Nel 1943, uno dei padri della meccanica quantistica, famoso per la sua equazione e il suo gatto, Erwin Schrödinger, rivolse la sua attenzione a un problema apparentemente semplice ma che sfidava una risposta facile. Mentre infuriava la seconda guerra mondiale, pubblicò un libro intitolato What is Life?
Basato su una serie di conferenze tenute a Dublino, il tema del libro era rispondere alla domanda: “come possono essere spiegati dalla fisica e dalla chimica gli eventi nello spazio e nel tempo che si verificano all’interno del confine spaziale di un organismo vivente?”
In altre parole: che cos’è la vita? O, dal punto di vista di un fisico, come può la vita nascere dalla materia inanimata.
Gran parte della conferenza discuteva il requisito del materiale genetico e una sorta di codifica, nonché il modo in cui la vita è collegata alla termodinamica, le leggi che governano l’energia, il trasporto di calore e il disordine.
Sebbene il loro successo dipendesse in gran parte dagli esperimenti di diffrazione dei raggi X di Rosalind Franklin, Francis e Crick attribuirebbero anche al lavoro di Schrödinger l’ispirazione per la loro ricerca che ha portato alla scoperta della doppia elica del DNA.
L’intuizione primaria di Schrödinger è che la vita crea ordine dal disordine. In un universo governato dalla seconda legge della termodinamica, secondo cui tutte le cose tendono al massimo disordine, gli esseri viventi mantengono al loro interno piccole enclavi di ordine. Inoltre, se si guarda al livello atomico, si scopre che gli interni degli esseri viventi sono estremamente caotici. Il calore e le molecole si diffondono attraverso un movimento rapido. Tutto sembra casuale. Eppure l’essere vivente persiste, trasformando tutto quel caos su piccola scala in un ordine su larga scala.
Le macchine costruite dall’uomo, al contrario, tentano di mantenere l’ordine fino ai più piccoli livelli rilevanti. I microchip, ad esempio, dipendono dal trasferimento ordinato di dati fino a nanometri. Allo stesso modo, le macchine utensili di precisione funzionano perché hanno una specifica esatta quasi a livello molecolare. Il risultato è che gli strumenti umani richiedono un’attenta protezione e manutenzione e si rompono facilmente se sottoposti agli elementi.
La vita, invece, ha resistito agli elementi per miliardi di anni proprio perché è in grado di costruire l’ordine dal caos.
Ciò ha importanti implicazioni non solo per la nostra comprensione della biologia, ma anche per il futuro della tecnologia umana. Se vogliamo costruire una civiltà duratura, dobbiamo abbracciare le tecniche che la vita ha già sviluppato per persistere in un mondo caotico. Perché questa è l’unica regola alla quale la vita si attiene: Persistere.
Nonostante un inizio di buon auspicio, la vita sfugge a una definizione chiara e scientificamente misurabile. Dire che la vita mette il caos in ordine va benissimo, ma si potrebbe dire la stessa cosa dei cristalli di sale formati dall’evaporazione dell’acqua di mare. È un ciclo di inondazioni ed evaporazione vita? E i tornado e gli uragani? Sono sicuramente caotici ma anche ordinati. E persistono per un po’, più a lungo di alcuni organismi unicellulari e persino di insetti.
Ciò di cui la vita ha bisogno è una chiara definizione matematica, e la meccanica statistica, la scienza dedicata a spiegare il comportamento macroscopico da componenti microscopici, può essere la scienza più adatta a questo compito.
In effetti, la meccanica statistica fornisce già una chiara connessione tra caos a livello molecolare e fenomeni persistenti e ordinati a livello macroscopico. Misure come la temperatura e la pressione sono fenomeni emergenti che, per quanto precisi e persistenti, derivano dal movimento casuale delle molecole.
Tuttavia, questo è insufficiente per una vera comprensione della vita perché queste osservazioni macroscopiche derivano da gas e fluidi che sono in equilibrio. Non cambiano o se lo fanno è solo da un equilibrio all’altro.
La vita è diversa. Non è solo ordine dal caos, ma ordine dal caos in movimento. Non è intrinsecamente in equilibrio. Perché non appena la vita raggiunge un certo equilibrio, è morta.
