Articolo

Enrico Bucci

La bellezza nasce da ciò che riesce a durare

Ogni molecola di cui parliamo in questa rubrica porta con sé una forma particolare di bellezza, che nasce dalla precisione della struttura, dalla finezza delle proprietà e dalla capacità di entrare in rapporto con altre molecole fino a costruire architetture biochimiche di una ricchezza quasi inesauribile; eppure, proprio questa bellezza, osservata con un poco di attenzione, conduce a una domanda ancora più profonda, perché costringe a chiedersi da dove provenga una tale abbondanza di forme, di adattamenti, di combinazioni funzionali, e dunque da dove venga, in ultima analisi, la biochimica stessa del vivente, con la sua stupefacente capacità di generare continuità materiale attraverso il tempo, accrescendo la complessità invece di disperderla.

Per affrontare la questione conviene partire da un livello molto semplice, quello in cui esiste ancora soltanto la chimica, immersa in un certo ambiente fisico, sottoposta a certe condizioni di temperatura, di pressione, di disponibilità d’acqua, di acidità, di presenza di sali, di superfici minerali, di radiazione, di sorgenti di energia. In ogni ambiente di questo genere esiste uno spazio delle possibilità, vale a dire l’insieme delle strutture che possono essere prodotte a partire dai materiali presenti e dai processi accessibili in quelle condizioni. Parlare di possibilità, però, non significa affermare che tutto ciò che è compatibile con le leggi chimiche si formi con uguale facilità, uguale frequenza o uguale abbondanza, perché le reazioni hanno probabilità diverse, richiedono percorsi diversi, incontrano ostacoli diversi, e dipendono sia dalla termodinamica, cioè dal bilancio energetico che rende alcuni stati più accessibili di altri, sia dalla cinetica, cioè dalla velocità con cui un certo processo riesce davvero a compiersi. Una molecola può essere perfettamente ammissibile dal punto di vista chimico e tuttavia formarsi di rado; un’altra può comparire facilmente e sparire quasi subito; un’altra ancora può essere poco probabile all’inizio e diventare invece molto più accessibile in presenza di una superficie che catalizza la reazione, cioè che ne accelera il decorso abbassando le barriere che la ostacolano.

Lo spazio delle possibilità, per quanto importante, non basta però a spiegare il repertorio delle molecole biologiche, perché la chimica del mondo può produrre moltissime forme effimere, moltissime combinazioni di breve durata, moltissimi tentativi che appaiono e scompaiono senza lasciare traccia storica. Per capire perché alcune strutture attraversino il tempo e altre lo sfiorino soltanto bisogna introdurre un secondo concetto, ancora più decisivo, che si potrebbe chiamare spazio della persistenza. Fra tutte le cose che un dato ambiente può produrre, alcune persistono meglio di altre: persistono perché sono stabili nelle condizioni presenti, persistono perché resistono abbastanza bene alle oscillazioni delle condizioni, persistono perché vengono rigenerate di continuo, persistono perché fanno parte di cicli che ne ricostruiscono senza sosta la forma, persistono perché la loro combinazione con altre molecole crea insiemi più durevoli dei singoli componenti presi uno per uno. A questo livello diventa indispensabile distinguere fra individuo e tipo. L’individuo è la singola entità materiale, quella molecola concreta che nasce, reagisce, si modifica e scompare. Il tipo è la forma riconoscibile a cui quell’individuo appartiene, la struttura generale che può ricomparire in molti esemplari successivi. In biochimica questa distinzione è ovunque. Una molecola di ATP, la molecola che nelle cellule trasferisce energia da una reazione all’altra, ha una vita brevissima; il tipo ATP, invece, dura da epoche remotissime, perché esistono sistemi capaci di produrlo, usarlo e rigenerarlo senza interruzione. Il singolo esemplare svanisce, il tipo resta.

A questo punto il quadro comincia a chiarirsi. Quando osserviamo la chimica del vivente non stiamo guardando una collezione casuale estratta da tutto ciò che avrebbe potuto esistere, ma il risultato storico della diversa capacità di persistenza dei vari tipi molecolari. Alcuni hanno avuto una permanenza minima; altri hanno trovato soltanto nicchie locali e transitorie; altri ancora hanno acquisito una tale capacità di restare, di ricostituirsi, di inserirsi in reti di processi compatibili con la loro continuazione, da diventare elementi ricorrenti della materia vivente. Questo punto è fondamentale, perché sposta la domanda dal semplice “che cosa può formarsi?” al più profondo “che cosa riesce a durare come tipo?”. La bellezza della biochimica nasce in larga parte da qui, dal fatto che il tempo non registra indifferentemente tutto ciò che appare, ma trattiene con maggior forza quelle forme che possiedono caratteristiche favorevoli alla loro continuità materiale.

