Fisica della vita

"Physics of life" è il titolo di un lunghissimo e dettagliato documento redatto dalle Accademie Nazionali di Scienza, Ingegneria e Medicina degli Stati Uniti. Si tratta di un rapporto decennale appena pubblicato e tenta di raccontare una parte della fisica che ormai ha conquistato uno spazio che troppo spesso non è ben rappresentato nei nostri corsi di laurea. O almeno potrebbe essere meglio rappresentato. Si tratta appunto della fisica della vita, che però ormai ha diversi nomi, che includono la "Fisica Biologica" e la "Biofisica". La distinzione sui termini in realtà è solo semantica e, in effetti, si dovrebbe parlare proprio di "Fisica della vita" o della materia animata, se non fosse che invocare l'anima porta immediatamente a fare i conti con concetti religiosi che sono ben lontani dai campi di interesse e di indagine del metodo scientifico. Si tratta però di tracciare una mappa concettuale di argomenti che ormai sono diventati molto importanti anche per la nostra vita quotidiana: basta nominare l'epidemia di Covid-19, ma è davvero solo un esempio. Perché farlo? Non certo per tracciare confini che esistono soltanto nella mente di qualche burocrate ministeriale (siamo l'unico Paese che ha sviluppato un sistema di abilitazioni scientifiche divise su centinaia di settori e microsettori e che mette palette e regole sugli insegnamenti che costringono a slalom vertiginosi), ma per capire almeno di cosa si tratta, di cosa possiamo aspettarci nel prossimo futuro e di come fare per accelerare o, almeno, assecondare questi processi che sono comunque in corso. E' un rapporto di 315 pagine e non pretenderò di farne un riassunto in questa puntata, però mi piacerebbe prendere qualche spunto di riflessione, ripromettendomi di discutere tutte le implicazioni nei prossimi anni (è un rapporto decennale, c'è tempo).

Nelle parole del presidente William Bialek "Quando ero uno studente, i fisici che si interessavano dei fenomeni della vita erano percepiti come se stessero diventando biologi. I fisici e i biologi erano d'accordo sul fatto che esistessero applicazioni proficue della fisica alla biologia, ma l'idea che i sistemi viventi ponessero delle sfide reali alla nostra comprensione della fisica non era popolare. Non penso che questi punti di vista rendessero giustizia alla storia del campo di ricerca, ma erano mantenuti con forza. Oggi, molto è cambiato, sia nella sostanza di quanto è stato raggiunto sia nella percezione di questi risultati, specialmente dalla comunità dei fisici. La fisica della vita è ormai un programma di ricerca più che una fantasia e la fisica biologica è emersa come un ramo della fisica. Tutto questo non è accaduto in un momento drammatico, ma attraverso decadi di progresso e realizzazioni graduali. Il risultato non è nientemeno che un ridisegno complessivo del panorama intellettuale, le cui conseguenze continuano a mostrarsi in modi bellissimi e, a volte, sorprendenti. Spero che abbiamo fatto giustizia a questi sviluppi considerevoli." Bill, scusa se ti chiamo Bill, ma mi sono venute le lacrime: più di una volta mi sono sentito dire "ma questa non è fisica", più di una volta ho dovuto tirar fuori il libro di Erwin Schrödinger per ribadire che è almeno dagli anni '40 (se non prima) che la fisica tenta di spiegare la biologia e, nel farlo, scopre nuova fisica: vederlo scritto nero su bianco nel 2022 mi ha fatto un certo effetto.

Quel che segue è una mia traduzione commentata del rapporto esecutivo (una specie di riassunto) di questo rapporto. Mi assumo ogni responsabilità per la traduzione e l'interpretazione ma chi capisce l'inglese può leggere il rapporto per intero a questo link.

La fisica biologica, o fisica dei sistemi viventi, porta lo stile di indagine del fisico a confrontarsi sui bellissimi fenomeni della vita. La gamma enorme di fenomeni incontrati nei sistemi viventi - fenomeni che spesso non hanno analoghi o precedenti nel mondo inanimato - comporta che l'agenda intellettuale della fisica biologica sia eccezionalmente ampia, anche per gli standard già piuttosto ambiziosi della fisica.

Per più di un secolo, il contrasto tra la complessità della vita e la semplicità delle leggi fisiche è stato una specie di tensione creativa, che ha prodotto interazioni straordinariamente feconde tra la fisica e la biologia. Dalla struttura a doppia elica del DNA alle immagini di risonanza magnetica del nostro cervello in azione, i risultati di questa collaborazione tra fisica e biologia sono fondamentali per la moderna comprensione della vita e hanno avuto un impatto profondo sulla medicina, sulla tecnologia e nell'industria. Fino a poco tempo fa, tuttavia, questi successi erano descritti e riportati come parti della biologia e non della fisica.

La situazione ha cominciato a cambiare verso la fine del ventesimo secolo: i fisici hanno cominciato a vedere i fenomeni della vita come sfide alla nostra comprensione della fisica stessa, sfide profonde e rivoluzionarie come quelle poste dai fenomeni del mondo inanimato. Questo ambito molto ampio di esplorazioni è unita dall'idea di cercare i principi fisici sottostanti che portano alla conclusione principale di questo studio: è emerso un nuovo campo.

