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Replicare la complessità: il gioco dell’informazione nella riproduzione della vita

La capacità di auto replicazione è spesso considerata come l’aspetto più caratterizzante della materia vivente. Perché un sistema chimico sia capace di auto replicarsi, come abbiamo già visto, deve essere in grado di svolgere una funzione che in chimica è nota come autocatalisi: si tratta della capacità di una certa molecola di riprodursi a partire dai propri componenti utilizzando sé stessa come modello della propria copia.

Nel realizzare questo processo di autocatalisi deve esserci una qualche forma di trasferimento di informazione dalla molecola modello alla molecola figlia, che frequentemente si realizza attraverso interazioni fisico-chimiche reversibili che orientano il processo di copiatura. Questo processo è tipico delle molecole biologiche, ma non è esclusivamente limitato ad esse: sono state sintetizzate alcune molecole artificiali capaci di manifestare comportamenti di auto replicazione, e la ricerca di nuovi sistemi chimici capaci auto replicarsi è in continua espansione.

Un caso molto citato è descritto in un articolo pubblicato sulla rivista «Science» nel 2010, in cui un gruppo di scienziati ha preparato due sistemi artificiali capaci di auto organizzazione e auto replicazione1Jacqui M. A. Carnall, Christopher A. Waudby, Ana M. Belenguer, Marc C. A. Stuart, Jérôme J.-P. Peyralans, Sijbren Otto, Mechanosensitive Self-Replication Driven by Self-Organization, 2010, «Science», Vol. 327, p. 1502..

Questi particolari sistemi chimici sono capaci di dirigere autonomamente la propria sintesi a partire dai ‘mattoncini’ molecolari che li costituiscono, formando delle strutture fibrose di dimensioni nanometriche visibili al microscopio elettronico. Ma, oltre alla capacità di riprodursi spontaneamente, queste strutture auto replicanti manifestano anche un’altra caratteristica affascinante: poiché entrambe sono costituite dai medesimi mattoncini, se confinate nello stesso ambiente – in questo caso, la stessa provetta – le due strutture possono entrare in competizione, in modo simile a due specie animali che entrano in competizione per la stessa fonte di cibo.

I ricercatori hanno dimostrato che, in questo gioco evolutivo in provetta, la specie chimica che riesce ad affermarsi sull’altra non è sempre la stessa: a seconda del modo in cui la soluzione nella provetta viene agitata predominano l’una o l’altra struttura, evidenziando come le ‘pressioni selettive’ provenienti dall’ambiente esterno possono influenzare l’evoluzione del sistema in modo simile a quello che avviene negli organismi viventi.

Tra le funzioni degli organismi viventi, l’auto replicazione è stata per molto tempo la più elusiva e più difficile da riprodurre tecnologicamente. È anche spesso considerata come la caratteristica più importante della vita, perché è alla base del meccanismo dell’evoluzione: solo mediante l’auto replicazione è possibile trasferire l’informazione genetica da una generazione all’altra e, contestualmente, fare in modo che diversi individui entrino in competizione reciproca per affermarsi sugli altri.

Questa potenzialità evolutiva, come dimostrato dall’esperimento appena descritto, non può più considerarsi come un’esclusiva proprietà degli organismi viventi, ma si può realizzare anche in sistemi molecolari relativamente semplici; un fatto che ha portato molti scienziati a ipotizzare che la vita si sia originata proprio a partire da un analogo meccanismo di auto replicazione molecolare.

La centralità riservata ai processi di auto replicazione nella definizione della vita ha però anche un altro risvolto: tralasciando i numerosissimi processi cooperativi che sono essenziali nei sistemi viventi, processi in cui collettività di molecole e di individui si organizzano per realizzare funzioni complesse, la vita viene spesso ridotta a un meccanismo quasi disincarnato di trasmissione di informazione.