Dentro questa continuità rientrano meccanismi molto diversi. Esiste la persistenza per stabilità intrinseca, che riguarda le strutture capaci di mantenersi abbastanza bene nelle condizioni date. Esiste la persistenza per robustezza, che riguarda le strutture capaci di tollerare variazioni ambientali senza perdere la propria identità chimica o la propria funzione. Esiste la persistenza per rigenerazione, che si osserva quando una certa forma viene continuamente ricostruita, magari a spese dei singoli individui che la incarnano solo per un tratto brevissimo. Esiste infine una persistenza più potente e gravida di conseguenze, quella che passa attraverso la riproduzione. Una struttura capace di produrre nuove occorrenze del proprio tipo non si limita a durare: aumenta la propria presenza. Se da un esemplare nascono più copie efficaci, il tipo acquista frequenza nell’insieme degli oggetti dello stesso genere presenti in quel sistema, cioè in una popolazione intesa qui nel senso più generale del termine. La riproduzione è dunque un modo particolare di persistere, e la sua importanza deriva dal fatto che trasforma la permanenza in diffusione.

Una popolazione, in questo contesto, è l’insieme degli oggetti dello stesso genere che esistono in un certo spazio e in un certo intervallo di tempo, con tutte le loro varianti. Dentro una tale popolazione i tipi più persistenti tendono a occupare una quota crescente, perché scompaiono più lentamente, vengono ricostruiti più spesso, oppure si moltiplicano più efficacemente. Ciò che in biologia viene chiamato selezione naturale può essere riletto, a questo livello di generalità, come l’espressione statistica di queste differenze di persistenza, senza bisogno di introdurre un principio attivo esterno che scelga, premi o respinga. Il quadro è interno al comportamento stesso della materia organizzata: forme diverse hanno durate diverse, capacità diverse di rigenerarsi, capacità diverse di attraversare indenni i cambiamenti, capacità diverse di produrre nuove occorrenze del proprio tipo; nel tempo, queste differenze si accumulano e diventano storia materiale.

Il punto acquista ancora più rilievo quando si considera che gli ambienti non restano fermi. Temperatura, disponibilità d’acqua, composizione chimica, flussi energetici, cicli di asciugamento e reidratazione, presenza di superfici utili o di agenti distruttivi: tutto questo cambia, talvolta lentamente, talvolta in modo brusco. Una struttura che persiste bene in un ambiente perfettamente costante può trovarsi in difficoltà non appena quel quadro oscilla; un’altra, leggermente meno efficiente nelle condizioni ottimali, può mostrare una tenuta superiore se le condizioni variano spesso. In altre parole, la persistenza non dipende soltanto dalla capacità di restare in un istante dato, ma dalla capacità di attraversare il mutamento. Nella storia della biochimica questo aspetto conta moltissimo, perché la materia vivente è emersa in un mondo dinamico, pieno di gradienti, alternanze, crisi locali e fluttuazioni che hanno continuamente rimesso alla prova i tipi chimici disponibili. Per questa ragione le molecole biologiche che oggi consideriamo centrali portano spesso impressa una robustezza profonda: funzionano entro intervalli relativamente ampi di condizioni, oppure trovano posto dentro sistemi capaci di stabilizzare il loro ambiente immediato.

È qui che comincia a intravedersi una delle grandi soglie della vita. Una singola molecola può essere stabile, utile, talvolta perfino straordinaria per certe sue proprietà, e tuttavia restare storicamente marginale se non entra in una rete che ne sostenga la continuità. Quando invece più molecole si combinano in modo tale che la presenza di ciascuna aumenta la persistenza delle altre, nasce una forma nuova di realtà chimica, perché non persiste più soltanto il singolo componente, ma l’organizzazione dell’insieme. Una molecola può accelerare la sintesi di un’altra; una membrana può trattenere reagenti che altrimenti si disperderebbero; un piccolo ciclo di reazioni può rigenerare un proprio elemento cruciale; una superficie può concentrare sostanze che in soluzione resterebbero troppo diluite per reagire con continuità. A quel punto la persistenza diventa una proprietà distribuita, una proprietà del sistema, e la combinazione stessa dei componenti acquista un vantaggio storico. La biochimica del vivente comincia a delinearsi proprio lungo questa traiettoria, nella quale le reti più capaci di mantenersi occupano progressivamente più spazio rispetto alle combinazioni che si disfano rapidamente.