La meccanica statistica del non equilibrio, che abbrevierò NESM, tuttavia, può dare una risposta migliore. La caratteristica chiave di NESM è misurare e quantificare la probabilità di percorsi nello spazio delle fasi.
Lo spazio delle fasi è semplicemente un concetto che i fisici usano per definire lo spazio multidimensionale in cui vive qualsiasi sistema. Ogni dimensione fornisce una quantità misurabile del sistema. Ad esempio, un sistema a molla unidimensionale ha uno spazio delle fasi bidimensionale: posizione e momento. Con quei due numeri, puoi quantificare non solo lo stato esatto della molla ma, usando le leggi della fisica, determinare esattamente dove sta andando e dove è stata.
La maggior parte dei sistemi statistici ha spazi di fase di milioni di dimensioni o più. Possiamo anche parlare di spazi dimensionali infiniti in cui la quantità misurabile è modellata come una funzione o un campo liscio. Ad esempio, un oceano o un fiume è composto da così tante particelle che potremmo anche trattarle come infinite e modellare il fluido usando quello che viene chiamato un campo di velocità – fondamentalmente una funzione che fornisce la velocità di un fluido per ogni posizione al livello infinitesimale.
Che siano finiti o infiniti, gli esseri viventi sono abbastanza complessi da richiedere ampi spazi di fase. E ogni cosa vivente si muove attraverso uno spazio delle fasi di qualche tipo.
Gli spazi di fase possono anche prendere in considerazione quando qualcosa perde e guadagna importanza, poiché gli esseri viventi fanno mentre mangiano, crescono e si riproducono. Si tratta di caratterizzare ogni possibile stato che l’essere vivente avrà durante la sua vita come un singolo punto nello spazio delle fasi.
Poiché gli esseri viventi e non viventi si muovono tutti nello spazio delle fasi, la domanda è come distinguere il movimento di un essere vivente rispetto a una cosa non vivente nello spazio delle fasi. E questo ha a che fare con il modo in cui un essere vivente passa da un punto all’altro nello spazio delle fasi.
NESM fa questo per spazi di fase a dimensione finita attraverso un’equazione chiamata equazione principale, che definisce la probabilità di transizione da qualsiasi punto nello spazio delle fasi a qualsiasi altro punto. Negli spazi di fase dimensionali infiniti, l’equazione Master diventa un’equazione di Langevin, che è simile a un’equazione differenziale, ma ha del rumore casuale aggiunto.
È qui che entrano in gioco le statistiche. I componenti caotici degli esseri viventi a livello microscopico si muovono così rapidamente e in modo così caotico che possiamo modellarli come fluttuazioni del tutto casuali. Eppure, invece di soffrire di queste fluttuazioni, gli esseri viventi ne beneficiano, usandoli per trasportare segnali, calore e sostanze chimiche dove devono andare.
Utilizzando un’equazione Master o Langevin diventa possibile misurare la probabilità non solo di passare da un punto a un punto adiacente nello spazio delle fasi, ma anche di comprendere la probabilità di seguire un percorso nello spazio delle fasi da un punto all’altro. Questa è chiamata meccanica statistica della “traiettoria”.
Questa traiettoria e la probabilità ad essa associata sono teorizzate per distinguere la vita dalla non vita. La ragione è che un essere vivente, mantenendo il suo ordine interno, è in grado di viaggiare da un punto ordinato ad un altro ordinato con una probabilità molto più alta di un essere non vivente nello stesso spazio delle fasi. Allo stesso modo, viaggia da un punto ordinato a uno più disordinato con una probabilità molto più bassa.
Inoltre, gli esseri viventi possono viaggiare da un punto all’altro mantenendo l’ordine interno a causa dell’elevata probabilità che mantengono. Le cose non viventi, d’altra parte, viaggiano dall’ordine al disordine all’ordine in cicli. Non faranno nulla per uscire dal ciclo per persistere. Quindi, un essere vivente segue un percorso più complesso nello spazio delle fasi rispetto a un non vivente, evitando se possibile percorsi al disordine ed evitando anche equilibri statici o ciclici.
