Articolo

Enrico Bucci

Non c’è nulla di magico nelle proprietà emergenti

Il termine “proprietà emergenti” compare nel dibattito filosofico tra la fine dell’Ottocento e l’inizio del Novecento per descrivere un fenomeno osservabile: quando la materia si organizza in sistemi complessi, il sistema complessivo manifesta caratteristiche che non si trovano nelle parti considerate isolatamente. George Henry Lewes e, in seguito, C. Lloyd Morgan utilizzarono questa espressione per indicare che nuovi livelli di organizzazione producono proprietà nuove, pur restando valide le leggi fondamentali della natura. Nel corso del Novecento il concetto viene precisato nella fisica statistica, nella chimica e nella biologia dei sistemi. In ambiti extra-scientifici la stessa espressione è stata talvolta caricata di significati che evocano l’apparizione di qualcosa di estraneo alla materia; nella tradizione scientifica, invece, le proprietà emergenti riguardano esclusivamente il modo in cui la materia si organizza.

La distinzione essenziale è tra proprietà aggregative e proprietà emergenti. Una proprietà aggregativa si ottiene combinando direttamente le proprietà delle parti considerate indipendenti. Se si costruisce un muro con cento mattoni, il peso del muro è la somma dei pesi dei singoli mattoni. In questo caso l’operazione matematica dell’addizione descrive correttamente il risultato.

La stabilità del muro è di natura diversa. Non si ottiene sommando una “stabilità” posseduta da ciascun mattone. Dipende dalla disposizione dei mattoni, dal modo in cui sono incastrati, dal tipo di malta che li unisce, dalla geometria complessiva della struttura. Gli stessi mattoni, ammucchiati senza ordine, non producono un muro stabile. La stabilità nasce dall’organizzazione e dalle relazioni tra i componenti.

Le proprietà emergenti sono di questo secondo tipo. Non si ricavano applicando una formula aritmetica alle proprietà delle singole parti prese separatamente. Dipendono dalle interazioni, dai vincoli reciproci, dalle correlazioni che si instaurano quando molte parti agiscono insieme. La conoscenza delle caratteristiche di ciascun componente isolato non è sufficiente per prevedere il comportamento collettivo se manca la descrizione delle interazioni.

Un esempio chiaro è la liquidità dell’acqua. Una singola molecola d’acqua è composta da un atomo di ossigeno legato a due atomi di idrogeno con una geometria definita. La molecola è polare e può formare legami idrogeno con altre molecole. Tuttavia, parlare di “liquido” ha senso solo quando un numero enorme di molecole interagisce. La capacità di scorrere, la viscosità, la tensione superficiale che conferisce a una goccia la sua forma sono proprietà dell’insieme. Derivano dal comportamento cooperativo di moltissime molecole che si legano e si separano continuamente.

Alla scala più fondamentale, la materia ordinaria è costituita da protoni e neutroni, a loro volta composti da quark legati tramite gluoni secondo le leggi della cromodinamica quantistica. Le equazioni fondamentali descrivono l’interazione tra questi campi. In condizioni ordinarie non si osservano quark isolati, ma stati legati stabili come protoni e neutroni. L’esistenza stessa di queste particelle composte è una proprietà collettiva del regime dinamico dei campi. Il protone è uno stato quantistico legato la cui struttura dipende dall’interazione continua tra i suoi costituenti.

Protoni e neutroni si combinano formando nuclei atomici. Le proprietà del nucleo – energia di legame, stabilità, possibilità di decadimento radioattivo – non si deducono combinando semplicemente le proprietà dei nucleoni isolati. Dipendono dalla configurazione complessiva del sistema e dalle interazioni tra le sue parti.

Quando si passa all’atomo, il quadro resta coerente. Un atomo è un sistema quantistico formato da un nucleo e da elettroni descritti da stati quantizzati, cioè da funzioni d’onda che rappresentano distribuzioni di probabilità nello spazio. Le proprietà chimiche di un elemento – la sua reattività, la capacità di formare legami – dipendono dalla struttura complessiva di questi stati elettronici. La valenza è una proprietà dell’intero sistema atomico, non di un singolo elettrone.

Dagli atomi emergono le molecole. Una molecola possiede caratteristiche che non sono la semplice combinazione lineare delle proprietà degli atomi isolati. Il sodio metallico è un solido reattivo; il cloro è un gas tossico; quando reagiscono formano il cloruro di sodio, un solido cristallino stabile con proprietà differenti che troviamo sotto forma di sale da cucina nei nostri piatti. Il nuovo composto si comprende considerando la struttura del legame ionico e l’organizzazione del reticolo cristallino.

Quando si considerano quantità enormi di molecole, emergono proprietà macroscopiche come temperatura e pressione. Una singola molecola possiede una certa velocità e una certa energia cinetica. La temperatura è una misura statistica dell’energia cinetica media di un insieme vastissimo di molecole. È una grandezza definita a livello collettivo.

