Il trasferimento genico orizzontale

 

Nella nostra epoca, in cui le tecnologie di sequenziamento genico hanno compiuto grandi progressi, diventando più rapide, economiche e precise anche grazie all'informatica, è stato analizzato il genoma di migliaia di microbi. Lo studio della disposizione dei geni nel genoma ha mostrato chiaramente che molti geni non vengono ereditati verticalmente, ossia non passano da una generazione all'altra. In questo caso il modello darwiniano della discendenza con modificazioni non vi trova applicazione, ma ciò non significa che la teoria di Darwin sia sbagliata perché, indipendentemente dal fatto che Darwin non conosceva i batteri, il suo modello non è qui applicabile.

Questa seconda modalità di trasmissione ereditaria viene detta trasferimento genico orizzontale (o laterale). Il trasferimento genico orizzontale non è una mera curiosità biologica bensì un caposaldo dell'evoluzione microbica. In parole povere i geni preadattati tramite selezione in un organismo possono in qualche modo essere trasferiti in un altro organismo, del tutto estraneo, senza ricombinazione sessuale. Si tratta a tutti gli effetti di un fenomeno straordinario: un organismo incapace di fissare l'azoto può acquisire gli opportuni geni dall'ambiente, et voilà, in un battibaleno si trova in grado di compiere l'azotofissazione.

Il trasferimento genico orizzontale non avviene per gradi. Nel giro di pochi decenni gruppi di geni possono viaggiare da un capo all'altro del mondo microbico. Il processo avviene con una velocità che mette i brividi. Uno dei primi casi di trasferimento genico orizzontale fu scoperto in Giappone, quando emerse che i batteri patogeni sviluppavano resistenza agli antibiotici molto più celermente di quanto non avvenisse con il trasferimento verticale. Con l'affermarsi del sequenziamento genico, si capì subito che i geni per la resistenza agli antibiotici erano disseminati in lungo e in largo nel mondo dei microbi. Inoltre ci si accorse che moltissimi geni sono fuori posto nei genomi. Due microbi ritenuti identici sulla base delle sequenze degli acidi nucleici nei ribosomi presentano quasi sempre una diversa disposizione dei geni. Si ha l'impressione che parecchi geni siano stati inseriti alla rinfusa nel genoma. Spesso in un set di geni ci si imbatte in uno o più geni senza alcuna apparente relazione con i geni che stanno prima o dopo quelli inseriti. Di frequente, poi, i geni inseriti vengono prelevati da un organismo totalmente estraneo per mezzo di un trasferimento genico orizzontale.

I geni trasferiti si sono evoluti in precedenza in altri organismi e vengono immessi nel ricevente a sua insaputa, come succederebbe al destinatario di un trapianto, il quale ignori di essere in attesa di un organo. I geni funzionano: su questo non ci piove. E funzionavano anche nell'organismo da cui provengono, che visse centinaia di migliaia se non milioni e in qualche caso miliardi di anni fa. Non occorre modificarli per attivarli. Se l'organismo che gli ha inavvertitamente acquisiti non ne ha bisogno, li scarta. Se contribuiscono alla funzionalità dell'organismo, vengono utilizzati. Per i microbi l'ambiente rappresenta una specie di supermercato genomico su scala globale. I geni preadattati sono a disposizione di qualsiasi organismo in grado di acquisirli, e tutti gli organismi, esseri umani inclusi, hanno acquisito i geni tramite il trasferimento genico orizzontale.

Come si trasferiscono i geni da un individuo all’altro?

Esistono tre meccanismi che permettono il trasferimento orizzontale dei geni. Il loro esatto funzionamento rimane avvolto nel mistero, e ancora non si sa quale sia il più importante.

Quello più semplice da descrivere fu scoperto nei primi anni Quaranta del XX secolo da tre biochimici americani e prende il nome di trasformazione. È di una semplicità disarmante: i geni (o il DNA) vengono direttamente prelevati dall'ambiente nel volgere di poco tempo, i geni di recente acquisizione vengono incorporati nel nuovo ospite e trasmessi alle successive generazioni. Mentre il processo funziona in laboratorio non è chiaro quanto DNA sia effettivamente libero nel mondo reale. Le cellule non sputano DNA all'esterno: devono prima a morire, e morire in maniera tale che il DNA venga rilasciato intatto nell'ambiente. Il che ci porta a un altro possibile meccanismo di trasferimento orizzontale dei geni: la trasduzione.

