La fisica della vita

L’idea oggi corrente per l’ordine biologico è quella di una persistente regolarità delle strutture molecolari e dei processi di espressione del codice genetico che vengono osservati in tutte le specie viventi, anche se così diverse tra loro. In questo intervento [1] cercherò invece di mostrare come sia possibile fondare l’ordine biologico direttamente nell’aspetto fisico del divenire del vivente, e precisamente sulla capacità del vivente di mantenersi ordinato nella sua continua trasformazione. Questa formulazione è una estensione della concezione originaria di Schröedinger, che considerava l’organismo un sistema fisico ordinato e capace di mantenersi tale. Questa presentazione sembra oggi necessaria per gli organismi superiori per i quali è ancora dubbia la validità di un determinismo genetico che possa prefissare il divenire [2].

Da Schröedinger a Monod

Nel 1947 apparve il famoso libretto di Erwin Schröedinger What is Life? The Physical Aspects of the Living Cell [3], il quale, dato il grande prestigio dell’autore, fu subito letto dalla comunità dei fisici con grande interesse e, prima della scoperta della doppia elica, ispirò molti biologi. In quella serie di lezioni, Schröedinger sosteneva che l’organismo era un sistema ordinato nel senso fisico del termine e, inoltre, capace di mantenersi tale e di produrre eventi ordinati. L’ordine fisico veniva formulato come il reciproco del disordine, e quest’ultimo per un sistema chiuso era misurato dall’entropia termodinamica. Perciò Schröedinger concludeva che l’organismo per mantenersi vivo doveva “succhiare” entropia negativa dall’ambiente per contrastare così gli inevitabili processi fisici di disgregazione.La scoperta della struttura della doppia elica è del 1953. Da allora l’interesse dei biologi si è concentrato sulle conseguenze che questa struttura poteva avere nella genetica, con i ben noti successi. Così, nel 1965, i tre biologi francesi André Lwoff, Jaques Monod e François Jacob ottennero il Nobel per la scoperta dei meccanismi di trasferimento dell’informazione ai fini della regolazione cellulare, e loro stessi furono autori di libri su questo argomento. Lwoff [4] considerava valida la concezione di Schröedinger per quanto riguardava l’organismo come sistema che si mantiene ordinato ma si esprimeva con chiaro scetticismo sull’esistenza di “pillole di entropia negativa” che lo tenessero fuori dal disordine di tutti i sistemi molecolari. Monod [5] e Jacob [6] non citano più Schröedinger, perché ormai sembra possibile comprendere i processi regolatori dell’organismo attraverso la conoscenza delle macromolecole biologiche. Anche se il discorso sull’entropia negativa è stato in seguito riformulato in termini di flusso di informazione, non sembra che il pensiero biologico ne sia stato influenzato, come possiamo vedere dal libro di Mayr [7]. In realtà oggi sappiamo che i biologi molecolari dell’epoca si fondavano solo sulla conoscenza delle strutture genetiche degli organismi inferiori, come appunto i batteri, per i quali vale indubbiamente un determinismo genetico che rende superflua la nozione di ordine biologico. “Caso e necessità”, per usare il linguaggio di Monod, bene si prestano a esprimere il divenire in una direzione qualsiasi oppure in una ben determinata. Ma si ricordi che le conclusioni raggiunte allora da Monod erano generalizzazioni a ogni vivente (e quindi anche a un organismo superiore) che oggi non possiamo più accettare. Ed è su questo punto, spesso dimenticato, che mi voglio soffermare, perché, se non vale il determinismo genetico, l’ordine nel divenire appare una proprietà del vivente non riducibile a processi più elementari.