Il principio si estende alla chimica dei sistemi viventi in modo ancora più evidente, perché qui l’organizzazione non produce soltanto nuove proprietà fisiche, ma nuove funzioni.

Consideriamo ad esempio le proteine.

Una proteina è una macromolecola formata da una sequenza lineare di amminoacidi. Gli amminoacidi sono piccole molecole organiche che possiedono un gruppo amminico, un gruppo carbossilico e una catena laterale variabile. Le venti tipologie principali di amminoacidi utilizzate negli organismi differiscono proprio per questa catena laterale, che può essere carica positivamente o negativamente, polare, apolare, ingombrante, flessibile, capace di formare legami particolari.

Quando gli amminoacidi si uniscono tramite legami peptidici, formano una catena. Questa catena, considerata in modo puramente lineare, è soltanto una sequenza chimica. Le proprietà chimiche dei singoli amminoacidi sono note: solubilità, carica elettrica, capacità di formare legami idrogeno, dimensione. Tuttavia, la funzione di una proteina non coincide con la somma di queste proprietà elementari.

In ambiente acquoso, la catena non rimane distesa. Le interazioni tra le catene laterali degli amminoacidi, insieme alle interazioni con l’acqua, inducono la catena a ripiegarsi spontaneamente in una struttura tridimensionale specifica. Questo ripiegamento è guidato da princìpi fisici generali: minimizzazione dell’energia libera, distribuzione delle regioni idrofobiche verso l’interno, formazione di legami idrogeno stabili, equilibrio tra attrazioni e repulsioni elettrostatiche.

Il risultato è una conformazione tridimensionale stabile, detta struttura nativa. In questa struttura, amminoacidi che nella sequenza lineare sono lontani possono trovarsi vicini nello spazio. Si formano cavità, superfici, tasche, canali. L’intera molecola assume una geometria precisa.

La funzione della proteina dipende da questa geometria. Un enzima, cioè una proteina che catalizza una reazione chimica, possiede un sito attivo: una regione della struttura tridimensionale in cui alcuni amminoacidi sono disposti in modo tale da legare una molecola specifica, chiamata substrato. La disposizione spaziale di questi residui crea un ambiente chimico particolare: cariche distribuite in modo mirato, capacità di stabilizzare uno stato intermedio della reazione, possibilità di orientare il substrato con precisione.

La catalisi enzimatica consiste nell’abbassare l’energia di attivazione di una reazione chimica. Questo abbassamento non deriva da una proprietà di un singolo amminoacido isolato, ma dalla cooperazione di molti residui disposti nello spazio con precisione angolare e distanze definite. È la struttura complessiva che crea le condizioni per accelerare la trasformazione chimica.

Si può comprendere la differenza tornando all’analogia del muro. Gli amminoacidi sono come mattoni con caratteristiche diverse: alcuni più idrofobici, altri carichi, altri flessibili. La sequenza lineare è l’elenco dei mattoni disponibili. La funzione emerge solo quando quei mattoni sono disposti in una configurazione tridimensionale specifica. Se la disposizione cambia, la funzione può scomparire completamente.

Un aspetto ancora più istruttivo è la sensibilità alle mutazioni. Una mutazione genetica che modifica un singolo amminoacido può alterare la funzione della proteina. Talvolta l’effetto è minimo; altre volte una sostituzione apparentemente modesta destabilizza l’intera struttura o altera il sito attivo. Questo mostra che la funzione non è distribuita in modo uniforme e indipendente lungo la catena, ma dipende dall’architettura globale e dalle interazioni interne.

Inoltre, molte proteine non sono strutture rigide. Oscillano, cambiano leggermente forma, passano tra conformazioni diverse. La funzione stessa può dipendere da questa dinamica. Anche la flessibilità è una proprietà emergente della rete di interazioni interne.

Ogni amminoacido possiede dunque proprietà chimiche definite, ma la capacità di una proteina di riconoscere una molecola, di catalizzare una reazione, di trasmettere un segnale o di formare una struttura cellulare non è deducibile sommando le proprietà dei singoli componenti considerati isolatamente. Dipende dalla configurazione tridimensionale e dalla cooperazione di molte parti che interagiscono.

La funzione biologica della proteina è dunque una proprietà emergente dell’insieme strutturato: nasce dall’organizzazione spaziale e dinamica della molecola intera, non dalla semplice presenza dei suoi costituenti.

In ciascuno di questi esempi il punto è identico: le proprietà emergenti della cellula non si ottengono sommando le proprietà delle singole macromolecole o dei singoli organelli. Dipendono dall’architettura complessiva del sistema, dalle interazioni reciproche e dalla regolazione dinamica che trasforma un insieme di reazioni chimiche in un’unità capace di mantenere la propria identità nel tempo.