I più comuni trasmettitori di geni estranei sono i virus, presenti in un vasto assortimento di forme e dimensioni. Molti virus hanno l'aspetto di cupole geodetiche; altri sembrano microscopici moduli lunari. A prescindere dalla loro forma, i virus non sono vivi in senso tradizionale. Non scambiano alcun gas con l'ambiente, non dispongono di meccanismi atti a generare autonomamente energia e soprattutto non sono in grado di autoreplicarsi, non possono produrre proteine né altro in assenza di una cellula ospite. Contengono tuttavia informazioni genetiche sotto forma di DNA, o di RNA, ricoperto da un rivestimento proteico. Sulla terra vive una quantità esorbitante di virus: negli strati superiori degli oceani sono contenute diverse centinaia di milioni di virus per millilitro, una cifra 10 volte superiore a quella di tutti i batteri e gli altri microbi messi assieme.

La maggior parte dei virus non è ben caratterizzata, e talvolta specie nel caso di quelli che contengono RNA le loro informazioni genetiche mutano con tale rapidità che descriverli diventa un terno all'otto microbiologico: il virus descritto la scorsa settimana spesso differisce da quello che vediamo oggi è per questo che il vaccino che abbiamo preso contro l'influenza dello scorso anno non ci proteggerà dal virus dell'influenza di quest'anno.

I virus trasferiscono i geni? In teoria sì, ma perlopiù lo fanno solo per brevi distanze evolutive. I virus si attaccano a una cellula, dove inseriscono il loro materiale genetico, prediligendo un target di ospiti ben preciso, che identificano sulla base di specifiche proteine presenti sulla superficie delle cellule infettate. Dopo aver trovato una cellula ospite idonea, i virus vi aderiscono, trasferendovi il loro DNA o RNA. Il materiale genetico viene così incorporato nell'ospite e sabota le nanomacchine preposte alla produzione di proteine e acidi nucleici creando nuovi virus. In qualche caso il virus continua a riprodursi all'infinito nella cellula ospite, entrando a far parte del genoma di quest'ultima. Se gli esseri umani vengono colpiti da questo tipo di virus si tratta di una pessima notizia: due esempi di questi virus non litici (cioè che non distruggono la cellula ospite) sono l’HIV e l'epatite C. Quando infettano un essere umano, è quasi impossibile rimuoverli dal genoma.

In altri casi, invece, le informazioni genetiche da poco inserite consentono ai nuovi virus di svilupparsi all'interno della cellula ospite finché non raggiungono una certa soglia di popolazione, superata la quale la cellula ospite si dissolve, rilasciando nuovi virus nell'ambiente. Lo scenario appena delineato, che ricorda vagamente un'invasione di ultracorpi, è abbastanza comune nel mondo dei microbi, e si conclude con la morte della cellula ospite. I virus litici, così chiamati perché distruggono la cellula, infettano anche gli uomini, ma forse sorprendentemente risultano meno letali dei virus che non uccidono tutte le cellule e comprendono i virus che causano il comune raffreddore. La lisi non implica l'immediato trasferimento di geni ai nuovi ospiti, ma fa sì che l'informazione genetica contenuta nella cellula ospite si riversi nell'ambiente, dove può essere prelevata da microbi intenti a frugare avanzi nei bidoni della spazzatura.

La terza modalità è quella della coniugazione, nella quale i microbi si scambiano il DNA aderendo l'uno all'altro e formando un ponte tra cellule. Questo processo si verifica tra microbi strettamente imparentati, anche se non è chiaro come o perché porti al trasferimento di geni in organismi imparentati più alla lontana.

Meccanismo a parte, il trasferimento genico orizzontale rende assai difficile risalire ai più remoti antenati degli organismi e soprattutto rende difficile, se non irrilevante, definire il concetto di specie in relazione ai microbi.

Immaginiamo di voler ricostruire l'albero genealogico della nostra famiglia. Per prima cosa chiederemo ai nostri genitori dove sono nati, e poi effettueremo ricerche sui nonni, i bisnonni e così via; ma immaginiamo ora che 40 o 50 generazioni fa i geni responsabili della digestione delle alghe siano stati introdotti nella comunità microbica localizzata negli intestini della nostra famiglia perché i nostri progenitori mangiavano un sacco di sushi. In questo caso saremo meglio adattati a mangiare le alghe. I microbi nel nostro intestino possiederanno nuovi geni acquisiti da un altro microbo per mezzo del trasferimento genico orizzontale. Quello fin qui abbozzato non è uno scenario fantascientifico, ma la realtà. Infatti, i microbi presenti nell'intestino dei giapponesi contengono geni che favoriscono la digestione delle alghe, geni che non si trovano nell'intestino dei caucasici.

L'oceano ospita una gran quantità di virus contenenti nel loro genoma i geni per una proteina fondamentale della fotosintesi (D1) ma questo non perché si stiano evolvendo per diventare fotosintetici; il gene per la proteina viene utilizzato in parte perché contiene istruzioni per una rapida replicazione. I virus sfruttano queste istruzioni per riprodursi velocemente abbondantemente nella cellula ospite infettata. Di quando in quando, però, in organismi imparentati alla lontana si trovano copie del gene per questa proteina derivanti da un cianobatterio, un batterio in grado di effettuare fotosintesi. È presumibile che ciò avvenga in conseguenza di un'infezione virale.

