Fisica quantistica e biologia

Lo sfuggente sorriso della vita

Fisica quantistica e biologia

Che cos’è la vita pro­ba­bil­men­te ce lo sia­mo chie­sti un po’ tut­ti, per­ché signi­fi­ca inter­ro­gar­ci su noi stes­si e su ciò che ci ren­de in gra­do di per­ce­pi­re il mon­do intor­no a noi e di por­ci doman­de come que­sta. A cer­ca­re di dare una rispo­sta è Erwin Schrö­din­ger, uno dei fisi­ci che duran­te il cor­so del Nove­cen­to ha con­tri­bui­to, con la for­mu­la­zio­ne del­la cele­bre equa­zio­ne che por­ta il suo nome, alla for­mu­la­zio­ne del­la mec­ca­ni­ca quan­ti­sti­ca. Schrö­din­ger era un tipo mol­to ori­gi­na­le, indos­sa­va sem­pre dei buf­fi occhia­li roton­di ed era un ingua­ri­bi­le don­na­io­lo.

Sia­mo nel 1943 quan­do lo scien­zia­to, pres­so il Tri­ni­ty Col­le­ge di Dubli­no, tie­ne una serie di lezio­ni con l’obiettivo di dare una spie­ga­zio­ne fisi­ca del feno­me­no del­la vita, appli­can­do la mec­ca­ni­ca quan­ti­sti­ca allo stu­dio del­le mole­co­le viven­ti. Que­ste lezio­ni ven­go­no rac­col­te in un libret­to inti­to­la­to “Che cos’è la vita?”, che vie­ne poi pub­bli­ca­to l’anno suc­ces­si­vo.

Schrö­din­ger come pri­ma cosa si chie­de se sia pos­si­bi­le stu­dia­re la vita, ed in par­ti­co­la­re i mec­ca­ni­smi dell’ereditarietà, con le leg­gi che gover­na­no il mon­do macro­sco­pi­co in cui vivia­mo.

Le leggi fisiche che descrivono il comportamento di un gene sono le stesse che governano una macchina a vapore?

Le mac­chi­ne a vapo­re e il mon­do in cui vivia­mo seguo­no leg­gi sta­ti­sti­che, det­te anche dei gran­di nume­ri. In ter­mo­di­na­mi­ca que­ste leg­gi sta­ti­sti­che sono dovu­te al movi­men­to cao­ti­co del­le par­ti­cel­le: una sin­go­la par­ti­cel­la si com­por­ta in modo impre­ve­di­bi­le, sen­za che ci sia una leg­ge pre­ci­sa ad indi­ca­re il suo com­por­ta­men­to; tut­ta­via se esten­dia­mo lo sguar­do all’intero siste­ma macro­sco­pi­co tro­via­mo che esso pre­sen­ta del­le rego­la­ri­tà, che ven­go­no poi tra­dot­te nel­le leg­gi fisi­che che descri­vo­no il nostro mon­do. Que­ste rego­la­ri­tà sor­pren­den­te­men­te deri­va­no dal disor­di­ne mole­co­la­re e indi­ca­no il com­por­ta­men­to che in media vie­ne assun­to dal­le par­ti­cel­le. Vie­ne, quin­di, estrat­to ordi­ne dal disor­di­ne.

Per i geni è possibile estrarre ordine dal disordine?

Se si doves­se­ro appli­ca­re le leg­gi sta­ti­sti­che ai geni, il rumo­re, ovve­ro il livel­lo di impre­ci­sio­ne, sareb­be con­si­de­re­vol­men­te più gran­de di quel­lo effet­ti­va­men­te regi­stra­to. Ecco quin­di il moti­vo per cui in que­sto con­te­sto ven­go­no intro­dot­te le leg­gi del­la mec­ca­ni­ca quan­ti­sti­ca, che descri­vo­no il com­por­ta­men­to del mon­do nell’infinitamente pic­co­lo.

