Tecnologia dell’abiogenesi

Diogene (xilografia di Ugo da Carpi, 1524)

Tecnologia dell’abiogenesi

di Giorgio Masiero

L’auto-riproduzione in industria non è un processo, ma un ciclo integrato di processi diversi. Conseguenze per la congettura dell’abiogenesi 

Ho chiuso il terzo articolo sull’abiogenesi, dedicato al mondo a RNA, con un dubbio: se possa esistere una molecola auto-replicante a se stante, senza l’accompagnamento delle altre funzioni svolte nella cellula dalle proteine. L’Intelligent Design (ID) risponderebbe di no, spiegando che ogni componente della cellula è elemento inscindibile d’un progetto olistico, di cui già l’RNA costituisce una sottostruttura di “complessità irriducibile” (o “specificata”). Nel suo “Orologiaio cieco” (1986) Dawkins, conscio che una molecola di emoglobina (per dire una delle proteine più piccole) non può essersi assemblata da sola, per caso, contrappose al progetto intelligente il “setaccio” della selezione naturale con un argomento informatico. Come realizzò il filtro ammazza-caso? Inserendolo fin da principio nel “software”, cioè postulando la teleologia e così cascando nella rete dell’ID! Bocciato in logica.

L’implausibilità del “caso” (vuotezza eziologica del concetto a parte) a creare la vita risulta matematicamente dal rapporto tra il numero delle configurazioni atomiche e il volume cosmologico (di spazio-tempo × materia-energia), che non è così immenso come crede la poesia naturalistica dal tempo dei Veda. Del resto, la ricerca d’un modello razionale dell’abiogenesi – e questa ricerca è un fatto – dimostra che i primi a non credere all’assemblaggio casuale sono proprio i ricercatori, darwinisti compresi. Né possiamo credere alla complessità irriducibile o specificata della vita vegetativa (consonanze filosofiche con l’ID a parte), perché questi concetti non sono chiaramente definiti. Piuttosto in matematica troviamo la complessità NP e l’indecidibilità gödeliana. Un problema NP ha un algoritmo finito e quindi è risolvibile in teoria (da una “macchina di Turing”), ma non è risolvibile in pratica (da un computer reale, odierno o futuro), perché l’esecuzione di tutti i passi della procedura richiederebbe tempi di processo e capacità di memoria superiori all’età e alla massa dell’Universo. Indecidibile invece è un problema senza algoritmo e quindi non eseguibile neanche in teoria. In entrambi i casi il problema è senza soluzione. Tra le questioni senza soluzione potrebbe rientrare l’abiogenesi (come sono inclini a credere molti studiosi), ma non c’è la dimostrazione che vi rientri. Quindi sospendo il giudizio e resto aperto alle diverse alternative:

1. un modello di abiogenesi sarà trovato e corroborato con la sintesi d’una molecola replicante; o

2. all’opposto si dimostrerà che una molecola replicante non può esistere; o

3. la questione si chiuderà con la dimostrazione della sua complessità NP o della sua indecidibilità; o

4. la questione resterà aperta a tempo indeterminato.

Di ogni alternativa, con le conoscenze di cui disponiamo,possiamo comunque formarci già ora un giudizio di plausibilità. Nel prosieguo mi riprometto di mostrare che l’alternativa 1. è la meno plausibile e la 2. la più probabile.

Dubbi sulla fattibilità di una molecola replicante sono riemersi di recente da un campo inaspettato: il mondo delle stampanti 3D. L’invenzione della stampa di testo con i caratteri mobili (Gutenberg, 1449) fu un punto di svolta nella storia della civiltà. Ed un’ulteriore spinta alla diffusione della cultura fu data 50 anni dopo, con l’invenzione della stampa d’immagini, prima monocromatica e poi policromatica, per mezzo della tecnica xilografica di Ugo da Carpi. L’innovazione tecnologica della stampa 3D (ma si tratta veramente d’una novità o è piuttosto il marketing a raccontarcela, dopo che questi spruzzatori di vernice a controllo numerico si sono abbassati di prezzo e riverniciati il nome?!) doveva aspettare invece altri 5 secoli…, e generare nel mondo gruppi entusiasti, cooperanti in progetti open-source per la costruzione niente po’ po’ di meno che di una stampante 3D auto-replicante. Uno di questi gruppi è il RepRap (http://reprap.org/) che si presenta subito, senza paura né falsa modestia, come autore della “prima macchina industriale a scopo generico auto-replicante del mondo”. Sotto possiamo ammirare la prima versione della macchina, meritatamente chiamata Darwin (ma altre portano i nomi di Wallace, Häckel, Mendel, ecc., come si deve per una questione di giustizia), frutto del lavoro generoso 24h × 365g di migliaia di volontari sparsi per il globo.