In epoche remote, molto tempo prima che la Terra fosse abitata da piante e animali, il trasferimento genico orizzontale tra i microbi costituiva uno dei meccanismi di punta per traghettare i geni nel corso delle ere geologiche. L'identità dello specifico organismo è irrilevante, e in realtà il mescolamento dei geni non è fondamentale ai fini della vita. Nella misura in cui gli organismi portano in sé le informazioni che permettono all'energia proveniente dal mondo esterno di convertirsi in uno stato lontano dall'equilibrio termodinamico, e finché le cellule sono in grado di riprodursi, la vita persiste.

Il mescolamento dei geni essenziali, circa 1500, in un gran numero di microbi imparentati alla lontana ha garantito che le informazioni si conservassero in una cellula sperduta in qualche angolo del pianeta Terra. Gli organismi sono transitori, persino usa e getta, ma lo stesso non si può dire dei geni essenziali. Questi ultimi vengono trasferiti come i testimoni di una staffetta: gli organismi tengono al proprio interno i geni per lunghi periodi geologici e poi li passano a nuovi organismi. I singoli organismi potranno anche estinguersi, ma se hanno ceduto i propri geni principali ad altri organismi, i geni continueranno a sopravvivere.

Anche se con ogni probabilità, agli albori della comparsa della vita animale e vegetale, il trasferimento genico orizzontale svolse un ruolo importante nell'evoluzione degli organismi, le cose cambiarono con l’imporsi della trasmissione ereditaria di tipo sessuato. Di solito i geni provenienti da altri organismi non penetrano nelle nostre cellule riproduttive. Il sesso ha contribuito a tenere i geni trasferiti orizzontalmente al di fuori delle cellule germinali, quelle cellule cioè che producono nuovi organismi per mezzo della ricombinazione sessuale. Per la maggior parte dei microbi, quasi tutte le volte, la ricombinazione sessuale non si configura come un'alternativa possibile; quasi tutte le volte si replicano tramite «semplice» divisione cellulare, e ogni nuova cellula figlia è quasi sempre una copia esatta della madre. Nonostante questo ridotto grado di variabilità microrganismi come i cianobatteri sono presenti sul nostro pianeta da miliardi di anni e se ne contano qualcosa come 1.000.000.000.000.000.000.000.000 (10²⁴) negli oceani del pianeta, un numero 100 volte superiore al numero di stelle di tutte le galassie dell’universo.

Tuttavia, mescolando i geni di due linee parentali, il sesso ha segnato una svolta: la nuova cellula presenta una nuova combinazione di geni. Il sesso favorire una maggior variabilità genetica e si affermò come il processo dominante nell'evoluzione di piante ed animali, ma non lo fece di punto in bianco. Ma questa è un'altra storia.

C’è infine un ultimo meccanismo di trasferimento genico orizzontale: l’endosimbiosi.

Come accade tutte le volte che organismi differenti vivono a stretto contatto tra loro, con popolazioni ad alta densità, ed è proprio quanto accade con le popolazioni microbiche, bisogna mettere in conto una seri di conseguenze. Una di queste è che un batterio possa inghiottire un altro batterio, anche di diversa specie, fagocitandone l’intero contenuto, compreso quello genetico; e questa cosa sembra essersi verificata a partire da circa 2 miliardi di anni fa. Avviene quindi un’associazione simbiotica che rimane all’interno di una cellula che ne ha inglobata un’altra. Per quanto possa sembrare incredibile, e si tratta comunque degli unici due organelli di cui siamo assolutamente certi essersi evoluti in questo modo, questo tipo di trasferimento è quanto 

ha portato all’evoluzione delle cellule eucariote e alla formazione di subunità specializzate all’interno di queste, come ad esempio i cloroplasti al cui interno di verificano processi di fotosintesi clorofilliana e produzione di ATP, la moneta energetica del mondo biologico. Semplificando all’estremo una cellula non specializzata inglobò una in grado di fare fotosintesi e ne fece parte integrante del suo organismo. Il secondo organello è quello che costituisce i mitocondri, le centrali energetiche di tutte le cellule.

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In sintesi, il trasferimento genico orizzontale è il processo attraverso il quale i rischi causati da potenziali eventi catastrofici vengono mitigati e prevenuti: il materiale genetico viene distribuito disseminandolo tra una vasta gamma di microbi e, sebbene si tratti del principale processo evolutivo dei microrganismi a riproduzione asessuata, non è del tutto fortuito. Le sue cause sono anche di natura ecologica e legate soprattutto alla natura simbiotica dei batteri, finalizzata soprattutto ad ottimizzare l’uso degli scarti dei nutrienti disponibili. E ciò è raggiunto dai microbi vivendo insieme e dipendendo gli uni dagli altri.