L’idea di autopoiesi, che talvolta viene evocata in modo vago, trova qui il suo nucleo materiale più concreto. Un sistema autopoietico è un sistema che produce e mantiene la propria organizzazione attraverso i processi che avvengono al suo interno. Tradotto in termini biochimici: certe molecole e reazioni non sono semplicemente presenti nello stesso luogo, ma contribuiscono a generare le condizioni che consentono al sistema di restare quello che è. Alcuni componenti accelerano processi necessari al mantenimento di altri; alcune barriere fisiche creano un dentro e un fuori, permettendo concentrazioni, gradienti e compatibilità locali che nel mezzo circostante verrebbero meno; alcune sequenze di trasformazioni rigenerano senza sosta la base materiale del sistema. In questa luce, l’autopoiesi non è una qualità misteriosa che si aggiunge alla chimica dall’esterno, ma il risultato di una chimica che ha raggiunto un grado di organizzazione tale da sostenere la propria continuità attraverso la produzione dei propri stessi presupposti.

Fra tutti i modi in cui un sistema del genere può aumentare la propria persistenza, la riproduzione occupa una posizione speciale perché introduce un salto quantitativo e qualitativo nello stesso tempo. Finché una struttura resiste soltanto grazie alla propria stabilità o alla propria rigenerazione locale, la sua permanenza resta confinata alla durata del ciclo in cui è immersa. Quando invece quella struttura, o quell’insieme di strutture, genera nuove occorrenze del proprio tipo, la continuità si emancipa dal singolo luogo e individuo, propagandosi nello spazio e nel tempo. Se il bilancio della riproduzione supera l’unità, cioè se ogni occorrenza produce in media più di una nuova occorrenza efficace, il tipo aumenta di frequenza. A questo punto la persistenza prende la forma di una crescita relativa nella popolazione, e la storia materiale del sistema accelera.

L’effetto più profondo di questo passaggio emerge quando la riproduzione è imperfetta. Una copia che riproducesse in modo assoluto e invariabile il proprio modello assicurerebbe continuità, ma lascerebbe il sistema prigioniero della forma già raggiunta. Quando invece la riproduzione introduce differenze, anche minime, si apre la possibilità di esplorare il vicinato dello spazio delle possibilità. Alcune varianti saranno meno persistenti e scompariranno presto; altre avranno caratteristiche simili a quelle di partenza; altre ancora potranno mostrare una maggiore stabilità, una maggiore efficienza nel produrre copie, una migliore compatibilità con altri componenti, una migliore capacità di sfruttare energia o di tollerare condizioni ambientali differenti. L’errore di copia, che a prima vista sembra un semplice difetto, entra così nel cuore della creatività materiale del vivente, perché mette il sistema nelle condizioni di sperimentare continuamente nuove soluzioni senza mai interrompere del tutto la continuità del tipo. La variazione ereditaria, in altre parole, collega la persistenza all’esplorazione, e questa connessione è uno dei cardini della crescita della complessità biologica.

Da quel momento in poi il processo acquista una potenza cumulativa. Ogni innovazione che aumenti la persistenza del sistema può essere trattenuta e diventare la base su cui si accumulano innovazioni ulteriori. Una molecola capace di stabilizzare una membrana rende più affidabile la compartimentazione, cioè la separazione fra un interno e un esterno; una compartimentazione più affidabile consente concentrazioni migliori dei reagenti; concentrazioni migliori rendono efficaci reazioni che prima erano rare; reazioni più efficaci permettono la sintesi di nuovi componenti; nuovi componenti possono aumentare ulteriormente la capacità di catturare energia, di trasferirla, di regolare il sistema, di copiare strutture informative, di riparare danni. La complessità cresce allora come una storia di vantaggi locali che, una volta trattenuti dal tempo, modificano il paesaggio delle possibilità future. Ogni gradino ne rende accessibili di ulteriori, e la biochimica si arricchisce non perché esista una direzione imposta dall’esterno, ma perché alcune innovazioni aprono davvero nuovi spazi di persistenza.