Questa scienza è ancora molto nuova. A differenza dei sistemi di equilibrio, i sistemi di non equilibrio (o quello che a volte chiamiamo “lontano dall’equilibrio”) sono poco compresi nonostante decenni di documentazione del loro comportamento sia negli esseri viventi che in quelli non viventi.
I teoremi di fluttuazione come quelli dimostrati da Evans e Searles nel 1994 mostrano che i sistemi possono fluttuare lontano dall’equilibrio per brevi periodi di tempo, violando effettivamente la seconda legge della termodinamica e invertendo efficacemente il tempo. Ma non è questo che fa la vita. La seconda legge si applica solo ai sistemi isolati. La vita interagisce con un ambiente per “pompare” il disordine come una pompa di calore pompa il calore fuori o dentro una casa contro l’equilibrio delle cose. Il disordine generale aumenta ma il disordine all’interno dell’organismo vivente diminuisce o rimane lo stesso.
Tuttavia, i fenomeni di non equilibrio abbondano anche nel mondo non vivente, dai fiocchi di neve alle strisce nelle atmosfere dei giganti gassosi, agli uragani e ai tornado. Tutti questi sono fenomeni ordinati che persistono per un certo tempo in uno stato di non equilibrio e poi si estinguono.
All’interno di una cellula, si verificano tutti i tipi di fenomeni di non equilibrio come la trascrizione del DNA, i motori molecolari, la formazione di proteine e la segnalazione. Nessuno di questi di per sé è vivo, ma insieme mantengono l’ordine all’interno della cellula e le consentono di trasmettere la sua codifica. È questa capacità di trasmettere una codifica e consentire alla forma di vita di copiare se stessa e quindi di perpetuare quella codifica che rende la vita davvero unica. Nessun tornado o cristallo di sale può farlo.
Uno dei chiari indicatori dei processi di non equilibrio che gli scienziati hanno studiato negli organismi unicellulari è la perdita di quello che viene chiamato equilibrio dettagliato. L’equilibrio dettagliato è semplicemente il senso che il tempo non scorre né avanti né indietro. In altre parole, è altrettanto probabile che un processo si sposti da uno stato nello spazio delle fasi a un altro come viceversa.
Pertanto, le traiettorie attraverso lo spazio delle fasi che esemplificano i non equilibri sono quelle che sono chiaramente orientate al futuro. Hanno una memoria del passato, e sono irreversibili o quasi. E da questo dipende anche la vita.
La vita è comunque in grado di tenere sotto controllo i processi di non equilibrio. Quando va fuori controllo, si ottiene il cancro, una crescita illimitata e proprietà metaboliche fuori controllo. È come se la vita stesse cercando di andare in bicicletta lungo un sentiero ripido e il cancro è quando la bicicletta inizia a sbandare senza controllo lungo il pendio. Poiché un processo fuori controllo porterà alla fine al completo disordine, un disordine intricato alla base dove si verifica l’equilibrio, cioè la morte, la vita deve mantenersi sull’orlo tra il caos e l’ordine, tra un rapido decoro a uno equilibrio e uno stand ancora in un altro.
Nonostante tutta la sua vasta gamma, forse questa definizione della vita come processi di non equilibrio che mantengono traiettorie ad alta probabilità nello spazio delle fasi mantenendo l’ordine per lungo tempo fornirà, se non una definizione, almeno una misura di quanto sia vivo qualcosa. Certamente la trasmissione della codifica genetica potrebbe essere inclusa perché è un’altra misura della persistenza.
Un tale risultato potrebbe anche avere applicazioni. Potrebbe fornirci informazioni su come costruire una tecnologia più “viva” e quindi in grado di ripararsi e impedire il degrado in ambienti ostili. Questo potrebbe essere utile per la biotecnologia, compresi gli impianti medici. Potrebbe anche avere applicazioni per le tecnologie spaziali, in particolare quelle progettate per visitare pianeti lontani e agire autonomamente in ambienti sconosciuti.
Il futuro potrebbe non essere quello dell’acciaio e del vetro e ovviamente delle macchine artificiali, ma quello in cui la biologia incontra la tecnologia e la tecnologia prende in prestito il meglio di ciò che significa essere vivi per sostenersi.
Che mondo affascinante sarebbe.