Ma c'è dell'altro. E’ ormai operativo da diversi anni il progetto, ancora in corso, grazie al quale si sono identificate decine di milioni di nuovi geni e si stanno ricostruendo a incredibile velocità i genomi dei microbi degli oceani. Si tratta di un patrimonio inesplorato di risorse e informazioni biologiche al quale l'uomo può attingere per creare microbi artificiali capaci di svolgere una determinata funzione.

Con un semplice clic diventa possibile inviare in tutto il mondo la sequenza di un gene, o di molti geni, per poi risalire all'intero genoma e analizzarlo, riconfigurarlo e ridistribuirlo. Il libero mercato del mondo dei geni davvero non conosce confini e sta scatenando una guerra sempre più dura contro i microrganismi.

Inoltre, l'elenco dei geni individuati per mezzo di algoritmi informatici si è andato allungando a dismisura; finora sono state identificate alcune decine di milioni di geni microbici, e il ritmo non accenna a diminuire. In sostanza, l'inventario genetico rappresenta una specie di libretto delle istruzioni per la produzione di qualsiasi proteina progettata dalla natura e che sia presente negli organismi del pianeta.

Ma siamo anche in grado di fabbricare cose nuove, cose che non esistono né sono mai esistite in natura.

Siamo capaci di creare un organismo che degradi la plastica? O immobilizzi materiali radioattivi che si trovano nel suolo? O produca un combustibile alternativo? O un nuovo tipo di materiale? Non sono domande da accademici pedanti, perché ci riguardano molto da vicino.

Il sequenziamento del genoma umano ha evidenziato come gli esseri umani in pratica non possiedono alcun gene in esclusiva. Qualora dovessimo scomparire dalla faccia della Terra, i microbi continuerebbero comunque a svolgere le loro funzioni e a raggiungere nuovi stati di equilibrio, in virtù dei quali il loro metabolismo manterrebbe abitabile il pianeta. Da una prospettiva evoluzionistica, l'uomo non è che l'esito di una provvisoria perturbazione di reazioni biochimiche. Siamo scherzi della natura che hanno avuto l'ardire di spezzare l'armonia dei cicli geochimici naturali. Nonostante tutto, però, non possiamo fare a meno dei microbi.

Una nuova classe di scienziati e ricercatori, i biologi sintetici, creatori di una nuova branca della biologia, quotidianamente effettua una lista di esperimenti pressoché infinita nel tentativo di alterare con successo microbi e altri organismi. Si tratta perlopiù di nobili sforzi volti a costruire un futuro ecosostenibile ma raramente si tiene conto delle conseguenze fortuite della traiettoria evolutiva della vita sulla Terra.

L'uomo è un animale di passaggio su questo pianeta; nel suo breve cammino è diventato uno dei massimi distruttori della natura dai tempi in cui ci hanno batteri cominciarono a produrre ossigeno sotto forma di scarto metabolico.

Qualcuno si chiede se non sarebbe invece meglio, anziché trastullarci con organismi che non siamo in grado di ingegnerizzare, e facendo un uso di gran lunga migliore delle nostre capacità intellettive e tecnologiche, dedicarsi allo studio delle modernità evolutive e di diffusione di quelle cruciali nanomacchine che oggi costituiscono i motori della vita.

Post scriptum

Possiamo definire la scienza come l'arte di trovare modelli ricorrenti in natura.

La loro individuazione presuppone attente osservazioni, ovviamente condizionate dai nostri sensi. Da animali visivi basiamo la nostra percezione del mondo su quel che vediamo. E ciò che vediamo è a sua volta legato agli strumenti che abbiamo a disposizione: quindi la storia della scienza è anche la storia delle invenzioni che modificano la nostra percezione delle cose. Tuttavia, paradossalmente, l'invenzione di nuovi strumenti è vincolata a ciò che vediamo. Se non vediamo qualcosa tendiamo a ignorarla.

(Paul G. Falkowski)

Ecco perché per centinaia di anni anche la scienza ha ignorato i microbi.

Tempus fugit. Ma dove? E come?

Non è solo fisica, non è solo neurobiologia, non è nemmeno psicologia né tanto meno filosofia. E' solo un assaggio di tutto un po' che potrà farvi venir voglia di approfondire.

Il tempo sappiamo misurarlo ma nemmeno i fisici sanno cosa sia. Ma pur sapendo misurarlo l'averlo fatto ci ha marchiato. Ed il tempo interno è diventato un altro da sé rispetto ad altre sue apparenze.

«Il tempo è la sostanza di cui è fatta la vita», scriveva Benjamin Franklin, raccomandando di non sprecarlo, e arrivando al punto di coniare un’altra famosa definizione: «Il tempo è denaro».

