Le basi quantistiche della vita

Nella Parte I ho descritto 4 fatti inspiegabili della biologia molecolare classica:
1.l'accadere in vivo di reazioni chimiche che non si osservano in vitro;
2.la velocità di molte reazioni biochimiche, nettamente superiore rispetto alle stesse reazioni in laboratorio;
3.l'elevatissima efficienza di molte reazioni biochimiche, traccia diretta di fenomeni quantistici; e, più strabiliante di tutti,
4.la presenza di codici organici, che guidano i cicli chimici nell'organizzazione funzionale a più livelli della vita.
Questi problemi rientrano nella questione dell'attenzionalità, che nomina quella caratteristica dei sistemi viventi per cui tutte le loro più minuscole componenti – a cominciare dalle particelle subatomiche, come vedremo – utilizzano le risorse dell'ambiente in un'organizzazione coordinata di miriadi di operatori per costruire, conservare e riprodurre i sistemi. L'attenzionalità è nella scienza moderna il concetto corrispondente in filosofia classica all'anima vegetativa, com'era chiamato il principio basico della vita, condizione dell'accrescimento, della nutrizione e della riproduzione. Tutte le specie, dagli archaea all'uomo, si supportano sulle funzioni vegetative.

L'attenzionalità rivela la presenza nella cellula, accanto al regime caotico descritto dalla statistica chimica, di un regime ordinato che può essere guidato solo da un campo fisico. Abbiamo visto anche che l'attenzionalità (e con essa la comparsa di forme esclusivamente vegetative di vita, ovvero l'abiogenesi) si potrebbero spiegare, se si riuscisse a risalire ad una struttura molecolare che derivi la sua individualità da una relazione tra due generi di processi fisico-chimici auto-organizzativi, dipendenti l'uno dall'altro. A questo punto si tratta di affiancare all'azione di smontaggio dell'organismo prodotta dalla biologia molecolare il metodo inverso della teoria quantistica dei campi (TQC), per provare a rimontare il "giocattolo". Solo così si può sperare di superare l'angustia del riduzionismo che, rimuovendo dall'analisi della materia vivente la sua complessità, abdica a spiegare la vita ed anche solo a definirla.

Ora viene la pars construens: mi riprometto di descrivere – usando un linguaggio comprensibile ad uno studente di liceo – alcune delle più recenti ricerche di biologia e chimica integrate con la fisica quantistica, volte ad individuare i due tipi di processi intrecciati che sono all'origine dell'attenzionalità della vita. L'interdisciplinarità di biologia, chimica e fisica si basa su una concezione fisico-strutturalistica del fenomeno "vita" e le sue teorizzazioni producono predizioni sperimentalmente controllabili (corroborate, come vedremo nell'ultima Parte). Questa concezione si candida comenuovo paradigma scientifico della biologia del XXI secolo, alternativo alle speculazioni poetiche succedutesi per millenni nella storia umana. In particolare, lo strutturalismo fisico è alternativo al darwinismo, che è una superstizione storico-funzionalistica ferma al meccanicismo della (falsificata) fisica classica e costituzionalmente priva, come abbiamo visto nella Parte I, di predittività.

