Siamo fisica prima di essere biologia? E chi lo dice ai biologi?

Ventotto film in sei giorni. Ventotto. È il bilancio della mia ultima partecipazione al Trieste Science+Fiction Festival, nella mia amatissima Trieste. Una vera maratona cinematografica, durante la quale ho trascorso più tempo al buio di quanto ne passi normalmente davanti al computer. Il che, per un biofisico computazionale, è già un risultato notevole. Ho visto film bellissimi, strani, inquietanti e altri talmente improbabili che ho cominciato a sospettare che gli sceneggiatori avessero fatto uso di sostanze non ancora classificate dalla chimica moderna. Ma è proprio questo che mi piace della fantascienza: può permettersi di immaginare mondi impossibili e, qualche volta, riesce a farci porre domande molto serie sul nostro. Tra i film che ho visto ce n'è uno che mi ha particolarmente incuriosito, The Renaissance of Oddity Todd, di Noah Marks. È ambientato in un futuro distopico governato da un'autorità mondiale che pretende di imporre un ordine assoluto, arrivando persino a cancellare i nomi delle città. In questo mondo esiste una comunità clandestina di persone che hanno imparato a utilizzare le vibrazioni dell'Universo per sviluppare capacità straordinarie. Naturalmente il governo decide di perseguitarle tutte, indipendentemente dal fatto che utilizzino queste capacità per fare del bene o del male. Perché nei regimi autoritari, evidentemente, anche la fisica deve chiedere il permesso.

Ora, sulle vibrazioni dell'Universo capaci di conferire poteri straordinari avrei qualche riserva scientifica. Quando sento parlare di vibrazioni universali capaci di guarire o trasformare le persone, mi viene spontaneo controllare se qualcuno stia cercando di vendermi un braccialetto magnetico. Ma la fantascienza è fantascienza e va benissimo così. A un certo punto, però, compare una frase che mi ha fatto sobbalzare: "We are physics, before being biology." Siamo fisica, prima di essere biologia. Ecco. Questa frase potrebbe tranquillamente pronunciarla il fisico quadratico medio, quando comincia a convincersi che tutte le altre discipline scientifiche siano soltanto applicazioni particolarmente complicate della propria. Ma è davvero così?

Da un certo punto di vista, certamente sì. Siamo fatti di atomi, gli atomi obbediscono alle leggi della meccanica quantistica, le molecole interagiscono attraverso forze elettromagnetiche, le proteine si ripiegano, le membrane fluttuano e le cellule consumano energia rispettando scrupolosamente le leggi della termodinamica. Non c'è niente, almeno per quanto ne sappiamo, nei sistemi viventi che richieda una sospensione delle leggi della fisica. Ma significa che possiamo spiegare tutta la biologia partendo dall'equazione di Schrödinger? Non proprio.

Immaginiamo di voler capire perché una proteina cambia conformazione quando incontra un'altra molecola. Potremmo partire dagli elettroni, dai nuclei atomici e dalle loro interazioni quantistiche. In linea di principio è una prospettiva legittima. In pratica, quando la proteina contiene migliaia di atomi, è immersa nell'acqua e interagisce con altre biomolecole, il problema diventa rapidamente ingestibile. E soprattutto: sarebbe davvero il modo migliore per capire quello che ci interessa? Perché la fisica non è soltanto meccanica quantistica. È anche termodinamica, meccanica statistica, teoria del caos, fisica dei sistemi complessi, fenomeni collettivi, transizioni di fase, auto-organizzazione. Insomma, non si limita a smontare il mondo fino a trovare le sue componenti fondamentali. Cerca anche di capire cosa succede quando quelle componenti cominciano a interagire. Faccio un esempio: una singola molecola d'acqua non possiede una viscosità. Un insieme enorme di molecole d'acqua sì. La viscosità è una proprietà collettiva, che emerge dalle interazioni microscopiche. E nessuno si sognerebbe di sostenere che la viscosità non sia fisica.

Lo stesso vale per i sistemi biologici. Una proteina non è una cellula. Una cellula non è un organismo. E un insieme di neuroni non è automaticamente un pensiero, anche se qualche volta, osservando certi comportamenti umani, viene da chiedersi quanti neuroni siano effettivamente coinvolti. La cosa interessante è che a ogni scala emergono proprietà nuove, che richiedono strumenti e linguaggi appropriati per essere comprese. Ed è esattamente quello che cerchiamo di fare nella biofisica computazionale. Passiamo dagli atomi alle molecole, dalle molecole ai complessi biomolecolari, dalle membrane alle cellule. Costruiamo modelli con livelli diversi di dettaglio, cercando di conservare ciò che conta davvero. Perché un modello non è migliore semplicemente perché contiene più atomi. È migliore se riesce a rispondere alla domanda che ci interessa.