La conclusione è che ormai la fisica biologica è emersa come un campo della fisica, insieme ai campi più tradizionali dell'astrofisica e della cosmologia, della fisica atomica, molecolare e ottica, della fisica della materia condensata, della fisica nucleare, della fisica delle particelle e della fisica del plasma. Anche se si tratta di un campo molto ampio, esistono alcune domande chiave che possono illustrare i passaggi cruciali per i ricercatori in questo campo. La lista non è completa, ma sicuramente queste sono quelle che sono emerse finora: 

1. Quali sono i problemi di fisica che gli organismi devono risolvere? Per sopravvivere nel mondo, gli organismi viventi devono convertire l'energia da una forma all'altra, percepire il loro ambiente e muoversi al suo interno. L'esplorazione di queste funzioni ha portato a una nuova fisica sorprendente, dall'interazione della dinamica classica e quantistica nella fotosintesi alle simmetrie nascoste nella dinamica del comportamento animale macroscopico.

2. In che modo i sistemi viventi rappresentano ed elaborano le informazioni? Comprendere la fisica dei sistemi viventi esige che riusciamo a capire come le informazioni possano fluire su molte scale, dalle singole molecole ai gruppi di organismi. La vita è riuscita a trovare realizzazioni inaspettate della fisica dell'informazione, partendo dallo sfruttamento della dissipazione dell'energia per una trasmissione di informazioni più affidabile su scala molecolare all'utilizzo di nuove dinamiche di rete come codice neurale nel cervello.

3. Come fanno le funzioni macroscopiche della vita ad emergere dalle interazioni tra molti costituenti microscopici? Gran parte di ciò che ci affascina della vita riguarda infatti il comportamento collettivo di molte unità più piccole, dalla struttura ordinata di una proteina ripiegata alle traiettorie di volo ordinate degli uccelli in uno stormo. La combinazione tra teoria ed esperimenti ha mostrato come questi comportamenti collettivi possano essere descritti nel linguaggio della fisica statistica, indicando nuovi tipi di ordine che non hanno analoghi nel mondo inanimato.

4. In che modo i sistemi viventi riescono a trovare la loro strada tra tanti parametri fisici? I numeri che descrivono i meccanismi della vita cambiano nel tempo attraverso i processi di adattamento, apprendimento ed evoluzione. La comunità della fisica biologica ha portato una nuova prospettiva a questi problemi, immaginando i meccanismi della vita come tratti da un insieme di possibilità. La caratterizzazione di questi insiemi fornisce nuovi problemi di fisica, dal repertorio di anticorpi nel sistema immunitario alla gamma di connessioni sinaptiche coerenti con la funzione cerebrale.

Sono solo alcune delle domande di fisica generale, ma il documento riporta anche i dettagli nella sua prima parte. Francamente mi dichiaro poliamoroso: ho molta difficoltà a scegliere quale di queste quattro mi interessi di più. Penso che continuerò a viaggiare dall'una all'altra fino alla pensione e oltre.

Non esiste un campo scientifico isolato: se esiste, non è sano. Fatemi scolpire queste parole a caratteri cubitali nelle sedi del nostro Ministero dell'Università e Ricerca e in tutti i dipartimenti universitari d'Italia, d'Europa, del mondo. La fisica biologica ha tratto idee e metodi dai campi vicini della fisica (ad esempio la fisica della materia), ma è stata anche fonte di ispirazione per nuovi problemi in questi campi. I collegamenti ormai storici con molte aree diverse della biologia e della chimica continuano a essere molto produttivi e i risultati della fisica dei sistemi viventi hanno raggiunto anche la medicina e la tecnologica. La comunità della fisica biologica ha fornito nuovi strumenti per le scoperte scientifiche, nuovi dispositivi per la diagnosi medica, nuove idee per la biologia dei sistemi con applicazioni nella biologia sintetica, nuovi metodi e teorie per esplorare il cervello e nuovi algoritmi per l'intelligenza artificiale. I risultati e i metodi della comunità della fisica biologica sono stati centrali nella risposta del mondo alla pandemia di Covid-19. Maggiori informazioni su questi collegamenti si trovano nella seconda parte del documento (una lettura entusiasmante).

La parte che però mi ha letteralmente lasciato senza parole è la terza, in cui gli autori (si tratta di un comitato di 13 nomi autorevolissimi) si lanciano in un tentativo di tracciare una strada verso il futuro, descrivendo ciò che dovrebbe essere realizzato per portare a termine le promesse della fisica biologica come campo. Costruire un nuovo campo scientifico è un progetto che richiede diverse generazioni e l'emergere della fisica biologica spinge a ripensare completamente il modo in cui insegniamo fisica, biologia e, più in generale, le scienze. Gli enti di finanziamento, attualmente frammentati (almeno negli Stati Uniti, da noi vai a capire), necessitano di una revisione per rispondere alla piena ampiezza e coerenza dell'attività nella comunità della fisica biologica. Per realizzare pienamente il potenziale del campo è necessario accogliere aspiranti scienziati da tutto il mondo e da tutti i segmenti della nostra società, gestendo le risorse in modo efficace e giusto. Questo sempre negli Stati Uniti: in Italia, se vado in giro parlando in questo modo, faccio prima a cantare "Imagine" di John Lennon. Eppure, una delle mie citazioni preferite è "Nothing happens unless first a dream", niente accade se prima non c'è un sogno.
Perché la conclusione di questo documento è esattamente il sogno. La comunità della fisica biologica sta sviluppando nuovi metodi sperimentali che espandono la nostra capacità di esplorare il mondo vivente e nuove teorie che espandono la struttura concettuale della fisica. Questi sviluppi stanno ridisegnando il panorama intellettuale della scienza e stanno guidando la nuova tecnologia. In definitiva, una fisica matura della vita cambierà la nostra visione di noi stessi come esseri umani. Scusateci se è poco.