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.

La sostenibilità non è un fatto personale

Prendendo spunto da un post mi sono tornate alla mente alcune vecchie considerazioni.

E’ il solito discorso sulla sostenibilità scaricata sul singolo. In molti, e in malafede, spostano l’attenzione dall’inadeguatezza strutturale del sistema alla responsabilità del singolo individuo; continuamente ci si sente dire cosa può e deve, ognuno di noi, fare per l’ambiente. Ma non sarà il comportamento virtuoso del singolo a cambiare le cose. Certo le iniziative green che ognuno di noi può permettersi di intraprendere, comprese quelle che comportano un sovrapprezzo per chi può sostenerlo, vanno incoraggiate, meglio ancora incentivate e mai criticate. Ma le scelte individuali, da sole, non saranno mai la soluzione per affrontare né la crisi climatica, né la siccità e neppure il sovraccarico di spazzatura di Roma!

Il nostro destino non è modificabile dalle scelte che si fanno al reparto bio di un supermercato o nell’adozione di una pompa di calore o di un pannello fotovoltaico sul tetto di casa. O evitando i concerti di Jovanotti.

Sono certamente passi lodevoli e forse anche utili ma se qualcosa cambierà sarà solo perché è stato modificato il sistema. E non a prezzo di utopiche decrescite felici, inesistenti fantascientifiche chimere, perché se per un cittadino del mondo occidentale una ancorché minima decrescita comporterebbe il rinunciare a qualche kWh al mese o pagare di più per mantenerlo, per un abitante del Mozambico o di Haiti potrebbe voler dire avere o non avere la luce in casa se non addirittura vivere o morire. Semplice a dirsi il cambiamento non è rinunciare all’energia, ma cambiare alla radice il modo con cui è prodotta.

E questo, per quanto paradossale possa apparire, vale anche per quello che ti dicono, riferendosi ai migranti o ai profughi, “perché non te lo prendi a casa tua?”.

Per lo stesso motivo per cui non guido l’ambulanza da solo per portarmi al pronto soccorso.

E, per tornare al post che mi ha inspirato, non sarà tirando lo sciacquone una volta su 10, non lavarsi o cambiarsi le mutande una volta a settimana ad evitare la siccità, soprattutto quando gli impianti idrici perdono per strada il 40 percento di acqua ogni anno.

ENSO - El Niño Southern Oscillation

Dopo la lettura di un articolo di Nature portato alla mia attenzione in risposta ad un post dell’amico Aldo Piombino, ho voluto approfondirne un aspetto in particolare.

L’articolo in sé non dice molto se non mettere in evidenza come pare ci sia un modello che evidenzia comeil frequente verificarsi di eventi “El Niño” del Pacifico centrale ha svolto un ruolo chiave nel rallentamento del riscaldamento della Groenlandia e forse nella perdita di ghiaccio marino artico. Ma, lasciatemi un margine di dubbio, nello stesso articolo leggo anche che «Questo riscaldamento dell'Artico non uniforme può essere attribuito alla variabilità naturale, piuttosto che alla forzatura antropogenica, sebbene la maggior parte dei modelli climatici non sia in grado di simulare ragionevolmente la variabilità naturale non forzata sulla Groenlandia». Sebbene…

Mentre questo modello potrebbe essere fallace, pur con i loro limiti non lo è la media delle centinaia di profilazioni e modellazioni fatte in decenni e che, contrariamente a quanto è stato detto in queste pagine, non è vero che IPCC tenda a sovrastimare, anzi, è esattamente vero il contrario. E tornando ai modelli ricordo che la climatologia è scienza difficile, visto che i modelli che si creano, anche quelli per fare le previsioni che inondano con centinaia di fonti, telefonini e smartwatch, funzionano al contrario e senza entrare nei dettagli, facendo "previsioni sul passato".

Ma tornando a El Niño, o meglio a ENSO, «El Niño Southern Oscillation» su questo vorrei spendere più che qualche parola perché è una delle prove di quanto possa essere complesso lo studio di fenomeni climatici globali, studio in grado comunque di produrre evidenze e certezze.

Questo fenomeno è quanto di meglio si possa avere sottomano per effettuare un vero e proprio esperimento planetario ed analizzarne i risultati, proponendo modelli. Ed è, soprattutto, uno degli strumenti naturali a disposizione che possano metterci in grado di capire quanto possa essere delicato, interconnesso per vie ancora da esplorare, relazionato indipendentemente da latitudini e longitudini, il sistema climatico mondiale, e quanto sia ogni sua variazione, globale!

L'ENSO del 2010 provocò fenomeni meteorologici estremi pressoché contemporaneamente negli Stati Uniti centro-occidentali (Tennessee e Kentucky) e Pakistan. Un'origine nel Pacifico Equatoriale ed effetti così lontani.

