò validità alla spiegazione darwiniana per questi protozoi: “Tali forme non sono soggette a specifiche ragioni di filiazione storica più di quanto non lo siano le varie forme dei fiocchi di neve o dei cristalli di quarzo”[vii] e prima di lui D’Arcy Thompson nel “più fine lavoro di tutti gli annali di scienza scritto in lingua inglese”[viii] scrisse: “A me non pare affatto che il modo usuale di ragionare del biologo sia adatto in questi casi, né che si possa impiegare necessariamente, tranquillamente o legittimamente il concetto di un’evoluzione storica continua”[ix]. “Tranquillamente” era stato l’avverbio usato da Darwin per invocare l’evoluzione per selezione naturale anche in questi casi[x].

Che le forme dei radiolari e dei foraminiferi siano di origine adattativa ed ereditate da comuni antenati appare in contrasto col principio di Ockam, che vietando in generale di aggiungere nuove assunzioni quando bastano le precedenti, vieterebbe in questo caso di aggiungere una serie di altre congetture, per giunta incontrollabili (quali l’esistenza d’un comune antenato e l’ottimizzazione di ogni forma geometrica ad una funzione adattativa specifica in un dato habitat) a quella semplice, misurabile e corroborata di un campo, la cui simmetria si rompa spontaneamente nei radiolari e nei foraminiferi come nei cristalli in diversi solidi geometrici, in seguito all’incontro con la materia organica e con l’ambiente.

Come tutti sanno, dalle invenzioni di Tesla e di Marconi e dal corto raggio (10^-18÷10^-15 m) delle forze nucleari, l’unico campo fisico che veicola informazione mass-selective[xi] oltre il range tipico della cellula (1 micron = 10^-6 m) richiesto per spiegare il funzionamento dei codici organici è il campo elettromagnetico.

Il campo elettromagnetico come sorgente dei codici organici

Vediamo prima di tutto come la presenza di un campo elettromagnetico, anche di debole intensità, risolverebbe i 4 “misteri” della biochimica ricordati all’inizio; come in particolare la dinamica del campo ordinerebbe le reazioni chimiche nei diversi cicli biologici. Nel paragrafo successivo vedremo quale sia la sorgente nei viventi di questo campo pilota. Userò un approccio conservativo, ovvero tutto quanto dirò si poggerà su risultati scientifici consolidati da decenni e descritti nelle riviste peer review. Anche se per evitare la matematica ricorrerò a metafore, mai mi riferirò a speculazioni infalsificabili o a teorie non ancora corroborate.

Cominciamo col dire che una molecola interessa ad un fisico per caratteristiche affatto diverse che ad un chimico. Per questi una molecola è un insieme di atomi, che può reagire in maniera diversa con altre molecole per dar luogo a nuove specie molecolari, ricombinandone gli elementi. Per il fisico (della materia condensata) invece, una molecola è un sistema di nuclei elettricamente positivi e di nubi elettroniche negative, che fluttua tra la configurazione “di base” (quella di minima energia) ed altre configurazioni (“eccitate”), diverse per ogni molecola. Questo è un punto fondamentale della fisica quantistica: in ogni molecola, rispetto al gradino più basso la scala delle configurazioni energetiche eccitate è composta di gradini di altezza definita e la frequenza di fluttuazione tra due configurazioni è proporzionale al salto di energia che le separa. Per il fisico quindi una molecola è un oscillatore e la cellula un insieme di oscillatori, dove ogni oscillatore ha uno spettro di frequenze caratteristiche sue proprie. Ti basti, lettore.

Interviene ora un teorema dell’elettrodinamica quantistica (EDQ) dello stato condensato, che è la sezione della TQC dedicata al campo elettromagnetico interagente con la materia solida o liquida. Eccolo:

1. si abbia un campo elettromagnetico esteso in una regione, il quale oscilli ad una data frequenza e
2. nella regione ci siano due molecole che oscillino con frequenze pressoché uguali[xii] tra loro e alla frequenza del campo,

allora tra le due molecole si esercita una forza attrattiva molto intensa rispetto alle normali forze chimiche e agli urti casuali.