Il processo ordinato

In realtà, l’organismo non ha alcun bisogno di continuare a succhiare entropia negativa dall’ambiente se dispone di un processo memorizzato che mantiene se stesso senza disordinarsi, cosa cui provvede il patrimonio genetico, almeno negli organismi inferiori, e che era ignota a Schröedinger. E’ sufficiente che la trasformazione continua di questi organismi avvenga lungo quel particolare divenire che è consentito dalle loro stesse strutture, attraverso un processo che le mantenga integre nel corso del tempo.A questo punto è necessario richiamare dalla fisica la nozione di processo ordinato (inteso come un processo che lascia invariato lo stato di ordine del sistema), e questo non per voler ridurre la biologia alla fisica, ma perché l’organismo è sempre un sistema fisico che, in quanto tale, deve seguire le leggi generali della fisica. Questa studia i fenomeni naturali più semplici e quindi riesce più facilmente a formulare delle nozioni di carattere generale, utili anche in contesti più ampi, come appunto nel caso della nozione di ordine. Ricordiamo allora dalla termodinamica generale che [8] per un sistema chiuso la situazione di maggiore ordine si ottiene riducendo il numero delle configurazioni equivalenti possibili del sistema. Di conseguenza, se il sistema è già ordinato, si mantiene tale solo se durante una trasformazione il numero delle sue configurazioni non si accresce. Questo significa limitare drasticamente il numero delle transizioni possibili da quello stato iniziale all’insieme numerosissimo degli stati finali possibili. Detto in termini diversi, il sistema si comporta come se seguisse una sola traiettoria nello spazio entropia-tempo, quella sola che mantiene costante e più basso il valore dell’entropia del sistema. La nozione di processo ordinato richiamata precedentemente è fondata sulla termodinamica. Ma essa include anche quanto l’umanità primitiva aveva riconosciuto nelle regolarità osservate nei fenomeni naturali, come il sorgere e tramontare del Sole, perché la regolarità tra gli eventi è una implicita riduzione (limitazione) delle possibili distribuzioni tra gli stessi eventi. L’ordine di un sistema materiale formato da diverse parti è sempre esprimibile attraverso un gruppo di relazioni quantitative che limitano le posizioni relative delle diverse parti (per esempio in un cristallo). Anche l’ordine cosmico della meccanica celeste discende dalla limitazione delle traiettorie possibili di un pianeta alle sole ellissi di Keplero. Ordinare significa sempre limitare le possibilità di essere di un sistema, ed è attraverso questa nozione che vogliamo riconsiderare l’ordine biologico. La condizione che il sistema biologico sia aperto non pregiudica questa applicazione.

La funzione anticipatrice

A questo punto ci chiediamo se il vivente offra un comportamento spontaneo simile a quello sopra ricordato per un sistema fisico che mantiene il suo stato di ordine. La risposta è affermativa, perché nella serie continua di eventi che trasformano il vivente pur mantenendone l’unità, ogni passo avviene sempre in una sola direzione tra le tante possibili e letali. Questo fatto così generale avviene sotto i nostri occhi, ma non attira più la nostra attenzione forse perché ci siamo troppo abituati. Invece questo aspetto temporale, che è stato chiamato capacità di “anticipazione” del proprio futuro immediato da parte del vivente, è essenziale. Il primo a parlarne, negli anni Cinquanta, fu Jean Piaget, che arrivò alla nozione di anticipazione attraverso i suoi studi sulle funzioni cognitive del fanciullo. “Una delle funzioni essenziali del sapere è di condurre a previsioni”, scriveva nel 1965 lo psicologo svizzero [9]. Ma, cosa ancor più importante, egli arrivò a riconoscere questa capacità anche nella vita organica (all’epoca lo sviluppo embrionale, dove il contemporaneo Emile Guyenot parlava di funzionamento profetico dell’organismo), svincolandola dalle particolari morfologie del vivente: “La funzione di anticipare è una delle più generali della vita organica, come pure dei meccanismi cognitivi” [9]. Successivamente, anche Jacob se ne occupò nell’ambito dello sviluppo genetico. Per questo studioso, il processo di anticipazione investe ogni passo dell’intero divenire del vivente: “Non c’è un solo movimento, una sola posizione che non implichi un più tardi, un passaggio all’istante successivo. Respirare, mangiare, camminare è anticipare. Vedere è prevedere […].Un organismo non è vivo che nella misura in cui andrà ancora a vivere, anche se per un istante” [6].Tanto in Piaget che in Jacob, il processo di anticipazione è stato pensato come una funzione necessaria ormai memorizzata nelle strutture biologiche, e selezionata a questo fine dalla sopravvivenza. La stessa omeostasi, la capacità di mantenere la stabilità del vivente in modo quasi sincrono, può essere contenuta nella nozione più ampia e realistica dell’anticipazione, che si manifesta nell’intera serie di eventi durante tutto il divenire del vivente. Ormai siamo convinti del fatto che almeno negli organismi inferiori questa capacità di anticipare debba essere il risultato delle correlazioni temporali incluse nel messaggio genetico, perché esso contiene anche informazioni sui tempi di espressione delle sue parti. Di conseguenza, anche l’origine dell’anticipazione viene a coincidere con l’origine del codice genetico, problema ancora aperto che qui possiamo anche lasciare da parte. I problemi di oggi nascono dal fatto che negli organismi superiori ci si chiede come sia possibile stabilire a livello molecolare tanti controlli per gli eventi genetici elementari al fine di comporli in quell’unico programma temporale che guida il divenire dell’intero organismo. Speriamo che la conoscenza completa del genoma degli organismi superiori possa presto rispondere a questa domanda. Questa difficoltà è nota come il problema dell’indeterminismo genetico [10] e investe direttamente ogni discorso sull’ordine biologico negli organismi superiori. Se questo indeterminismo genetico sarà confermato [2], la capacità di un organismo superiore di mantenersi ordinato dovrà essere accettata come un fatto sperimentale che caratterizza il divenire spontaneo del vivente.