E poi c'è il caos. Anche quando conosciamo perfettamente le equazioni che governano un sistema, piccolissime differenze nelle condizioni iniziali possono produrre evoluzioni completamente diverse. È quello che succede nell'atmosfera terrestre e, a pensarci bene, anche in alcune riunioni di dipartimento, sebbene in quel caso non sia ancora chiaro se esista davvero un sistema di equazioni capace di descriverle. Ma allora, se tutto questo è fisica, perché continuiamo a separare così rigidamente fisica, chimica e biologia? Qui, devo confessarlo, emerge una delle cose che trovo più irritanti del nostro sistema accademico, soprattutto italiano: l'ossessione per i confini disciplinari. Abbiamo costruito classificazioni, settori scientifico-disciplinari, concorsi, commissioni e appartenenze che sembrano talvolta progettati più per stabilire chi abbia diritto a occuparsi di un problema che per favorire la ricerca di una soluzione. La natura, fortunatamente, se ne infischia. Una proteina non sa se appartiene alla fisica o alla biologia. Una membrana non chiede il permesso a un settore scientifico-disciplinare prima di deformarsi. E un neurone non interrompe il proprio funzionamento per verificare se il segnale elettrico che sta trasmettendo sia di competenza di un fisico, di un chimico o di un neuroscienziato. Naturalmente le discipline hanno una loro ragione di esistere: sviluppano strumenti, concetti e competenze specifiche. Ma le discipline sono un modo che abbiamo inventato per organizzare la conoscenza, non un modo in cui la natura ha deciso di organizzarsi. E questa distinzione, secondo me, è fondamentale.

Perché la biologia non si limita ad applicare passivamente le leggi della fisica. Introduce concetti indispensabili come evoluzione, selezione naturale, adattamento, funzione e regolazione. Possiamo conoscere perfettamente la struttura elettronica del DNA senza riuscire a spiegare perché una determinata caratteristica si sia diffusa in una popolazione. Per quello ci serve anche la biologia evoluzionistica. E questo non rende la biologia meno scientifica o meno fondamentale. Rende semplicemente il mondo più interessante. In fondo, la vita è una delle cose più straordinarie che la materia riesca a fare. È materia organizzata che consuma energia per mantenere la propria organizzazione, lontano dall'equilibrio termodinamico. È un processo continuo, fatto di fluttuazioni, reazioni chimiche, scambi di energia, informazione e adattamento. E a un certo punto questa materia organizzata ha cominciato persino a chiedersi come funziona l'Universo. Il che, ammettiamolo, è piuttosto sorprendente.

Tornando al film, forse i suoi protagonisti avevano ragione a pensare che siamo fisica prima di essere biologia. Ma io continuo a trovare poco convincente quel before. Non credo che abbia molto senso stabilire chi venga prima. Siamo sistemi fisici, certamente, ma siamo anche organismi biologici, prodotti di miliardi di anni di evoluzione, capaci di comportamenti che richiedono molti livelli di descrizione. E soprattutto siamo sistemi complessi. Talmente complessi che abbiamo inventato la scienza per cercare di capire noi stessi e poi abbiamo inventato i dipartimenti universitari per complicarci ulteriormente la vita.

Forse è per questo che mi piace tanto la fantascienza. Non perché ci dia risposte scientificamente corrette, ma perché ci costringe a fare domande che altrimenti non ci porremmo.

Ventotto film in sei giorni possono sembrare un'esagerazione. Probabilmente lo sono. Ma sono tornato da questa maratona con parecchie domande nuove e con una convinzione ancora più forte: la fisica è uno strumento meraviglioso per comprendere la vita, purché non dimentichiamo che la vita è molto più interessante delle nostre classificazioni. In fondo, non siamo soltanto materia che obbedisce alle leggi della fisica. Siamo materia che ha imparato a interrogarsi sulle leggi della fisica. E che, per qualche misteriosa ragione evolutiva, ha anche imparato a inventare film di fantascienza e a spararsene ventotto in sei giorni. Non so se sia un comportamento biologicamente vantaggioso, ma posso assicurare che è stato tremendamente divertente.