Perché, soprattutto noi occidentali, siamo così ossessionati dal tempo? Ossessionati ma al tempo stesso incapaci di tenere in considerazione la fugace bellezza di un attimo: veneriamo il passato, quasi tutte le nostre festività sono relative ad eventi avvenuti oltre 2000 anni fa, ammiriamo i monumenti tanto più quanto più antichi essi siano, mentre in Giappone riescono a cogliere la bellezza effimera della fioritura del ciliegio con una festa che coinvolge l'intero popolo in un’ebbrezza gioiosa, e tutti i santuari importanti del paese sono costruiti in legno, e ogni 10 anni vengono abbattuti e ricostruiti.

Quando pensiamo al tempo a quale dei suoi aspetti riferirci?

Quello che ci viene dagli insegnamenti della fisica? 

Questa ci dice che, a conti fatti, il tempo potrebbe, e molto probabilmente lo è, essere benissimo un'illusione, qualcosa di cui, dati i limiti della realtà percepibile dagli esseri umani, potremmo benissimo fare a meno; ma al tempo stesso la fisica, quella quantistica, ci racconta che esistono dei limiti invalicabili al di sotto dei quali non è possibile andare: esiste un atomo di tempo, il tempo di Planck, limite aldilà del quale il tempo in fisica perde la sua validità, 5,491x10^-44 secondi, uno dei tanti numeri inimmaginabili della realtà fisica delle cose. Ma senza entrare in dettagli infinitesimali Einstein dimostrò, inequivocabilmente e ormai più che dimostrato dalle evidenze dei fatti, persino dal corretto funzionamento dei sistemi di navigazione ormai disponibili su qualsiasi smartphone, che non esiste un tempo assoluto, demolendo le idee di Newton e scardinando Kant ed il suo tempo a priori. La simultaneità è un’illusione: la definizione del tempo di un evento è impossibile sen za stabilire la simultaneità tra questo evento e un altro evento, che usiamo, in una stramba tautologia, come sistema di misura del tempo stesso. L’unico tempo effettivamente percepibile è quello legato al principio di causa ed effetto, a ciò che genera un prima rispetto ad un dopo che

sia effettivamente irreversibile perché il disordine non può far altro che aumentare: l’entropia, la freccia del tempo. Argomenti che ci lasciano immaginare lo svolgersi all’indietro nel tempo della storia dell’universo in modo che quanto più indietro nel tempo ci spingiamo tanto più ordinato doveva essere, fino all’inizio, in cui il tempo nemmeno esisteva.

O piuttosto quello che ci viene dalla biologia?

Questa, di pari passo con la storia dell'evoluzione della vita sulla terra, ci racconta che ogni singola cellula, ogni organismo di cui esso è composto, possiede un orologio biologico che scandisce i tempi, la simultaneità, il corso degli eventi sulla scorta di precise reazioni biochimiche, a volte legate alla presenza o all'assenza di luce solare, altre, come eventi cronometrici che si susseguono nel tempo: persino i fiori conoscono il tempo, come ben sanno tutti coloro i quali ne coltivano sui loro balconi o nei giardini. Ma già un lontanissimo antenato dei fiori, l’Euglena, un organismo unicellulare comparso più di un miliardo di anni fa ed in grado di passare, alla bisogna, da fotosintetico ad eterotrofo, possiede un sofisticato orologio biologico, che ogni sei ore esatte lo fa emergere dal fondo degli ammassi fangosi in cui vive (le mucillagini verdi di cui spesso sono ricoperti stagni e corsi d’acqua sono per lo più fatte da loro colonie) o lo riporta in basso, che ci sia luce o meno, che sia presente in natura o all’interno di una coltivazione di laboratorio. Ognuna delle migliaia di miliardi di cellule che compongono ad esempio un essere umano adulto (più o meno 30.000 miliardi per un maschio di circa 70 kg) è dotata di geni regolatori dei periodi di inizio e della durata di determinati processi biochimici che portano, ad esempio, alla sintesi di determinate proteine: in ogni cellula c’è un meccanismo di misurazione del tempo e, per estensione, gli organi di cui sono formati, hanno i loro cicli temporali. Ma non è ancora nemmeno questo il tempo che percepiamo.

O ciò che ci viene dalle moderne neuroscienze?

