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.

Nanomacchine, evoluzione…e la Microsoft!

Cosa avrà mai a che fare la Microsoft con un argomento di biologia, di biochimica? Lo vedremo tra poco.

L’ambiente in cui vivono gli organismi è in continuo cambiamento.

Questo è il motivo per cui, osservando l’evoluzione delle componenti molecolari fondamentali alla base della vita, e per estensione i loro prodotti, gli organismi viventi, o se volete l’evoluzione stessa delle specie, si incontrano spesso strutture imperfette, frutto più dell’assemblaggio di pezzi presi da quanto a disposizione, riciclando o riadattando come si fa nel bricolage. Non è perfetto, la perfezione non è di questo mondo qualcuno direbbe, il falegname sotto casa mia con 50 € l’avrebbe fatto meglio, un ingegnere avrebbe certamente scelto altro, ma…funziona! E la differenza tra funzionare o meno in questo caso, potrebbe essere quanto porta alla sopravvivenza di un organismo, di un’intera specie, della permanenza della vita stessa.

Se pensiamo a quei meccanismi molecolari (nanomacchine, così gli scienziati definiscono i complessi meccanismi molecolari fatti per lo più di proteine, elementi vari, complessi molecolari e acidi nucleici) che sono comuni a qualsiasi organismo vivente, e che da almeno 3,5 miliardi di anni non sono cambiati, possiamo intuirne il perché: un cambiamento deleterio comportante la perdita di funzionalità della struttura biochimica, avrebbe comportato la scomparsa di intere linee di viventi, o dell’intera vita stessa. Soltanto poche nanomacchine fondamentali sono presenti in qualsiasi cellula di qualsiasi forma di vita del pianeta e lo sono da miliardi di anni, dai batteri primitivi (Archea), con un antenato comune tra questi e le cellule eucariote, fino alle balene, dai batteri fotosintetici alle sequoie. E tra queste nanomacchine possiamo senza dubbio alcuno annoverare quanto necessario a svolgere i processi di fotosintesi (non solo quella più nota con produzione di ossigeno come sottoprodotto) e quanto compete alla produzione della moneta energetica di ogni cellula, della vita stessa (ATP, Adenosin trifosfato, prodotto sia nei ribosomi che durante i processi fotosintetici).

Stime recenti ci dicono che nel mondo biologico a noi conosciuto esistono qualcosa come 60-100 milioni di geni diversi (finora ne sono stati codificati con un lavoro enorme circa 25 milioni). Di questi, si stima che soltanto 1500 siano i geni essenziali per la sintesi di queste nanomacchine fondamentali. Forse è una stima troppo prudente ma quand’anche fosse 10 volte superiore ciò significherebbe che soltanto lo 0,0015-0,0025 percento contiene informazioni fondamentali per la vita mentre il restante 99,98 percento contiene informazioni specifiche e soprattutto può mutare senza conseguenze catastrofiche e possono evolvere. Se invece un gene essenziale mutasse o andasse perduto la conseguenza sarebbe una sciagura perché, a meno che non si evolvesse rapidamente un sostituto per la nanomacchina perduta, la perdita di un gene essenziale potrebbe togliere dalla circolazione diversi elementi chiave per la vita: altro che estinzione di massa!

Torniamo alla mutevolezza dell’ambiente ed alle sue conseguenze.

Un malinteso molto diffuso riguardo all’evoluzione per selezione naturale è quello che porta a pensare che, operando nell’arco di milioni di anni, questa porti ad ottimizzare i processi che consentono agli organismi di sopravvivere e riprodursi, che esista, in altre parole, un progresso, una tendenza verso qualcosa. Nulla di tutto ciò: l’evoluzione è cieca, e paziente soprattutto, considerando l’enorme inimmaginabile quantità di tempo a disposizione.

Una delle prove della completa mancanza di progresso evolutivo come conseguenza dell’evoluzione, dell’assenza di causalità se volete, è data anche dall’analisi del modo in cui le strutture molecolari fondamentali siano state mantenute e oggetto di piccoli aggiustamenti in corso d’opera sfruttando al massimo il materiale a disposizione, senza reinventare né tanto meno riprogettare nulla di nuovo.

Una delle proteine fondamentali della fotosintesi, ad esempio, derivata più o meno senza modifiche da quella usata dai cianobatteri, che svilupparono la fotosintesi e che operavano ed operano in assenza di ossigeno; in presenza di questo gas invece, quindi nella pressoché totalità dei casi, va letteralmente distrutta dopo circa 10.000 utilizzi, ovvero dopo esser passata attraverso 10.000 elettroni staccati ad atomi di idrogeno da parte di altrettanti fotoni: il tutto in una mezzora. L’evoluzione, contrariamente a quanto ci si aspetterebbe, anziché sviluppare una proteina diversa e funzionante ha sviluppato un complicato meccanismo di riparazione che, individuata la proteina danneggiata, la rimuove e ne inserisce una nuova nel “buco” rimasto. Insomma, è come se viaggiando in auto doveste portarvi dietro una squadra di meccanici che ogni 10.000 giri di ogni ruota ve la sostituiscano con una nuova…in corsa!

Questi complicatissimi meccanismi di riattamento, di bricolage appunto, ricordano da vicino l’enorme spreco di risorse rispetto al risultato delle complicate macchine che Willy il Coyote attrezza nel tentativo di catturare l’imprendibile Beep Beep: con una differenza, Willy finisce sempre per provocare catastrofi a suo danno mentre in biologia non saranno perfette, ma funzionano, e lo fanno da miliardi di anni nel caso delle strutture fondamentali.