La riduzione del fenomeno della vita all’informazione genetica forse è rassicurante perché è un concetto in qualche modo familiare: richiama l’idea di una ‘parola’ ordinatrice, astratta e di natura quasi metafisica, che ci permette di linearizzare le reti complesse dei fenomeni naturali riducendole a una sorta di manuale di istruzioni in cui, ci immaginiamo, è possibile leggere a chiare lettere il nostro destino.

 

Questo essenzialismo riservato all’informazione genetica priva la vita della sua complessità, riducendola alla mitologia ben nota del “gene egoista”2La teoria del “gene egoista” fu formulata dal biologo Richard Dawkins nell’omonimo saggio del 1976. Secondo questa posizione, gli organismi viventi sono interpretati come semplici ‘vettori’ dell’informazione genetica; la vita nel suo complesso sarebbe quindi un fenomeno collaterale, funzionale al processo di auto replicazione dei geni. (Richard Dawkins, Il gene egoista. La parte immortale di ogni essere vivente, Mondadori, Milano, 2017)., e ci rende ciechi all’importanza dei processi di auto organizzazione dal basso che sono alla base di tutti i sistemi complessi.

La prima occasione in cui un meccanismo di auto replicazione molecolare fu osservato in provetta risale al 1967, quando Sol Spiegelmann, insieme ai suoi collaboratori, isolò l’RNA del virus batteriofago Qβ e il corrispondente enzima che ne permetteva la replicazione3D. R. Mills, R. L. Peterson e S. Spiegelmann, An extracellular Darwinian experiment with a self-duplicating nucleic acid molecule, 1967, «Proceedings of the National Academy of Sciences», Vol. 58, p. 217.. Spiegelmann preparò una soluzione contenente una certa quantità di RNA virale e di enzima, oltre al nutrimento chimico utilizzato dall’RNA per replicarsi.

Come ogni molecola auto replicante, l’RNA si riproduce utilizzando una molecola di RNA già formata come modello: in questo modo, se una certa molecola viene modificata da una mutazione spontanea derivante da un errore di copiatura, questa mutazione può essere trasferita alle ‘generazioni’ successive. Dopo ogni ciclo di replicazione, una parte della soluzione di RNA ed enzima veniva trasferita in una nuova soluzione nutritiva per procedere a una nuova replicazione.

L’obiettivo dell’esperimento era quello di isolare il processo di auto replicazione da tutti gli altri processi che caratterizzano il ‘ciclo vitale’ del virus: “Cosa succederà alle molecole di RNA se l’unica richiesta che gli viene fatta è quella dell’ingiunzione biblica, moltiplicatevi, con la clausola che lo facciano il più rapidamente possibile?”4Ivi.

Al termine del 74esimo ciclo di replicazione, un’analisi chimica delle molecole ottenute rivelò che l’RNA di partenza era degenerato in una molecola molto più semplice, distruggendo l’83% dell’informazione che conteneva inizialmente e perdendo completamente la propria funzione originaria, cioè diventando del tutto incapace di dirigere la produzione di particelle virali.

L’esperimento dimostrava che un sistema biologico ridotto ai suoi semplici processi di replicazione non poteva rendere conto della complessità degli organismi viventi, poiché la semplice auto replicazione dell’informazione premiava la velocità di copiatura sulla complessità; questo metteva anche in discussione la possibilità che la vita fosse emersa a partire da un semplice ‘brodo’ di replicatori molecolari, mostrando l’importanza di altri processi fisico-chimici cooperativi nella nascita della vita. La molecola di RNA ‘difettosa’ ottenuta da questo processo di replicazione in provetta fu poi ribattezzata “mostro di Spiegelmann”, ricalcando il nome della creatura di Victor Frankenstein.

In effetti entrambe le storie, pur nella loro diversità, sembrano cautelarci dallo stesso errore. Come il mostro di Spiegelmann anche il mostro di Frankenstein, nel racconto di Mary Shelley, deve la sua mostruosità soprattutto al suo isolamento da quel tessuto relazionale che permette alla vita di realizzarsi pienamente, e che ne costituisce il significato più autentico e profondo.