Ogni organismo vivente che sia sufficientemente complesso, dotato di un sistema nervoso adeguatamente sviluppato, fino al suo massimo, ovvero all’emergere della coscienza, ha sviluppato, nel corso dell’evoluzione, una sorta di orologio «interno», completamente slegato sia dal tempo fisico che da quello biologico. Un ratto sa contare il tempo, è in grado di capire che avrà il suo cibo premendo un pulsante ma solo dopo che sia passata una certa quantità di tempo. Ogni senso ha il suo organo, ma non il senso del tempo: gli esseri umani, e molto probabilmente la maggioranza di molti organismi, hanno il senso del tempo, pur non esistendo un organo specifico a ciò dedicato. In passato in molti hanno creduto che esistesse una sorta di cronometro biologico, tra loro Ernst Mach ed altri fisicii, e così avrebbe potuto essere se l'evoluzione operasse sotto l’opera attenta di un progettista. Ma l'evoluzione tende alla conservazione. Una volta trovata la soluzione di un problema se la tiene ben stretta. E questa viene trasmessa in eredità da una generazione all'altra e da una specie alla successiva, rappezzata e piena di aggiustamenti e modifiche minime, finché l'antico principio conserverà qualche utilità continuerà a essere usato. Non importa sia perfetto, purché funzioni. Questo è il motivo per cui il senso del movimento e il senso del tempo sono connessi in modo inscindibile. 

Se uno dei due va perduto o danneggiato, per lo più si perde anche l'altro: provate ad immaginare come ci si potrebbe muovere, semplicemente camminare, se non operasse automaticamente un meccanismo di coordinazione temporale del movimento. Il tempo è movimento, la sua misura dipende dal confronto dei rapporti tra spazi percorsi con una determinata velocità. L’evoluzione quindi non fece che il suo lavoro: servirsi di quel che c’era. Questo è il motivo per cui ancora oggi percepiamo diversamente il tempo quando ci muoviamo con la solita velocità o con grande lentezza: lo sa bene chi pratica il Tai Chi.

Nel nostro cervello oscillano contemporaneamente moltissimi marcatempo, come fossero metronomi, ognuno tarato con una sua oscillazione specifica, ed è ciò che ci mette in grado di confrontare le durate di periodi di tempo diverse ma non di calcolarne con buona approssimazione la durata stessa. La cosa è strana: noi siamo in grado di riconoscere in modo molto preciso durate temporali alle quali siamo abituati ma ci riesce difficile valutare i tempi e indicarne la durata. Nel cervello, dove suona un'orchestra di migliaia di strumenti segnatempo, si possono scegliere molti milioni di misure di tempo diverse ed è per questo per ogni durata di tempo che si deve misurare, è possibile trovare un giusto ritmo di accordi. L'accordo dei marcatempo fornisce una sorta di contaminuti e dare un segnale dopo che è trascorso un periodo predeterminato è relativamente facile. Le cellule grigie devono semplicemente ricordarsi un accordo il cui ritmo corrisponda in modo esatto, per esempio, alla durata di un semaforo. Ma quanto esattamente è durato? Per rispondere a questa domanda, il cervello dovrebbe avere imparato gli accordi adatti per tutti gli intervallo di tempo concepibili: impossibile. Non sorprende quindi che nella stima del tempo siamo soggetti costantemente a sbagliare.

Limiti e strutture.

Una palla rotola sulla strada davanti alla nostra autovettura, e premiamo subito il pedale del freno, o almeno così pensiamo. Subito? Tra l'evento e la nostra reazione sono passati due decimi di secondo; questo è il normale tempo di reazione degli esseri umani a stimoli ottici. In questi due decimi di secondo sono accadute molte cose: gli impulsi partiti dall'occhio hanno raggiunto i centri ottici nel cervello; le informazioni sono state elaborata ed è stato riconosciuto il pericolo; il cervelletto ha ricevuto il messaggio e ha inviato un ordine attraverso le vie nervose alla muscolatura della gamba i muscoli si sono contratti. Tutto ciò è accaduto in modo intuitivo, e in verità prima che noi abbiamo visto consapevolmente la palla. Quando abbiamo capito consapevolmente la situazione, il nostro piede era già sul pedale del freno. Mentre crediamo che prima la nostra coscienza abbia riconosciuto la palla e poi abbia attivato la reazione giusta virgola in realtà è accaduto esattamente l'opposto. Ciò accade continuamente ed in migliaia di situazioni diverse: dal portiere che riesce a fermare un micidiale tiro in porta al pianista che articola le sue dieci dita al ritmo di semibiscrome. Ed è questo il tempo che non percepiamo, quello che accade durante l’azione il nostro cervello ricostruisce per noi appositamente, dandoci l’illusione di aver avuto il controllo, proiettandoci un film con un prima ed un dopo invertiti. C’è persino chi si è posto il problema del libero arbitrio che verrebbe a mancare così stando le cose. E se ciò accade davvero per la maggioranza degli eventi non evidenti alla nostra coscienza la cosa notevole è che la sensazione di aver voluto che qualcosa accadesse è una ricostruzione del cervello per la nostra coscienza spettatrice anche quando, ad esempio, dovessimo premere un bottone a seguito di un evento. Sono stati condotti numerosi esperimenti in cui veniva chiesto di premere un pulsante alla vista di un determinato oggetto, e questi esperimenti hanno dimostrato che il ritardo dovuto ai tempi di propagazione dell’impulso nervoso ed alla relativa presa di coscienza erano in realtà tali da rendere incosciente la reazione e solo dopo ricostruita come cosciente. E per tornare ai cultori del libero arbitrio salviamo anche questo: fortunatamente per loro la stragrande maggioranza delle decisioni che un essere umano prende sono in realtà ben più complesse ed articolate che il premere un bottone a comando.