Secondo il teorema dunque, in presenza di un campo elettromagnetico che ricopra il volume di una cellula (mediamente avente il range di 1 micron, che è 3÷4 ordini di grandezza superiore a quello delle molecole organiche), anche due molecole distanti della stessa cellula possono essere “riconosciute” dal campo e portate immediatamente a contatto. Per combinarsi chimicamente esse non devono aspettare di urtarsi casualmente, perché le guida attivamente il campo. L’unica condizione perché si realizzi questa attrazione di lungo range è che le molecole abbiano tra una coppia delle loro configurazioni un salto quantico uguale alla frequenza del campo pilota: allora, entrando in “risonanza” con il campo esse vi entrano tra loro, si attirano fino a collidere e danno luogo alla reazione chimica. È la stessa situazione delle comunicazioni wireless. Quando un telefonino da Milano ne chiama un altro a Londra i due risuonano stabilendo il contatto, mentre tutti gli altri cellulari anche più vicini al primo non rispondono perché non risuonano con esso.

Il teorema dell’EDQ spiega così, semplicemente, la selettività, l’azione a distanza e la velocità delle reazioni biochimiche, quando ci sia nella cellula un campo elettromagnetico suscettibile di oscillare in un adeguato spettro di frequenze!

Questo uso selettivo del campo elettromagnetico trova da qualche tempo applicazione in industria. Nell’industria chimica, avendo in soluzione acquosa molte specie molecolari e volendone estrarre una particolare, spariamo un raggio laser della frequenza della specie voluta: tutte le molecole di questa specie sono attratte all’interno del raggio, la cui pressione le spinge in un punto dove le possiamo raccogliere. Le altre, non risonanti, sono ignorate dal laser e residuano nella soluzione. Nell’industria nucleare, questo metodo è applicato al Los Alamos National Laboratory (New Mexico, USA) per arricchire l’uranio, estraendo l’isotopo 235 dal minerale. Un tempo (in Iran, ancora adesso) si usavano le centrifughe; oggi si usa un laser di frequenza risuonante col nucleo 235.

Ora, si sa che ogni reazione chimica è esotermica o endotermica, cioè produce o assorbe una dose di energia. Il valore (positivo o negativo) della dose deriva dalla ristrutturazione delle nubi elettroniche conseguente alla reazione, in ultima istanza dalle costanti cosmologiche[xiii]. In presenza del campo elettromagnetico, questa energia viene assorbita o ceduta dal campo, che in conseguenza varia in più o in meno la sua frequenza iniziale. A questo punto il campo capta altre molecole capaci di risuonare con la sua nuova frequenza, nuove molecole s’incontrano e riparte una nuova chimica. Nasce così uno schema biochimico dipendente dal tempo: in direzione top-down il campo seleziona in base alla sua frequenza attuale una reazione biochimica, la quale in direzione bottom-up modifica la frequenza del campo, ecc. I delta di energia scambiati tra le orbite elettroniche dei reagenti ed il campo elettromagnetico, dando luogo a frequenze specifiche che attirano molecole specifiche, ordinano le reazioni molecolari. Il campo elettromagnetico diventa veicolo d’informazione prescrittiva per la biochimica.

Codici organici direttamente eseguibili risultano dunque dall’intreccio tra due processi, EDQ e chimica, quando sia presente nella cellula un campo elettromagnetico capace di oscillare su un vasto spettro di frequenze! I codici sono l’esito della simmetria del campo elettromagnetico spontaneamente rotta nell’interazione con le molecole organiche, la cui reazione a sua volta rimodula il campo scandendo il programma del ciclo. Questa sinergia rimpiazza nel vivente il modus operandi affidato magicamente dalla biologia molecolare classica agli urti casuali. Per es., gli operatori di “ingegneria genetica naturale” proposti da James A. Shapiro[xiv] per spiegare le mutazioni genetiche risultanti da operazioni biochimiche ben definite, con la sensibilità di questi operatori ai fattori epigenetici, trovano nell’entanglement tra campo elettromagnetico e biochimica una loro base materiale.