Nel sistema cellulare le proprietà emergenti diventano particolarmente evidenti perché non riguardano una singola reazione o una singola struttura, ma il comportamento coordinato dell’intero insieme.

Una proteina catalizza una reazione; un complesso proteico svolge un compito definito; un organello concentra una funzione specifica in uno spazio delimitato. Fin qui si tratta ancora di funzioni locali, anche se complesse. La proprietà emergente della cellula compare quando queste funzioni vengono integrate in un sistema unico, regolato e delimitato.

Si può osservare questo fatto partendo da un esempio concreto. In una cellula avvengono migliaia di reazioni chimiche. Ogni reazione è catalizzata da un enzima specifico. Se si isolano questi enzimi, ciascuno svolge la propria trasformazione. Tuttavia, nella cellula reale, le reazioni non sono indipendenti: il prodotto di una diventa il substrato di un’altra, e la velocità di una influenza la velocità delle altre. Si forma così una rete interconnessa.

Quando questa rete è racchiusa entro una membrana e continuamente regolata da segnali interni, compare un comportamento nuovo: il sistema nel suo insieme tende a mantenere alcune condizioni interne relativamente stabili anche quando l’ambiente esterno varia. Nessuna singola proteina possiede questa capacità. Essa emerge dall’interazione coordinata tra membrane, trasportatori, enzimi e meccanismi di regolazione.

Lo stesso vale per la produzione di energia. Nel mitocondrio molte proteine organizzate nella membrana interna cooperano per trasferire elettroni lungo una catena ordinata. Questo trasferimento consente di accumulare protoni su un lato della membrana, creando una differenza di concentrazione. Tale differenza rappresenta energia potenziale utilizzabile. La sintesi di ATP avviene perché un’altra grande proteina sfrutta quel gradiente. Il gradiente stesso non appartiene a nessuna proteina isolata: è una proprietà dell’intero sistema organizzato.

Anche la capacità di dividersi mostra lo stesso principio. La duplicazione del DNA, la distribuzione ordinata dei cromosomi, la riorganizzazione del citoscheletro e la formazione di una nuova membrana devono avvenire in modo coordinato. Se uno solo di questi processi procede senza gli altri, la divisione fallisce. La riproduzione cellulare è quindi una proprietà dell’insieme integrato, non di una singola componente.

Quando si passa da una singola cellula a molte cellule organizzate, il principio rimane identico ma il livello cambia.

Un tessuto è un insieme di cellule che cooperano. Una cellula muscolare può contrarsi; molte cellule muscolari organizzate in un tessuto generano una forza coordinata capace di muovere un arto. La contrazione come fenomeno elementare esiste nella singola cellula, ma la forza meccanica macroscopica, direzionata e modulabile, emerge dall’allineamento strutturale e dalla sincronizzazione di migliaia o milioni di cellule.

Nel tessuto nervoso il salto è ancora più evidente. Un neurone può generare un impulso elettrico. Tuttavia, la capacità di elaborare informazioni, di integrare segnali provenienti da molte fonti e di produrre risposte coerenti nasce solo quando reti di neuroni sono connesse tra loro secondo schemi specifici. La proprietà emergente non è il singolo impulso, ma il comportamento della rete.

Quando più tessuti si integrano strutturalmente e funzionalmente, si forma un organo. Il cuore, ad esempio, è costituito da tessuto muscolare, tessuto connettivo, tessuto nervoso e cellule specializzate nella conduzione elettrica. Nessuno di questi elementi, isolato, pompa sangue. La capacità di generare un ritmo autonomo e di coordinare contrazione e rilassamento in modo ciclico è una proprietà dell’organo nel suo insieme.

Infine, l’organismo vivente integra più organi in un sistema coordinato. La regolazione della temperatura corporea, per esempio, coinvolge sistema nervoso, apparato circolatorio, muscoli, ghiandole sudoripare e metabolismo cellulare. Nessun organo isolato possiede la capacità di mantenere costante la temperatura interna. Questa stabilità è una proprietà emergente dell’intero organismo.

Infine, nelle popolazioni di organismi che si riproducono con variazioni ereditarie, compaiono proprietà emergenti di natura storica ed evolutiva. Alcune varianti hanno maggiore probabilità di sopravvivere e riprodursi in un determinato ambiente. Nel tempo, queste caratteristiche diventano più frequenti. La funzione biologica di un tratto è il risultato di questa dinamica collettiva e temporale.

All’aumentare della scala – cellula, tessuto, organo, organismo, popolazioni – non compaiono nuove leggi fisiche. Compiono nuove proprietà emergenti, cioè nuovi comportamenti stabili che dipendono dall’organizzazione delle parti e dalle loro interazioni. 