La limitazione del tempo imposta dalla biologia è fissata dal modo in cui gli organismi sono costruiti. Tutte le informazioni del corpo di animali e di esseri umani vengono trasmesse elettricamente e chimicamente. I neuroni le trasmettono sotto forma di impulsi che attraversano il corpo ad una velocità che può raggiungere nell'uomo un centinaio di metri al secondo. Questa velocità è sorprendente, ma genera comunque ritardi. Il tempo di reazione dipende in definitiva dalla lunghezza dei nostri arti e se un moscerino, essendo molto più piccolo di noi, vive con un ritmo più veloce, con le sue ali che battono con frequenza pari ad un millesimo di secondo, così non potrebbe un essere umano.

I neuroni più veloci del cervello umano possono trasmettere circa 600 segnali al secondo, ogni segnale dura tipicamente un millesimo di secondo, esattamente come un battito d'ala di un moscerino. In linea di principio non possiamo sperimentare come durata di tempo un istante più breve ma sorprendentemente possiamo tuttavia riconoscere differenze di tempo di un paio di decimi millesimi di secondo, pur non sperimentandole come tempo; il cervello compie questa brillante prestazione udendo segnali acustici provenienti da direzioni diverse dello spazio. Quando un suono arriva a un orecchio una piccola frazione di tempo prima che all'altro, il cervello calcola a partire da questa differenza da dove proviene il suono ed uno dei motivi di questa sorprendente reazione è dato dal fatto che al suo funzionamento partecipano pochi neuroni, cablati in modo che i segnali elettrici provenienti dalle due orecchie devono percorrere per arrivare al centro uditivo del cervello percorsi di lunghezza diversa. Ma, come detto, non interpretiamo questa informazione come tempo, e nemmeno come rumore. I dati servono solo a localizzare una fonte di rumore nello spazio. La nostra percezione visiva è più lenta di quella uditiva. L’«adesso» dura per la vista più che per l'udito, ecco perché si preferisce un colpo di pistola come starter per una gara di corsa che non un lampo luminoso. Il dispendio di risorse per riconoscere un suono è semplicemente minore: se nell'udito sono coinvolte circa 20.000 cellule che devono tradurre le proprietà esatte del suono in impulsi elettrici nella retina esistono più di 100 milioni di cellule specializzate, bastoncelli e coni, che investigano la luce e ne ricavano informazioni; e mentre l’udito è in grado di distinguere suoni diversi in una serie purché si succedano solo quando essi siano separati da almeno un centesimo di secondo, per distinguere due immagini deve intercorrere tra loro un intervallo di almeno un decimo di secondo.

E infine l’ancora estremamente misterioso mondo del tempo percepito: di quel senso di stress che ognuno di noi ha provato più volta quando si sente di non aver tempo, l’associazione ormai prassi comune di cose completamente diverse tra loro come fretta e stress. Ci sentiamo stressati perché si va di fretta, perché si ha poco tempo. Ma questo è un errore fatale. E’ vero esattamente il contrario. Non è vero che siamo stressati perché non abbiamo tempo: non abbiamo tempo perché siamo stressati. E non sono chiacchiere da psicobar, ma le risposte date da centinaia di esperimenti.

O ancora e infine, quelle sensazioni, provate da noi tutti, di tempi enormemente dilatati, o al contrario di ore condensate in istanti spariti nel nulla che invece avremmo voluto durassero per sempre.

Che tempo è questo?

E che tempo è quel che ho utilizzato per questo breve estratto?

Non è il fiume che scorre ma l’acqua.

Non sono gli anni che passano ma noi.

(citazione)

Brevissima bibliografia.
Arnaldo Benini. Neurobiologia del tempo.
Stefan Klein. Il tempo.
Amedeo Balbi. Inseguendo un raggio di luce.

La vita emergente

Quel che gli organismi viventi sono sulla Terra, il modo in cui si manifestano, il loro cosiddetto fenotipo (i sistemi metabolici che raccolgono ed elaborano energia, fatti di proteine, lipidi, zuccheri), è l’espressione del patrimonio genetico in essi contenuto, il genotipo (le informazioni che vengono trasmesse attraverso le generazioni).

Indipendentemente dal modo in cui la vita è apparsa sul nostro pianeta, e le ipotesi in proposito sono diverse, con un percorso a ritroso che parta dai prodotti finiti essenziali all’esistenza stessa della vita, possiamo determinare quelli che devono essere stati, e che sono, i precursori biochimici ed è dimostrato che l’aumento della complessità molecolare da molecole con un atomo di carbonio e uno di azoto fino a molecole di RNA è un processo spontaneo.