Ricordiamo infine che l’attenzionalità inconscia può emergere senza intenzionalità cosciente dall’intreccio sinergico di due tipi distinti di processi fisico-chimici. Ebbene, il risultato dell’interazione del campo elettromagnetico con la biochimica è proprio una struttura molecolare dinamica, che deriva il suo sviluppo materiale da una relazione tra due processi auto-organizzativi distinti interdipendenti: l’entanglement EDQ-chimica risulta così esplicativo dell’attenzionalità e diviene un’assunzione misurabile e falsificabile atta a completare con gli ordinati processi quantistici gli attuali modelli chimici prebiotici caotici (di sistemi auto-catalitici, o di liposomi auto-riproduttivi, o della nascita dell’RNA) dell’abiogenesi.

A questo punto, dobbiamo rivolgerci all’identità del campo pilota:

Sorella acqua

Si dice che la medusa, essendo fatta per il 98% d’acqua, sia più pura dell’acqua minerale. Ma con l’aggiunta infinitesima di qualche additivo l’acqua è la linfa vitale anche d’uno scorpione o d’un cetriolo, d’un batterio della salmonella o d’un elefante. Quanto a noi uomini, siamo acqua per il 75% della nostra massa: per 2/3 l’acqua sta nelle cellule, per 1/3 è extracellulare (per lo più nel plasma sanguigno) e fluido interstiziale che bagna le cellule. Se poi contiamo il numero invece di misurare il peso, le molecole d’acqua – che sono leggerissime rispetto alle altre molecole organiche più blasonate: proteine, acidi nucleici, vitamine, ormoni, ecc. – salgono per tutti i viventi al 99%. La vita è acqua, dunque.

Per i biochimici ciò che conta è la reattività inter-molecolare e poiché l’acqua ha una reattività chimica modestissima, essa è da loro trascurata. Vuoi mettere le proteine, gli enzimi, ecc.? Certo, nessuno nega che l’acqua giochi un ruolo importante nei processi biologici: la maggior parte delle reazioni chimiche nel nostro organismo e in quello degli altri esseri viventi sono in presenza d’acqua come solvente; l’acqua è mezzo di comunicazione tra i tessuti cellulari (liquido interstiziale); mezzo regolatore delle funzioni; depura dalle scorie; trasporta i nutrienti; mantiene la pressione osmotica… Ma qui più o meno finisce l’interesse dei biochimici per l’acqua.

Per i biofisici ciò non può bastare. Come per i sindaci delle S.p.A., che contano in assemblea il numero di azioni, per i fisici vale il numero di oscillatori, e quando gli oscillatori dell’acqua vanno dal 99% al 99,99% del totale degli oscillatori di una cellula, l’esistenza di questa maggioranza silenziosa, “humile et pretiosa et casta” (Francesco d’Assisi), deve nascondere un significato! Quindi studiamo l’acqua.

L’acqua ha una formula chimica elementare: H₂O. I 3 atomi che compongono una sua molecola isolata sono nella configurazione di base disposti a triangolo isoscele (Fig. 3), con l’ossigeno al vertice O di un angolo di 104,45° e i due idrogeni alla base H-H. I lati congruenti O-H misurano 0,96 Å. Questa disposizione fisico-geometrica di 3 nuclei circondati da una nube di 10 elettroni è, in termini di masse, forze, lunghezze ed angoli, una combinazione numerica sottile – uno dei tanti risultati del fine tuning al Big Bang – portatrice di proprietà che rendono l’acqua unica tra le 15 milioni di specie chimiche note, facendone la chiave della vita. Fosse, per es., l’angolo al vertice di pochi gradi minore di 104,45° (come accade per gli altri composti dell’idrogeno dove l’ossigeno è sostituito da un elemento dello stesso gruppo nella tavola di Mendeleev: il solfuro d’idrogeno H₂S, o il seleniuro H₂Se, o il telluriuro H₂Te) o di pochi gradi maggiore, la vita non sarebbe possibile.