Qui si gioca la distinzione tra l’olismo scientifico e l’uso pseudoscientifico del termine. Nell’olismo scientifico, dire che una proprietà è emergente significa formulare un’affermazione precisa: la proprietà appartiene al sistema nel suo insieme, nasce da interazioni materiali identificabili tra componenti, ed è descrivibile tramite grandezze misurabili proprie di quel livello.

Una proprietà emergente, in senso scientifico, soddisfa almeno tre condizioni. Appartiene al tutto e non alle parti isolate; dipende in modo determinato dalla struttura delle interazioni; è compatibile con le leggi fondamentali sottostanti e può essere studiata quantitativamente. Se si modifica l’organizzazione del sistema, la proprietà cambia o scompare. Se si altera la rete di interazioni, il comportamento collettivo viene perturbato. Questo legame strutturale è essenziale.

Quando si descrive, ad esempio, la regolazione della pressione sanguigna o l’attività elettrica coordinata di una rete neuronale, non si invoca una qualità globale indeterminata. Si individuano cellule, canali ionici, fibre nervose, circuiti di feedback, parametri fisici misurabili. La proprietà emergente è un comportamento del sistema, ma rimane ancorata a meccanismi concreti. È nuova rispetto al livello inferiore, ma non è indipendente da esso.

L’olismo pseudoscientifico utilizza la stessa parola in modo diverso. Qui “emergente” diventa sinonimo di irriducibile in senso forte: una qualità globale che non viene collegata a interazioni materiali specifiche e che non è definita tramite grandezze misurabili. Si parla di equilibrio olistico, di energia del sistema, di informazione diffusa nel corpo, senza specificare quali strutture fisiche la sostengano, quali parametri la quantifichino, quali trasformazioni la modifichino. La complessità del sistema viene invocata per sottrarlo all’analisi, non per approfondirla.

L’accusa di riduzionismo nasce spesso da questo equivoco. La scienza non sostiene che il tutto sia semplicemente la somma delle parti. Riconosce esplicitamente l’esistenza di proprietà emergenti a ogni livello di organizzazione. Tuttavia, sostiene anche che queste proprietà sono radicate nella struttura materiale del sistema e investigabili con metodi rigorosi. Il riduzionismo ingenuo afferma che solo il livello più basso conta; l’olismo scientifico afferma che ogni livello conta, purché sia collegato ai livelli sottostanti tramite meccanismi coerenti.

La differenza non è retorica, ma metodologica. Nella scienza, chiamare qualcosa “proprietà emergente” apre un programma di ricerca: identificare le interazioni rilevanti, definire le variabili appropriate, costruire modelli verificabili. Nell’uso pseudoscientifico, la stessa espressione spesso chiude la discussione: la proprietà viene dichiarata globale e sottratta a un’analisi strutturale.

In questo senso, le proprietà emergenti non sono un’alternativa al metodo scientifico, ma una sua estensione ai sistemi complessi. Indicano che l’organizzazione produce novità descrittive, non che la materia venga superata da princìpi indefiniti.

Se si osserva il percorso nel suo insieme – dalle particelle elementari fino agli organismi, alle popolazioni biologiche e alla loro evoluzione, e volendo ancora più su – ciò che colpisce non è l’apparizione di nuove leggi, ma il mutare delle domande rilevanti. Alla scala dei quark contano le simmetrie dei campi e le interazioni fondamentali; alla scala degli atomi contano gli stati quantizzati; alla scala delle molecole contano le geometrie e i legami; alla scala della cellula contano reti, gradienti, regolazioni; alla scala dell’organismo contano coordinazione, integrazione, adattamento; e così via continuando a salire.

La vertigine nasce da questo spostamento continuo di prospettiva. Non cambia la materia di cui il mondo è fatto; cambia la struttura in cui quella materia è organizzata, la rete sempre più complessa di azioni e interazioni che ne lega i costituenti, e con essa cambiano le proprietà che diventano significative. A ogni livello emergono regolarità nuove perché nuove sono le configurazioni possibili, nuovi i vincoli, nuove le correlazioni tra componenti.

Le proprietà emergenti non si creano dal nulla. Non sono aggiunte misteriose. Sono possibilità già implicite nelle leggi fondamentali, che diventano attuali quando la complessità organizzativa raggiunge una certa soglia. La scala non aggiunge sostanza, aggiunge struttura; non introduce forze ignote, introduce configurazioni nuove.

E questa vertigine che crea il riconoscimento di configurazioni e possibilità nuove ad ogni livello, noi la chiamiamo proprietà emergente, e corrisponde a nuovi formalismi per descrivere ciò che vediamo, nuovi linguaggi, nuova matematica e nuovi modelli; l’olismo è solo il rovescio della medaglia del riduzionismo, e in scienza possiamo andare avanti e indietro fra i livelli e le scale, senza nessuna “emersione” magica dal nulla.