Ed è di qualche giorno fa la notizia che ricercatori hanno individuato tracce di una classe organica di molecole che sono precursori di molecole essenziali per la vita, o piuttosto direi che hanno confermato quanto già era noto. Situati al centro della nostra galassia, la Via Lattea, questi elementi costitutivi che si combinano per formare l'acido ribonucleico (RNA) potrebbero aiutare gli scienziati a capire come emerge la vita nell'universo.

Si ritiene che originariamente la vita fosse basata solo sull'RNA sulla Terra mentre l'acido desossiribonucleico (DNA) e gli enzimi proteici si sono evoluti in seguito. L'RNA può svolgere le funzioni sia del DNA che degli enzimi memorizzando e copiando informazioni e catalizzando reazioni. E’ la teoria del mondo ad RNA che fa da alternativa ad un’altra teoria, quasi del tutto abbandonata, e che vede invece nei processi metabolici che portano all’RNA i precursori dei sistemi viventi.

La teoria del RNA World suggerisce che i mattoni della vita come i nitrili non hanno necessariamente avuto origine sulla Terra. È possibile che abbiano raggiunto il nostro pianeta facendo l'autostop di meteoriti e comete durante il periodo del tardo bombardamento pesante. In effetti, gli scienziati hanno trovato nitrili e altri lipidi precursori, nucleotidi e amminoacidi all'interno di meteore e comete.

Nel nuovo studio, ricercatori provenienti da Giappone, Spagna, Italia, Cile e Stati Uniti hanno concluso che una serie di questi nitrili è presente nello spazio interstellare all'interno della nube molecolare G+0,693-0,027, che si trova vicino al centro del Galassia della Via Lattea.

Che al di fuori della Terra esistessero complessi molecolari di questo tipo e in abbondanza era tra le ipotesi, non considerando quanto già è stato in passato abbondantemente provato: precursori della vita, elementi essenziali, fondamentali che diedero luogo ad un inizio. Ma ci fu un vero inizio? Esiste un confine?

Una definizione di vita cui spesso si fa riferimento è quella fornita dalla Nasa: la vita è un sistema chimico che si autosostiene ed è soggetto a evoluzione darwiniana. Questa definizione non incontra grosse obiezioni ma è in errore: la vita non si autosostiene, per farlo assorbe ed elabora energia dall’esterno e lo fa non come sistema bensì come processo e un processo non può evolvere perché, formalmente, è esso stesso qualcosa che evolve. Un’analisi formale di oltre 100 definizioni di vita ha portato a questa meta-definizione: la vita è autoriproduzione con variazioni che, pur priva di valore assoluto indica cosa la scienza ritenga essere la materia vivente. Vale non solo per quanto è terrestre ma applicabile ad ogni forma di vita che l’immaginazione possa concepire: vita extraterrestre, forme di chimica alternativa, modelli di computer, forme astratte. E la sua unica base comune è questa: è vita tutto ciò che copia se stesso e cambia. Ma una definizione che sia completa non può aversi se non si tiene conto che il processo dell’insieme delle reazioni chimiche coordinate, selezionate nel tempo e integrate con reazioni preesistenti pone la vita nel dominio dei processi caratterizzati da proprietà emergenti, che non erano presenti prima che il sistema raggiungesse un dato livello di complessità. La vita è dunque complessità auto-generata basata su informazione che riproduce se stessa.

Solo da qui si può riflettere in modo coerente sul problema della sua origine.

I processi chimici che hanno generato questo sistema sono quindi determinabili a ritroso. Data la composizione degli organismi viventi, la chimica dell’acido cianidrico e quella dei suoi primi derivati è quanto ha agito all’inizio: acido formico e, soprattutto, formammide. Gli spazi interstellari contengono elevate quantità di queste sostanze, in nubi le cui dimensioni sono dell’ordine delle migliaia di anni luce. Le reazioni che dai composti primordiali portano ai costituenti di base del vivente (amminoacidi, basi nucleiche, acidi carbossilici, catene alifatiche) sono ormai in gran parte note. Sono anche chiari i princìpi per i quali queste molecole, generate spontaneamente in presenza di diffusi e adatti catalizzatori, e senza particolari richieste energetiche, possono polimerizzare (ovvero creare lunghe catene) creando il successivo livello di complessità chimica, ovvero ciò che non c’era, le proprietà emergenti.

Dunque il filo di reazioni che unisce queste prime molecole biogeniche autogenerate dagli organismi, che siano batteri, all’origine stessa dell’evoluzione della vita o complessi quali noi siamo, non conosce interruzioni; la vita quindi non ha avuto un vero inizio, poiché non è possibile definire un momento lungo questa ininterrotta sequenza di eventi in cui sia possibile dire: da qui in poi è vita, prima è non-vita.