Fig. 3 – La configurazione di base della molecola d’acqua

Quale forza tiene uniti i 3 atomi nella molecola? È ciò che i chimici chiamano “legame  covalente polare”, e che i fisici spiegano con lo stato di minima energia consistente in una distribuzione della nube elettronica quasi totalmente spostata intorno al nucleo di ossigeno. Il vertice O del triangolo isoscele si carica così negativamente, mentre i 2 angoli alla base H-H (con i 2 idrogeni ridotti quasi a 2 nudi protoni) si caricano positivamente. Questa configurazione dipolare di base, dove comunque tutti gli elettroni sono fortemente legati ai nuclei, conferisce alla molecola la forma di una sfera schiacciata ai poli. Subito sopra questa configurazione, a +12,06 eV c’è una configurazione eccitata dalla forma bitorzoluta, con un elettrone in regime di quasi libertà per ogni molecola. L’energia di ionizzazione dell’acqua, necessaria a liberare un elettrone, è infatti 12,62 eV, appena mezzo elettronvolt sopra la configurazione bitorzoluta. Ci sono poi altre configurazioni eccitate, a più alta energia, di maggiore labilità.

Adesso interviene un altro teorema dell’EDQ, che sta alla base della fisica del laser scoperto negli anni ’50. Il teorema predice che in un sistema di oggetti elementari identici (atomi, molecole, ioni, elettroni, ecc.), alle 3 condizioni che esso

1. abbia uno spettro discreto di livelli energetici,
2. superi una soglia minima di densità e
3. si trovi sotto un valore critico della temperatura,

la minima energia (dove il sistema trova il suo equilibrio dinamico) non si avvera in uno stato con oscillazioni indipendenti delle particelle, ma nello stato (detto di “coerenza elettrodinamica”) in cui tutte le particelle identiche si muovono con ugual frequenza e in fase, tra due livelli energetici, così originando un campo elettromagnetico della stessa frequenza e in fase con gli oscillatori elementari.

Che un moto di cariche elettriche produca un campo elettromagnetico sta nelle equazioni di Maxwell ed è pertanto cosa nota da molto tempo. Si è però portati a pensare, con un ragionamento solo all’apparenza corretto, che i campi elettromagnetici microscopici prodotti dalle oscillazioni di tante singole particelle cariche si orientino casualmente in ogni direzione e così si sommino a zero. La scoperta del laser ha mostrato che non è sempre così e che, in certe condizioni fisiche, le particelle danzano in sincronia come un corpo di ballo.

Eseguendo i calcoli, nel 1988 si è trovato[xv] che le condizioni del laser si possono verificare anche per l’acqua. Quella organica, ottemperando nelle normali densità e temperature alle 3 condizioni del teorema, si suddivide in due componenti, una ordinata ed una caotica:

        I.            una parte delle molecole, intrappolate in tanti volumi (detti “domini di coerenza”) della dimensione di 100 Å e contenenti alcuni milioni di molecole ciascuno, si muovono a ritmo oscillando tra i due stati energetici a forma di palla schiacciata e a forma bitorzoluta. L’oscillazione di queste molecole in fase produce un campo elettromagnetico duraturo, d’intensità paragonabile a quello terrestre, avente una frequenza dell’ordine di 10¹³÷10¹⁴ Hz[xvi];

      II.            resta, tra gli interstizi dei domini di coerenza, una frazione di molecole in moto disordinato, tanto più numerose quanto maggiore è la temperatura, che obbediscono alla statistica classica.

Già a fine ‘800 Röntgen[xvii], lo scopritore dei raggi X, aveva ipotizzato l’esistenza di due fluidi dell’acqua con caratteristiche fisiche diverse per spiegare alcune strane proprietà termodinamiche dei soluti. Ora l’EDQ lo conferma: se allo stato di vapore (sopra i 100 °C, alla pressione di 1 atm) ogni molecola d’acqua oscilla autonomamente e nessun campo elettromagnetico è prodotto, nello stato liquido invece, già a 90 °C, un 30% delle molecole oscilla in fase all’interno dei domini di coerenza producendo un campo elettromagnetico persistente. Con l’abbassarsi della temperatura diminuisce il volume occupato dagli interstizi d’incoerenza sul totale del liquido e cresce la coerenza insieme all’intensità del campo elettromagnetico da essa prodotto, secondo rapporti precisi[xviii]. Sotto i –70 °C tutta l’acqua (ghiacciata) diviene coerente[xix].

Per la frazione coerente dell’acqua organica accade come nei concerti di musica classica, dove inizialmente ogni strumentista suona per conto suo, poi si accordano gli strumenti ed infine ne esce… una melodia. Così, ad adeguate condizioni di densità e temperatura, tra le molecole d’acqua intrappolate nei domini di coerenza, dopo un’iniziale fase di fluttuazione disordinata, tutti i campi si saldano presto (in ~10^-14 secondi) in un unico campo mesoscopico.