Una nuova visione dell’ordine biologico

E’ straordinaria la varietà di cambiamenti mostrati, a ogni livello, da un organismo superiore per trasformarsi continuamente da vivo a vivo e lentamente da giovane a vecchio, e questo comportamento così generale ci induce a pensare che la capacità di anticipazione debba entrare in modo esplicito nella nozione di ordine biologico ancora necessaria per gli organismi superiori. La limitazione nel numero delle scelte possibili operata dalla anticipazione è quella di escludere gli eventi letali e di permettere così la conservazione. D’altra parte questa limitazione è proprio la condizione contenuta nella nozione di processo fisico ordinato che abbiamo ricordato. Siamo arrivati al punto cruciale. Perché noi possiamo vedere nell’anticipazione la funzione biologica adatta ad assicurare la trasformazione spontanea solo secondo una (o poche) traiettorie che mantengono ordinato il sistema. Allora, la presenza sperimentalmente osservata di questa funzione negli organismi superiori, notata da Piaget e Jacob, sembra offrire la migliore prova dell’esistenza di un processo ordinato nel vivente. Purtroppo, il pensiero biologico non mostra di avere mai dato molto peso alla fenomenologia dell’anticipazione, almeno da come questo pensiero viene riferito nel libro di Mayr [7]. Di conseguenza la base sperimentale di questa fenomenologia appare ancora debole.Da quanto precede, dobbiamo concludere che è possibile eliminare le pillole di entropia negativa per mantenere l’ordine del vivente, e che questo processo di mantenimento dell’ordine è un fatto spontaneo che può essere individuato nella fenomenologia dell’anticipazione. Tanto il problema dell’origine dello stato ordinato del vivente quanto quello delle strutture necessarie a compiere questa funzione anticipatrice possono essere accantonati alla stato attuale delle conoscenze. Ciò che oggi veramente conta è stabilire la regolarità (cioè la generalità e la permanenza) di questo processo ordinato su diversi livelli del vivente, fenomenologia, questa, purtroppo ancora debole anche se sostenuta da eminenti biologi. Se questo fatto sarà confermato per gli organismi superiori, si potrà affermare che il comportamento del vivente mostra una limitazione nelle scelte del suo divenire restringendole alle poche non letali. Detto altrimenti, il vivente si “salva” dalla degradazione inevitabile dei processi fisici perché nella sua stessa natura è già presente la capacità di dirigere il proprio futuro immediato. Questa capacità anticipatrice e insieme autolimitativa nelle scelte del suo futuro è essenziale per la sopravvivenza del singolo, ed è comune a tutti i viventi, in ogni momento della loro vita, cioè è una regolarità espressa dalla natura del vivente che va accettata come un fatto sperimentale. Purtroppo l’attuale incertezza sulla validità dell’indeterminismo genetico, e il senso di stonatura per la differenza tra organismi inferiori e organismi superiori, lasciano un’ombra in tutto questo discorso.