I livelli raggiunti sia dal fiume Cumberland che dal Tennessee batterono ogni record. Ci furono ventisei vittime, per lo più a causa di inondazioni improvvise di torrenti e altri corsi d'acqua nei bacini sottostanti. Più il fiume non riusciva a contenere l'acqua che continuava a cadere dal cielo, più le sale da concerto, gli impianti sportivi, le aziende e le case di Nashville si ritrovarono coperti di acqua e fango.

Ma fu poca cosa rispetto a quel che accadde in Pakistan.

Alla fine di luglio del 2010 fu catastrofe. Due dighe, quella di Tangala e quella di Mangia, rappresentavano tutto lo stoccaggio disponibile sui principali affluenti dell'Indo. Il resto era fuori controllo. Le inondazioni imperversarono lungo tutto il bacino dell'Indo trascinando con sé migliaia di vite. I fiumi Kabul e Swat ruppero gli argini. Centinaia di persone morirono a causa delle inondazioni che seguirono. Le frane devastarono il nord-ovest del paese. In centinaia persero la vita. Un quinto del Pakistan finì sott'acqua. Il 29 luglio la situazione aveva raggiunto una gravità senza precedenti. Il 31 luglio l'ONU dichiarò quelle inondazioni le più gravi a memoria d'uomo. Nella prima parte di agosto, quando le acque si ritirarono, fu possibile valutare l'entità del disastro. Erano morte quasi 2000 persone, e in venti milioni avevano bisogno di un rifugio, di cibo e di cure, più che durante lo tsunami indiano nel 2004, i terremoti del Kashmir nel 2005 e di Haiti nel 2010 e il ciclone Nargis del 2008 messi insieme.

Dai tropici alle medie latitudini l'umidità non si sposta uniformemente. Le immagini satellitari a microonde mostrano che spesso essa viaggia come lunghi filamenti d'aria di alcune centinaia di chilometri di ampiezza, a volte intorno a sistemi meteorologici che si estendono per alcune migliaia di chilometri. Questi fiumi atmosferici sono grandi. Da cima a fondo, uno di questi corsi d'acqua nel cielo può trasportare tanta acqua quanta il Rio delle Amazzoni, o dieci volte quella del Mississippi.

Il sistema climatico sta cambiando. È probabile che possa cambiare molto al di là dell'esperienza recente, grazie all'impatto della modernità sulla chimica dell'atmosfera. L'iniezione di anidride carbonica, pardon, di diossido di carbonio (sono anziano e mi scappa di chiamarla ancora anidride carbonica) derivante dall'uso dei combustibili fossili e la trasformazione del paesaggio su una scala senza precedenti hanno entrambe avuto un impatto significativo sul bilancio energetico del pianeta.

È ancora troppo presto per comprendere appieno la portata della sfida di un clima che cambia. Occasionalmente, tuttavia, il sistema climatico propone un esperimento naturale che permette di intravedere ciò che potrebbe avere in serbo. Il 2010 fu un anno di ENSO particolarmente forte. L’ENSO è un fenomeno quasi periodico per cui le calde acque del Pacifico equatoriale ad una profondità di qualche centinaio di metri oscillano da est a ovest dal Perù all'Australia e viceversa come una gigantesca altalena, per un periodo che va dai tre ai cinque anni. Il fenomeno si manifesta maggiormente sulla superficie dell'oceano: durante lo stato freddo chiamato La Niña, le acque più fredde e profonde raggiungono la superficie nel pacifico orientale mentre le acque calde si accumulano a ovest; Durante lo stato opposto quello caldo o El Niño, si trovano di nuovo verso est. L’ENSO è uno dei segnali naturali più importanti e misurabili del sistema climatico. il caso vuole che sia anche un perfetto esperimento naturale in grado di spiegare ciò che accade quando il sistema climatico cambia nel corso di più anni.

Durante la fase fredda, La Niña stabilisce un forte gradiente di temperatura sulla superficie dell'oceano dal Perù all'Australia. Non dovrebbe sorprendere che una zona anomala di temperatura fredda a cavallo dell'equatore, nell'oceano più grande del pianeta, stimoli una reazione nell'atmosfera. Ha anche un impatto profondo sulla distribuzione dell'acqua in tutto il globo. Durante una tipica La Niña, le precipitazioni aumentano nell'Asia meridionale in alcune aree degli Stati Uniti. Quei cambiamenti, a loro volta, interagiscono con altri fenomeni meteorologici a breve termine traducendo una miriade di eventi anomali e localizzati che dappertutto mettono alla prova la resilienza delle comunità.