L’entanglement EDQ-chimica

Le due fasi coesistenti dell’acqua – i domini di coerenza e gli interstizi – sono entrambe fondamentali per la vita. Gli interstizi ospitano, oltre alle molecole d’acqua in moto non coerente, tutte le altre molecole organiche: tra queste, quelle che oscillano alla stessa frequenza del campo prodotto nei domini di coerenza si ammassano ai confini e danno luogo alle reazioni biochimiche. Le rimodulazioni della frequenza del campo operate dalle reazioni richiamano come sirene altre molecole degli interstizi ai confini coi domini e s’innesca il ciclo. Ecco perché la vita ha una temperatura minima sotto la quale non può scendere ed una massima sopra la quale non può salire: calando la temperatura, i domini di coerenza si dilatano e gli interstizi, divenuti troppo piccoli, non possono ospitare tutte le molecole organiche diverse dall’acqua necessarie ad innescare l’entanglement EDQ-chimica; viceversa, aumentando la temperatura, si contraggono i domini di coerenza e si riduce l’intensità del campo pilota dell’entanglement. A bassa temperatura non ci sono suonatori, ad alta temperatura mancano il direttore d’orchestra e lo spartito. La temperatura giusta (36÷37 °C nell’uomo) è quella in cui la dimensione della grandezza degli interstizi nell’acqua è della dimensione atta a contenere tutte le molecole biologiche: un altro fine tuning delle costanti cosmologiche che coniuga la soglia d’intensità del campo alla dimensione delle molecole!

Che cosa fornisce ad una molecola d’acqua l’energia di 12,06 eV per saltare allo stato eccitato bitorzoluto, dal quale discendere per risalirvi ecc., decine di migliaia di miliardi di volte al secondo, in un modo di oscillazioni collettivamente coerenti, costruttive del campo pilota? che cosa scava il tunnel quantistico che permette alle particelle di superare il muro di 12,06 eV, senza violare il principio di conservazione dell’energia? La risposta è il vuoto.

Il vuoto quantistico non è il vuoto classico (coincidente col nulla metafisico), ma un serbatoio di oscillatori di tutte le frequenze. Ogni tanto emerge dal vuoto un quanto elettromagnetico (un “fotone”), che poi vi rientra, dopo un tempo inversamente proporzionale alla sua energia (o frequenza). Nel frattempo un altro ne esce… Consideriamo ora una molecola d’acqua (dimensione 1 Å) che faccia il salto alla configurazione bitorzoluta sfruttando un fotone dell’energia di 12,06 eV emerso dal vuoto. Un tal fotone ha una lunghezza d’onda di 1.000 Å e quindi, nell’acqua liquida intracellulare dove le molecole sono aderenti, legate in lunghi polimeri data la loro polarità, esso può eccitare un migliaio di molecole diverse. Comincia allora l’azione collettivizzante del fotone, che costringe alcune molecole ad oscillare a ritmo, nel corrispondente dominio di coerenza. La diversità di grandezza tra fotone e molecola d’acqua crea il campo elettromagnetico pilota! All’oscillazione in fase delle molecole nei domini di coerenza corrisponde una caduta dell’entropia, che può avvenire solo se il sistema cede energia all’esterno a spese del regime caotico interno che si riduce. L’instaurazione della coerenza è analoga alla transizione gas → liquido, che è sempre accompagnata dalla cessione di un tot di energia all’ambiente, chiamato “calore latente di liquefazione”. Ugualmente, man mano che i fotoni emersi dal vuoto creano coerenza nell’acqua liquida, questa si raffredda e salda così il suo debito energetico col vuoto, che aveva innescato il processo col prestito di fotoni. Il “laser cooling”, per cui è stato conferito il premio Nobel per la fisica nel 1997 a Steven Chu, Claude Cohen-Tannoudji e William Phillips, si basa su questo fenomeno.