Commenti

Gli aspetti originali considerati in questo intervento possono essere così riassunti: l’avere ricondotto la nozione dell’ordine biologico a quello del mantenimento dell’ordine fisico intrinseco al vivente, e l’avere indicato questo mantenimento nella presenza di una sola trasformazione tra le tante possibili ma letali nel divenire, e l’avere suggerito la presenza di questa sola trasformazione nel processo spontaneo di anticipazione mostrato dal comportamento del vivente. E’ probabile che queste considerazioni lascino insoddisfatti molti biologi, che vedono nel vivente anzitutto la capacità di riconoscere e integrare il nuovo nel vecchio o addirittura di creare il nuovo se utile alla sopravvivenza, e tutto questo in modo più evidente quanto più elevato è il posto del vivente nella scala evolutiva. Ma la fisica non può offrire quanto gli è alieno, può solo considerare l’aspetto fisico del vivente, cioè il comportamento del vivente in quanto sistema soggetto anche a leggi fisiche. Questo limite è insuperabile, ed è già implicito nel titolo di questo intervento.Forse queste considerazioni potranno contribuire a smontare l’idea oggi diffusa del vivente come sorgente di imprevedibili novità. Questa idea è falsa, perché nella realtà l’imprevedibilità ha limiti piuttosto stretti: nessuno di noi si è mai svegliato più giovane, di sesso diverso, senza memoria di se stesso. Invece, la limitazione delle possibilità di scelta qui considerata sembra caratterizzare anche altri livelli dove si presenta il fenomeno della vita. Per esempio, la vita sociale richiede l’eliminazione dell’incesto all’interno della famiglia e impone regole che riducono drasticamente la libertà del singolo all’interno del gruppo. Questo aspetto della importanza delle limitazioni nei diversi aspetti della vita (psichica, cognitiva, artistica etc.) andrebbe sviluppato ulteriormente.Prima di terminare, dobbiamo aggiungere che la descrizione del processo ordinato qui applicata all’organismo è una estensione della concezione di Schröedinger [3], che è stata mantenuta perché già nota e adatta a questa sede. In realtà, dopo i progressi della genetica, sarebbe meglio fissare l’attenzione sull’intero processo in tutto l’arco della vita di un organismo, che è formato da eventi molecolari correlati su diverse scale temporali (come avviene per gli eventi acustici di una composizione musicale), e non sugli stati ordinati che si trasformano in altri stati ordinati. Correlazione è sinonimo di ordine, ma la fisica statistica dei sistemi ordinati (quali per esempio i superfluidi) non è in grado di trattare la correlazione tra eventi osservati nella genetica. Di conseguenza la base fisica della nostra descrizione appare certamente sensata ma non rigorosa.Lo scopo di questo mio intervento era di fare riflettere su una domanda che ormai dovrebbe essere ben chiara: può la vita di oggi essere l’unica via per la vita di domani, e a tutti i livelli dove si presenta il fenomeno della vita? Noi conosciamo solo la risposta di Emily Dickinson al livello più alto: “Not seeing, still we know / Not knowing, guess” [11].

NOTE

[1] Questo articolo e gli altri che seguono in questo dossier sono le sintesi di conferenze tenute al convegno “Fenomeni di auto-organizzazione nei sistemi biologici” che si è svolto a Roma presso l’Accademia dei Lincei dal 21 al 23 febbraio 2002.
[2] ROSE S., Lifelines. Biology, Freedom, Determinism, Penguin Books, London 1997.
[3] SCHRÖEDINGER E., What is Life ? The Physical Aspects of the Living Cell, Cambridge U.P., Cambridge U.K 1947.
[4] LWOFF A., Biological Order, M.I.T. Press, Cambridge Mass. 1962.
[5] MONOD J., Il Caso e la Necessità, Saggio sulla filosofia naturale della biologia contemporanea, Mondadori, Milano 2001.
[6] JACOB F., La logique du vivant. Une histoire de l’hèrèdite, Gallimard, Paris 1970.
[7] MAYR E., The Growth of Biological Thought, Diversity, Evolution and Inheritance, Harvard U. P., Cambridge Mass. 1982.
[8] CARERI G., Ordine e disordine nella materia, Laterza, Bari 1980.
[9] PIAGET J., Biologie et Connaissance, Gallimard, Paris 1967.
[10] BONCINELLI E., Il cervello, la mente e l’anima, Mondadori, Milano 1999.
[11] DICKINSON E., Tutte le poesie, Mondadori, Milano 1997.
Dossier, novembre 2002 © Galileo