Alla ricerca del campo fisico che crea l'ordine biologico
Capita ancora d'udire in ambienti anti-evoluzionisti che l'ordine e l'auto-organizzazione del vivente siano violazioni patenti del secondo principio della termodinamica, con l'immediato corollario che la vita sarebbe un fenomeno in contrasto con le leggi della fisica o comunque ad essa sfuggente. Ciò non è vero, come ho spiegato in un articolo dedicato al rapporto tra entropia e biologia.
Già nella materia inanimata, seppure in misura molto meno spettacolare che nell'animata, avvengono fenomeni di comparsa d'ordine in apparente opposizione alla termodinamica. Uno di questi era usato dai cercatori d'oro per filtrare il metallo prezioso dal miscuglio minerale: agitando la miscela, essi sfruttavano il campo gravitazionale per separare le particelle più pesanti, che andavano nel fondo del setaccio, da quelle più leggere, che emergevano in superficie, con l'effetto anti-entropico di riordinare i minerali del miscuglio. Mentre nei casi comuni l'agitazione d'una miscela allo stato liquido provoca il veloce raggiungimento della massima entropia perché accelera la distruzione di eventuali isole d'ordine generatesi per scarsa diffusione, nei microaggregati[i] la stessa operazione è localmente anti-entropica in quanto esalta l'effetto ordinante della forza di gravità. Altri casi di anti-entropia locale, possibile grazie alla presenza di gradienti di energia gravitazionale, sono la formazione di vortici ordinati, i fenomeni atmosferici, l'erosione differenziale di rocce a diversa composizione di durezza, ecc. In generale, nei fenomeni inanimati ad apparizione d'ordine, è sempre l'interazione di un campo di forze ("driving field", o campo pilota) con la materia a guidare l'evoluzione anti-entropica di un sistema aperto[ii], a prezzo dell'accelerazione entropica degli altri sistemi energeticamente comunicanti col primo. Complessivamente comunque, nell'unione di tutti i sistemi comunicanti, l'entropia aumenta in continuazione. Ciò stabilisce la freccia del tempo e l'irreversibilità dei processi naturali: "Tu non puoi, o mortale esistenza, discendere due volte il medesimo fiume, né occupare due volte il medesimo stato, ma per rapido scambio di ardore ogni cosa si scinde e si aggrega, non prima né dopo ma nel medesimo tempo, si unisce e si disfa, compare e scompare" (Eraclito[iii]).
Alcuni fenomeni eclatanti con apparizione improvvisa, per scatto di fase, di ordine stabile nella materia inanimata richiedono l'intervento di campi diversi dal gravitazionale e le spiegazioni della TQC. Per es., i cristalli. Abbassando lentamente la temperatura, a 0 °C interviene con discontinuità un cambio di stato dell'acqua: le goccioline precipitano in fiocchi di neve dalle infinite forme, geometricamente regolari, con l'esagono come tema costante (Fig. 1). Altre sostanze precipitano (ad altre temperature) in altre geometrie: cubi, prismi, romboedri, ecc. La fisica spiega la comparsa di quest'ordine con un principio: a date condizioni di temperatura e pressione, la configurazione delle particelle di ogni cristallo è quella di valore minimo dell'energia del campo elettromagneticoprodotto dal moto delle stesse particelle. Cosicché, la simmetria stabile del cristallo non è che un ordine pre-esistente nel campo elettromagnetico, il quale nella precipitazione della materia allo stato solido emerge parzialmente a livello macroscopico. Il "continuismo" – la concezione laplaciana dei piccoli passi come descrizione esaustiva dei processi naturali – è una delle tante assunzioni della meccanica classica falsificate dai fatti sperimentali.
Altri fenomeni fisici spettacolari che nei cambi di stato (aeriforme → liquido ↔ solido, ma non solo) svelano a livello macroscopico simmetrie naturali profonde sono la superconduttività, la superfluidità, i cristalli liquidi, l'antiferromagnetismo, la ferroelettricità, ecc. In generale, l'ordine che ogni volta emerge è codificato nelle proprietà di simmetria matematica di campi fisici, rotta spontaneamente dopo l'interazione contingente[iv] con la materia e con l'ambiente. La "rottura spontanea della simmetria" è un termine tecnico allusivo al fatto che non tutte le simmetrie possedute dal campo si trasferiscono allo stato finale del sistema aperto, andando alcune perdute nel suo attualizzarsi. In questo modo, l'ordine che emerge a livello macroscopico è predetto dalla TQC come l'esito necessario del flusso energetico tra specifiche strutture atomiche soggette a campi dotati di simmetrie pre-esistenti che almeno in parte si conservano.

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