Conviene soffermarsi su questo punto, perché qui si vede con particolare chiarezza il fondamento della bellezza biochimica. Le molecole della vita colpiscono per la loro struttura, per la precisione delle interazioni che instaurano, per la loro apparente aderenza a funzioni altamente specifiche, e questa impressione può indurre a pensare a un ordine arrivato già compiuto. La realtà storica è molto più interessante, perché mostra una complessità cresciuta per accumulo di compatibilità, di stabilizzazioni, di cooperazioni locali, di riusi funzionali. Una stessa struttura, comparsa inizialmente in un certo contesto, può rivelarsi utile anche in altri; una molecola già adatta a trasferire energia può entrare in circuiti nuovi; una superficie molecolare capace di legare una certa sostanza può essere riutilizzata in una rete differente; una sequenza capace di copia può acquistare anche proprietà catalitiche, vale a dire la capacità di accelerare trasformazioni chimiche utili al sistema di cui fa parte. La biochimica della vita porta ovunque i segni di questo riuso creativo, nel quale forme già persistenti diventano mattoni di costruzioni ulteriori.

Anche l’adattamento, in questa cornice, riceve una definizione più pulita. Un adattamento è una configurazione che aumenta la persistenza di un tipo o di un sistema nel contesto dato, e può farlo in molti modi: migliorando la stabilità chimica, aumentando la velocità di una reazione essenziale, rafforzando la fedeltà di una copia quando la fedeltà è vantaggiosa, introducendo invece una maggiore variabilità quando le condizioni rendono utile l’esplorazione, consentendo l’uso di nuove fonti di energia, facilitando la collaborazione con altri componenti. Le grandi molecole biologiche, dalle proteine agli acidi nucleici, dai lipidi ai cofattori, possono essere lette proprio in questa chiave: forme che hanno conquistato un posto durevole perché inserite in sistemi in cui la loro presenza aumentava la continuità dell’insieme. Una proteina enzimatica, per esempio, possiede una forma tridimensionale molto precisa perché il suo effetto dipende dalla disposizione nello spazio di atomi e gruppi chimici che devono incontrare i reagenti nel modo giusto; quella forma, nel corso della storia, è stata trattenuta perché contribuiva in maniera efficace alla persistenza del sistema che la produceva.

La bellezza estrema delle molecole biologiche e delle loro combinazioni affonda dunque le radici in un meccanismo interamente materiale, che non ha bisogno di intenzioni, di programmi esterni o di forze selettive pensate come entità separate dal comportamento stesso della materia organizzata. Esiste uno spazio delle possibilità, aperto dalla chimica di un certo ambiente; esiste uno spazio della persistenza, che trattiene in modo differenziale alcuni tipi rispetto ad altri; esiste la riproduzione, che trasforma la continuità in aumento di frequenza; esiste l’imperfezione della riproduzione, che apre l’esplorazione del possibile; esistono combinazioni di molecole che, aumentando la persistenza reciproca, costruiscono organizzazioni sempre più capaci di mantenersi, di propagarsi, di modificarsi senza perdere continuità. Da questa sequenza di passaggi nasce l’intera storia della biochimica vivente.

Alla domanda iniziale si può allora rispondere così: il fondamento di quella bellezza sta nel fatto che il tempo, operando su una materia chimicamente feconda, ha conservato con particolare efficacia i tipi capaci di persistere meglio, e che alcuni di essi hanno acquisito la proprietà decisiva di rigenerarsi, di riprodursi e di combinarsi in sistemi nei quali ogni componente contribuiva, direttamente o indirettamente, alla durata degli altri. La complessità della biochimica nasce da questo concatenarsi di processi: dalla persistenza differenziale delle forme, dalla loro ricomparsa materiale, dall’aumento di frequenza reso possibile dalla riproduzione, dalla variazione introdotta dalle copie imperfette, e infine dalla formazione di reti nelle quali la persistenza di ciascun elemento viene sostenuta dalla persistenza dell’insieme.

Le molecole di cui parliamo in questa rubrica portano impressa questa storia immensa. Ciascuna, nella propria struttura, conserva una memoria materiale del processo che l’ha resa possibile: il passaggio da un universo di possibilità chimiche vastissimo a un ordine di forme capaci di persistere abbastanza a lungo da costruire, strato dopo strato, la vita.