Molti pezzi in plastica di Darwin possono essere stampati dalla stessa Darwin, con tolleranze che permettono all’hobbista di usarli per costruire una nuova stampante. Qualcuno potrebbe pensare: Ormai ci siamo, dopo la macchina auto-replicante elettronica, troveremo anche quella biochimica! A ben guardare però, non abbiamo davanti una stampante che partorisce stampanti uguali a sé, né in teoria né in pratica. Né ci siamo vicini. Nemmeno ci stiamo minimamente avvicinando perché

• per cominciare, la stampante deve essere settata e programmata dall’utente (umano) con i giusti programmi e parametri;
• poi deve essere rifornita dall’utente del materiale di estrusione adatto, che non si trova in natura ma è prodotto artificialmente;
• le parti stampate devono essere rimosse, pulite e assemblate per la duplicazione dall’utente;
• molte parti necessarie alla duplicazione (supporti, minuteria metallica, circuiti elettronici, cablaggi, interruttori di controllo, ecc.) semplicemente non sono prodotte dalla stampante, ma fabbricate da filiere di altri produttori (umani) e acquistate e portate in loco dall’utente;
• per finire, la stampante deve essere alimentata di energia elettrica, che viene fornita da una filiera di altri produttori e abbassata di tensione da un trasformatore esterno.

Beh – si dissero inizialmente gl’intrepidi hobbisti –, è naturale che all’inizio la stampante non produca tutte le sue componenti, né sia capace di auto-assemblarsi, ma con progressivi update noi le faremo costruire nuove parti dei più diversi materiali, plastici e metallici, con tolleranze sotto il micron e la doteremo di bracci meccanici per assemblare i pezzi…L’esperienza di questi anni però doveva mettere infine tutti i gruppi di fronte alla dura realtà di una circostanza insospettabile. Da loro, almeno.

Anche ammesso che la stampante “impari” in qualche modo a prendersi dall’ambiente e a trasformare le materie prime e l’energia necessarie al suo “metabolismo” (come dire: tralasciamo questi problemi!), la sua incrementale abilitazione a produrre una nuova componente per l’auto-replicazione richiede l’implemento di nuove prestazioni e componenti ancora non auto-replicabili… fino a farne un “costruttore universale”. Il termine fu coniato da von Neumann nel 1966 quando, studiando un modello minimale di macchina auto-riproducentesi ideale, indicò i processi che per riprodursi essa avrebbe dovuto eseguire.

Per un costruttore universale reale non è solo questione di (molti) processi di classi diverse per produrre le parti, ma anche di programmare e automatizzare il loro ciclo. L’auto-assemblamento nello spazio-tempo 4-dimensionale postula un sistema robotico per l’ordinamento temporale delle parti e il loro controllo di qualità (con il seguito di rifiniture, alesature, scarti, riparazioni, ecc.), la loro rotazione secondo i 3 angoli di Eulero e il loro posizionamento secondo la terna spaziale euclidea del centro di massa…, un sistema così sofisticato da richiedere – secondo uno studio NASA degli anni ’80 – un’intelligenza artificiale (IA) simile a quella umanaper il suo apprendimento incrementale e la sua stessa auto-riproduzione.

È accaduto così che i pionieri della stampante 3D auto-replicante, senza aver studiato von Neumann e l’IA, compresero un giorno sulla propria pelle, colpiti da improvvisa illuminazione, che per auto-replicarsi una stampante non può limitarsi a stampare, ma deve saper fare letteralmente di tutto; e che nella realizzazione dell’update u di tal macchina tendenzialmente universale tendenzialmente auto-replicante ogni aggiunta di una parte e di una funzione alla precedente versione (u – 1) postula la completa re-ingegnerizzazione del progetto con una complicazione crescente (in assenza di disponibilità dell’IA). Col consenso unanime degli adepti, l’auto-replicazione cantata nel motto dei programmi open-source fu elevata ad un ideale supremo cui tendere nel lungo termine ed abbassata ad uno slogan terra terra per vendere subito.

Dunque:

1. l’auto-replicazione in industria non è un processo come gli altri, né semplice né complesso, bensì un ciclo di processi di diverse classi;

2. l’auto-replicazione in industria postula un contenuto di IA simile a quella umana.