Schrö­din­ger intro­du­ce poi un’ipotesi dirom­pen­te: la mole­co­la del gene –o for­se l’intera fibra cro­mo­so­mi­ca– non sareb­be altro che un cri­stal­lo ape­rio­di­co, ovve­ro un cri­stal­lo in cui a ripe­ter­si nel­lo spa­zio non è sem­pre lo stes­so grup­po di ato­mi ma ato­mi o grup­pi di ato­mi diver­si, ognu­no adi­bi­to allo svol­gi­men­to di una par­ti­co­la­re fun­zio­ne. È que­sta diver­si­tà a garan­ti­re la diver­si­tà del­la vita.

Che spazio trovano le mutazioni genetiche in questo contesto?

Esse non sareb­be­ro altro che sal­ti quan­ti­ci ver­so una nuo­va con­for­ma­zio­ne iso­me­ri­ca, ovve­ro una mole­co­la com­po­sta dagli stes­si ato­mi del gene di par­ten­za ma in una dispo­si­zio­ne diver­sa. Per­ciò se in un gior­no non mol­to lon­ta­no nel­la spe­cie uma­na doves­se­ro com­pa­ri­re indi­vi­dui con i capel­li ver­di, que­sta nuo­va muta­zio­ne sarà dovu­ta a un sal­to quan­ti­co del gene ‘colo­re dei capel­li’ ver­so una nuo­va con­for­ma­zio­ne. *

A par­ti­re dal libro di Schrö­din­ger ini­zie­rà a pren­de­re for­ma la bio­lo­gia mole­co­la­re, che tut­ta­via si è svi­lup­pa­ta sen­za qua­si fare rifer­men­to alla mec­ca­ni­ca quan­ti­sti­ca. Solo die­ci anni dopo, nel 1953, ver­rà sco­per­ta la strut­tu­ra del DNA. Sem­pre sull’onda di que­sto pen­sie­ro pren­de­rà for­ma la bio­lo­gia quan­ti­sti­ca, che si pro­po­ne di appli­ca­re prin­ci­pi di mec­ca­ni­ca quan­ti­sti­ca a pro­ble­ma­ti­che che si rife­ri­sco­no alla bio­lo­gia.

Nono­stan­te gli enor­mi pro­gres­si fat­ti negli ulti­mi anni, che cos’è la vita gli scien­zia­ti con­ti­nua­no anco­ra a chie­der­se­lo. La rispo­sta a que­sta doman­da è sfug­gen­te, per­ché anche se cono­scia­mo il fun­zio­na­men­to del­la cel­lu­la e dei mec­ca­ni­smi ere­di­ta­ri, la com­ples­si­tà del­la vita nel­la sua tota­li­tà resta anco­ra un miste­ro. Sia­mo a cono­scen­za del­le rea­zio­ni ter­mo­di­na­mi­che all’interno del­la cel­lu­la, del­le tec­ni­che più avan­za­te del­la gene­ti­ca e del­le più com­ples­se rea­zio­ni bio­chi­mi­che, ma la veri­tà è che nei nostri labo­ra­to­ri non riu­scia­mo anco­ra a pro­dur­re nel­la loro simul­ta­nei­tà tut­ti quei mec­ca­ni­smi che anche i più pic­co­li bat­te­ri met­to­no in atto con­tem­po­ra­nea­men­te dan­do ori­gi­ne alla vita. Jim Al-Kha­li­liJoh­n­joe McFad­den nel loro libro ‘La fisi­ca del­la vita’ para­go­na­no a un enig­ma­ti­co sor­ri­so que­sto sen­so di smar­ri­men­to misto a mera­vi­glia e per descri­ver­lo fan­no rife­ri­men­to a Lewis Car­rol. “Ho visto spes­so un gat­to sen­za sor­ri­so, ma mai un sor­ri­so sen­za gat­to”: la vita con­ti­nua a sor­ri­der­ci e ci sfug­ge.

*[In real­tà la que­stio­ne è un po’ più com­ples­sa, quin­di se qual­cu­no di voi fos­se un gran­de appas­sio­na­to di bio­lo­gia, fisi­ca quan­ti­sti­ca e gene­ti­ca vi con­si­glio di leg­ge­re il libro, che sicu­ra­men­te è più accu­ra­to. In par­ti­co­la­re que­sto pro­ble­ma è affron­ta­to nel capi­to­lo IV, “Pro­va di un carat­te­re quan­ti­sti­co del­le muta­zio­ni”]

Di Fran­ce­sca Mala­va­si