Il metodo usato dall’evoluzione se volete ricorda da vicino quello che la Microsoft ha utilizzato per decenni, e tuttora utilizza in parte, per il proprio sistema operativo. La sua prima versione operava per determinati tipi di processori della Intel e l’ambiente di questi ultimi era, ed è, in continua evoluzione, con cambiamenti che avvenivano a ritmi insostenibili per chi avesse voluto ogni volta riprogettare un sistema operativo ex novo. E così la Microsoft scelse, fin dall’inizio, di aggiungere un numero crescente di codici di programmazione, preferendo aggiornare il software anziché riprogettarlo. Il risultato è certamente qualcosa di non super efficiente o super veloce, sicuramente ridondante e macchinoso, ma funzionante! Analogamente la natura, in un ambiente in continuo ed imprevedibile cambiamento, anziché riprogettare le nanomacchine da zero, ricicla vecchi macchinari e li modifica in misura lieve o sviluppa un insieme di nuove componenti che facilitino il funzionamento degli organismi in un ambiente sempre mutevole. In pratica è come se la natura aggiungesse nuovi codici di programmazione alle macchine evolute in precedenza.

Un ultimo esempio, sempre relativo a qualcosa appartenente a quelle circa 1500 strutture fondamentali che da miliardi di anni consentono l’esistenza della vita stessa sulla Terra, è quello relativo ad un’altra proteina dal tipico nome complicato: ribulosio bisfosfato carbossilasi/ossigenasi (RuBisCO). Molto semplicemente è la proteina responsabile della fissazione del diossido di carbonio, CO₂, (nota anche col nome di anidride carbonica) in tutti gli organismi fotosintetici aerobi (in ambienti con ossigeno) ma anche nei batteri chemioautotrofi, ovvero quei batteri in grado di sintetizzare nutrienti da composti come ioni ammonio, acido solfidrico o metano. Insomma è la proteina più abbondante della Terra e la responsabile della produzione della maggior parte della materia cellulare: ma in quanto a funzionamento lascia molto a desiderare.

La sua struttura è abbastanza semplice essendo formata da due subunità che interagiscono tra loro. Quando funziona correttamente estrae CO₂ presente nell'acqua sottoforma di gas disciolto e lo aggiunge ad uno zucchero con cinque atomi di carbonio dotato di due «maniglie» di fosfato (ribulosio difosfato), formando due molecole identiche con 3 atomi di carbonio. È questa senza dubbio la più importante reazione biochimica che ha luogo sulla Terra, nonché il primo passo nella produzione fotosintetica del 99% circa della materia organica su cui si basa la vita delle restanti forme biologiche. Tutti gli animali, esseri umani compresi, devono la loro esistenza alla RuBisCo. Le reazioni catalizzate dalla RuBisCo sono piuttosto lente, perciò le piante producono quantità enormi di questo enzima che, da solo, raggiunge circa il 25% di tutto il materiale proteico presente nei cloroplasti e il 50% di quello dello stroma; fino al 50% della massa di una foglia! Questa enorme concentrazione è spiegabile dal fatto che questa macchina biochimica estremamente complessa è anche incredibilmente lenta: mentre tutti gli enzimi riescono a compiere anche più di mille reazioni al secondo, la RuBisCO, nello stesso arco di tempo, ne riesce a completare solo tre! 

Per approfondire si veda qui.

Di conseguenza è l'enzima più abbondante presente sulla Terra, a dimostrazione del fatto che la fotosintesi messa in atto dagli organismi vegetali (piante, ma anche alghe e batteri come per esempio i cianobatteri) sia la reazione più comune e di maggiore importanza per la vita sul nostro pianeta. Come altre proteine implicate nei processi fotosintetici, anche la RuBisCO si è evoluta molto prima della comparsa dell'ossigeno libero nell'atmosfera terrestre, in un periodo in cui le concentrazioni di diossido di carbonio erano molto superiori alle attuali e, in tali condizioni la proteina funziona molto bene. In presenza di ossigeno però, l'enzima scambia spesso l'ossigeno per diossido di carbonio per quanto la cosa possa apparire strana, visto che le due molecole sono strutturalmente diverse. Ogni volta che accade la RuBisCO incorpora ossigeno e non produce nulla di buono, e questo accade circa il 30 percento delle volte nella maggior parte delle piante, con un enorme spreco di energia. A ciò si aggiunga che questo complesso è molto lento, un prodotto con frequenza di 5 volte al secondo; persino rispetto alle RuBisCO evolutesi recentemente e più efficienti ci sono nelle cellule nanomacchine velocissime ed estremamente più rapide nella generazione del loro prodotto.

Ancora una volta la causa principale di questa apparente anomalia sta nella modalità specifica in cui opera l'evoluzione per selezione naturale. Anziché reinventare o riprogettare da zero, a rischio di fallire, un nuovo complesso molecolare si continua a sistemare o utilizzare quanto a disposizione. Purché funzioni!

Soprattutto se, come nel caso della RuBisCO, questa appartenga a quelle circa 1500 nanomacchine fondamentali, presenti da miliardi di anni, che non sono cambiate e tuttalpiù modificate in corso d'opera riadattando il materiale a disposizione.