Ora, a noi non interessa qui dibattere il punto 2., ovvero se l’intelligenza umana sia artificialmente riproducibile. Un cultore dell’IA alla Minsky o alla Kurzweil non avrebbe esitazioni a rispondere di sì. Lo studio NASA sopra citato, forse influenzato da “2001, Odissea nello spazio”, stimava per l’inizio di questo secolo la comparsa del primo costruttore universale auto-riproducentesi (necessario, pare, alla colonizzazione della Galassia nei prossimi viaggi interstellari USA). “Alla luce della fisica che conosciamo”, ha dichiarato invece nei giorni scorsi a Padova Federico Faggin, l’inventore del microprocessore, del touchpad e del touchscreen, “escludo che una macchina possa mai acquisire la flessibilità, la creatività, l’immaginazione, l’intuizione, il libero arbitrio e la consapevolezza”, in una parola l’intelletto degli umani. Ciò per quanto riguarda studi e credenze. Quanto ai fatti, sono passati quasi il doppio degli anni preventivati dalla NASA e non s’intravvede la luce della “Singolarità” (Kurzweil) di robot che ci oltrepassino in intelligenza. Dal loro canto, gli orientamenti dei fondi d’investimento hanno già tracciato le traiettorie dell’high tech del XXI secolo, associando l’IA all’entertainment e concentrandosi sull’Internet Industriale.

Non è l’IA che qui c’interessa, dicevo. Ad avere impatto sull’abiogenesi è già il primo dei due punti sopra evidenziati: il fatto che l’auto-riproduzione industriale è un ciclo integrato di molte funzioni, non una singola funzione.Tornando alla vita naturale studiata in biologia, si osserva che la cellula, dopo aver costruito una copia di sé entro se stessa usando la propria membrana cellulare per proteggerla, si divide stirando verso l’interno la membrana tra l’originale e la copia, sigilla il gap e finalmente rilascia la copia finita e immunizzata nell’ambiente esterno. Questi soli processi finali contengono migliaia di operazioni elementari per eseguire le quali la cellula originale impiega miriadi di molecole proteiche di centinaia di tipi diversi della sua struttura, sotto la regia del campo elettromagnetico prodotto da miriadi di molecole d’acqua pure appartenenti alla sua struttura… Come mai non c’è traccia in natura dell’ipotizzata molecola replicante “intermedia” e l’osservazione salta invece, direttamente, dalla molecola “sterile” dei fluidi e dei cristalli alla cellula “fertile” della vita, strutturata in milioni di molecole?

La ragione e l’osservazione fanno dunque ritenere che anche in biochimica l’auto-replicazione non sia una funzione a se stante, ma comprenda tuttele funzioni vegetative

• omeostatiche,
• strutturali,
• di trasporto,
• contrattili,
• immunitarie,
• energetiche,
• ecc.

e ne sia il culmine finale (piuttosto che il postulato iniziale), così che l’auto-replicante minimale coincida con la cellula procariote, organizzata nei domini di coerenza dell’acqua organica e nelle proteine dedicate alle diverse funzioni “tecnologiche” qui sopra elencate e alla loro integrazione. Se così è – e il modello di costruttore universale ideale di von Neumann sembra rappresentare già una semplificazione della situazione reale minimale –, la congettura dell’abiogenesi come sintesi di una molecola auto-replicante a se stante è fondata per aria, inconsistente e quindi destinata al fallimento. Questo spiegherebbe perché, dopo un secolo di studi e congetture, “l’origine della vita resta il più grande enigma della biologia moderna” secondo una dichiarazione del biologo molecolare Rafael Vicuña.

Quando nei mesi scorsi ho studiato le prospettive industriali della stampa 3D, mi è venuto in mente il racconto del “Gene egoista” (1976) dove l’autore risolve l’abiogenesi postulando l’auto-replicazione come “la caratteristica” comparsa per prima, sola soletta, da “una molecola sorta per caso, né più grossa né più complessa di altre”. Questo sarebbe stato il vero L.U.C.A. dell’evoluzione biotica con la graduale successiva comparsa delle altre funzioni fino alla cellula procariote, ecc., ecc. E mi sono detto che con questa storiella della prima molecola replicante – un “dogma” che le scuole occidentali passano nelle ore di scienze, così da essere superate in razionalità dalle madrasse afghane sull’argomento – Dawkins “dimostrò” la tesi del teorema assorbendola nell’ipotesi come postulato. Bocciato di nuovo in logica.

1 molecola (eventualmente ripetuta nei fluidi e nei cristalli) →10^6 molecole (strutturate nella cellula): il gap tra la non vita e la vita nei numeri delle molecole implicate è un salto di 6 ordini di grandezza, non un’evoluzione graduale per piccoli passi. Questo è un dato, non una teoria.

Anche se non dimentico che il metodo scientifico ha appena 4 secoli e che questa frazione di tempo (esigua relativamente alla durata di una “storia” umana di 25.000 secoli) ha dato risposta a molti problemi prima giudicati irresolubili, l’universalità tecnologica dell’auto-replicazione non è una buona notizia per l’abiogenesi intesa come sintesi naturale di un replicatore monomolecolare e – cosa ancora più rilevante ai fini scientifici – non lo è nemmeno per la congettura di un’evoluzione “continua” dalla non-vita alla vita e quindi di un’abiogenesi comunque immaginata.

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