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La teoria dell’origine delle specie attraverso la selezione naturale è una teoria scientifica, capace di previsioni che possono essere falsificate da osservazioni sperimentali, e dotata di un enorme potere esplicativo. La biologia moderna non sarebbe pensabile senza di essa. Se stessimo parlando della fisica, diremmo che quella della selezione naturale è una legge. Ma, in fondo, perché non lo facciamo? Perché non diciamo che Darwin ha formulato una legge fisica?

Potremmo essere tentati di rispondere che non lo facciamo perché l’evoluzione parla degli esseri viventi. La fisica, si sa, si occupa di "oggetti inanimati": palle da biliardo, galassie e atomi. La selezione naturale agisce su esseri viventi, quindi è per definizione estranea alla fisica. Problema risolto.
Questa, per usare un termine tecnico, è una stupidaggine. Ci sono numerosi esempi di leggi fisiche che si applicano in maniera fruttuosa agli esseri viventi. Le leggi della termodinamica, ad esempio. Uno degli scopritori del principio di conservazione dell’energia, Julius Robert von Mayer, elaborò le sue idee studiando i processi di ossidazione che avvengono negli esseri viventi e attraverso i quali gli animali ricavano energia dal cibo ingerito. I biologi contemporanei applicano le leggi della fisica non soltanto agli organismi e alle cellule, ma anche agli ecosistemi da una parte e ai componenti macromolecolari delle cellule dall’altra.

Per quanto riguarda gli ecosistemi, è decisivo ad esempio lo studio delle trasformazioni energetiche che avvengono da un livello all’altro di una catena alimentare. L’energia irraggiata dal Sole viene convertita soltanto in parte dalle piante, mentre una percentuale elevata si disperde nell’ambiente come calore. Una simile dispersione dell’energia avviene quando gli erbivori si cibano delle piante o quando i carnivori si cibano di erbivori. (L’illustrazione che apre questo post è la raffigurazione ottocentesca di una di queste catene alimentari in un lago svedese.) Questi risultati sono in perfetto accordo con il secondo principio della termodinamica. Quando una società come la nostra sceglie di usare i cereali non per alimentare direttamente gli uomini, ma per ingrassare del bestiame destinato poi all’alimentazione umana, sceglie allo stesso tempo di sprecare letteralmente il 90% dell’energia fornita dai cereali: in questa maniera assai poco efficiente i cerali che potrebbero sfamare dieci esseri umani bastano appena per uno soltanto di essi.

Per quanto riguarda la biofisica delle "macchine molecolari" presenti all’interno delle cellule, oggi siamo in grado di ricostruire e misurare le forze agenti ad esempio su strutture come i flagelli che alcuni batteri utilizzano per la locomozione. In effetti, le strategie che permettono a esseri abbastanza grandi come noi di muoverci in un mezzo come l’acqua — nuotare o remare, ad esempio — sono inutili per un organismo un milione di volte più piccolo, come un batterio. Ed è proprio dai motori biologici sviluppati nei batteri dall’evoluzione che gli studiosi di nanotecnologie traggono ispirazione per progettare macchine microscopiche che forse un giorno trasformeranno la medicina e l’ingegneria.
Nell’illustrazione possiamo notare come l’anatomia del flagello di un batterio gram-negativo possa essere rappresentata in mnaiera estremamente simile a quella di un dispositivo meccanico.

Un’altra spiegazione che potremmo avanzare per il fatto che la teoria della selezione naturale non sia considerata una teoria fisica è l’impossibilità di esprimerla con una legge matematica. Le leggi della fisica, dalla legge di gravitazione universale di Newton all’equazione di Schrödinger, hanno la forma di equazioni matematiche che legano fra loro le variabili che rappresentano le grandezze fisiche in esame. Nel caso dell’evoluzione darwiniana, la prima difficoltà in vista di una traduzione in termini matematici è proprio quella di individuare le variabili in gioco. Sarebbe ingenuo aspettarsi di poter scrivere un’equazione che permetta di calcolare la velocità della comparsa di nuove specie così come scriviamo l’equazione della velocità nel moto uniformemente accelerato. Il problema ha a che fare in parte con la difficoltà di definire il concetto stesso di "specie", che risulta talvolta inutilizzabile all’interno della stessa biologia. Ma c’è un aspetto più profondo, che è stato analizzato dal più grande biofisico italiano, Mario Ageno.