Scale di auto-organizzazione del vivente

Esistono altre conseguenze del teorema di coerenza biologicamente rilevanti. La prima è che nell’acqua liquida la coerenza non coinvolge solo le molecole, ma anche il plasma di elettroni semi-liberi imprigionati nei domini. La matematica dell’EDQ predice che essi oscillano in vortici ordinati secondo un numerosissimo spettro di frequenze caratteristiche, separate di appena ~10⁴ Hz. Poiché solo 0,56 eV separano la configurazione bitorzoluta dall’energia di liberazione d’un elettrone, quando provengano dall’esterno sollecitazioni energetiche anche minime (minori di 0,56 eV), gli elettroni semi-liberi all’interno dei domini di coerenza prendono ad oscillare in moti coerenti, capaci di selezionare finemente ai confini con gli interstizi specifiche reazioni chimiche appartenenti ad un altrettanto larghissimo spettro di frequenze. Il plasma elettronico si comporta così come un rigattiere che raccoglie dall’ambiente ogni tipo di energia di bassa qualità per incanalarla in un schema ordinato che poi, sulla base della risonanza, attua l’informazione chimica dei cicli. Quando l’accumulo elettronico supera la soglia di 0,56 eV (e l’energia totale accumulata nel dominio di coerenza è alle soglie dell’ultravioletto) gli elettroni si liberano del tutto, dando origine al trasferimento di elettroni tra una specie chimica e l’altra che interviene nelle reazioni di ossidoriduzione. Si risolve così anche il problema posto nel ‘57 da Szent-Györgyi sull’origine degli elettroni usati in grandi quantità dalla vita. Un modello specifico del fenomeno (“electron transfer”) ha meritato a Rudolph Marcus il premio Nobel per la chimica nel 1992.

Un’altra conseguenza importante è che il plasma elettronico permette alla coerenza di svilupparsi a più livelli gerarchici. Si dimostra[xx] che nel caso dell’acqua, a cagione della sensibilità dei plasmi elettronici alle più piccole sollecitazioni, anche l’insieme dei domini di coerenza oscilla dando luogo ad una coerenza di secondo livello tra domini, chiamata “supercoerenza estesa”. La ripetizione di questo processo, sempre possibile, richiama in parallelo la gerarchia biologica di organelli, cellule, organi, tessuti, individui, specie, nicchie, ecosistemi, società,…

Riassumendo, siamo arrivati a 6 risultati fondamentali, suscettibili di predizioni controllabili:

1.       l’acqua liquida, alle concentrazioni e temperature in cui è presente negli organismi viventi, produce un campo elettromagnetico del range efficace di una cellula;

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2.       l’azione di questo campo sulle molecole della cellula spiega la velocità, la selettività e l’efficienza dei processi chimici che vi avvengono;

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3.       la rimodulazione del campo operata dal feedback delle reazioni molecolari è all’origine dei codici che guidano i diversi cicli organici. Il campo elettromagnetico dell’acqua è il driver field dell’ordine dei viventi;

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4.       i vortici ordinati dei plasmi elettronici presenti nei domini di coerenza, oltreché consentire una modulazione fine del campo elettromagnetico (e quindi dei cicli chimici), accumulano l’energia utilizzata per liberare gli elettroni necessari alle reazioni biochimiche;

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5.       la dinamica del sistema complessivo dei domini di coerenza (“supercoerenza estesa”) può spiegare i vari livelli gerarchici dell’organismo pluricellulare e della tassonomia;

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6.       l’intreccio sinergico tra campo elettromagnetico e la struttura molecolare (e il vuoto quantistico) – l’entanglement tra fisica e chimica – giustifica l’attenzionalità ed è all’origine dell’abiogenesi.

Riguardo all’abiogenesi, il punto importante ora è di sapere se la condizione necessaria dell’entanglement EDQ-chimica sia anche sufficiente.

 Fig. 4 – Le fasi della ricerca scientifica in biologia

Ma ancora più importante prima, dal punto di vista scientifico, è verificare sperimentalmente le predizioni di queste teorizzazioni e la possibilità di ricavarne delle applicazioni tecnologiche. Gli studi di biologia molecolare, descritti nella Parte I, permettono di eseguire la fase osservativa; le teorizzazioni presentate in questa Parte II possono apparire solo delle congetture. Si tratta ora di confrontare le predizioni della teoria con le osservazioni (Fig. 4). Per questa verifica rinvio i lettori alla prossima, ultima Parte.

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