In Punti cardinali, un libro straordinario in cui egli espone le proprie riflessioni di scienziato su problemi come l’origine della vita sulla Terra o il significato delle teorie fisiche, Ageno illustra con grande chiarezza che cosa distingua le situazioni affrontate dalla fisica da quelle affrontate dalla biologia. La fisica ricerca leggi, relazioni matematiche che spiegano in che modo un sistema evolva da un certo stato iniziale a uno stato successivo: un oggetto cade da una certa altezza, un atomo assorbe un fotone e lo riemette, due galassie si scontrano fra loro. In tutte queste situazioni possono prodursi due casi fondamentali: o c’è un solo stato finale accessibile al sistema a partire dallo stato iniziale; oppure c’è un insieme di stati possibili, ciascuno caratterizzato da una certa probabilità. Abbiamo allora leggi fisiche deterministiche o probabilistiche.

Ma nell’evoluzione delle specie la situazione è profondamente diversa. Nessuno può elencare in anticipo le specie future alle quali potrebbe condurre l’evoluzione di una particolare specie, e non c’è assolutamente modo di associare neppure ad alcune fra esse una probabilità dotata di senso. Ogni organismo si trova al centro di un "paesaggio" evolutivo (in inglese Landscape) dove ad ogni punto corrisponde una certa condizione di vantaggio o svantaggio evolutivo. Il solo modo che l’organismo ha di conoscere tale paesaggio è esplorarlo, vivendo ed evolvendosi. E allo scienziato non è più possibile scrivere leggi e deve piuttosto — come fanno appunto i biologi evoluzionistici — ricostruire una storia. Si passa così dalla legalità della fisica alla storicità della biologia.

Un aspetto straordinario di questi concetti è che alcuni ricercatori contemporanei pensano che essi possano applicarsi alla stessa fisica dell’Universo. I fisici che si occupano di teoria delle stringhe, infatti, sanno che le ipotesi della teoria sono compatibili con un numero enorme di "universi possibili", ciascuno con le sue particolari leggi fisiche. Questa sconfinata collezione di universi, anche 10⁵⁰⁰ secondo i calcoli più accreditati, è stata battezzata da Leonard Susskind (uno dei padri della teoria delle stringhe) the Landascape, "il Paesaggio", con una analogia esplicita con la biologia evoluzionistica.
Possiamo pensare che l’universo si sia evoluto in un senso darwiniano? Questa tesi richiederebbe che esista non un universo, ma una popolazione di universi, sui quali operi una specie di selezione naturale. Ci sono cosmologi, come Lee Smolin, che hanno proposto proprio uno scenario di questo tipo. Magari ne parliamo un’altra volta…

Per approfondire:

Le catene alimentari in biologia

Un particolare motore biologico

Una pagina dedicata all’opera di Mario Ageno

Lo speciale di Radio3 Scienza dedicato a Mario Ageno e il relativo podcast

La pagina di Wikipedia dedicata a Leonard Susskind

Una esposizione della teoria di Lee Smolin degli universi fecondi

Non sono un esperto di terremoti. Il sisma che nella notte fra la domenica delle Palme e lunedì 6 aprile 2009 ha colpito il territorio de l’Aquila mi colpisce soprattutto come cittadino italiano. Sono convinto che il grado di civiltà di un paese si misuri in primo luogo dalla capacità di assicurare a ciascuno la solidarietà di tutti di fronte a disgrazie così gravi. Alle persone che hanno subito un lutto o che hanno perso quasi tutto, lo Stato dovrebbe promettere, anche a nome mio, che non verranno lasciate sole: e dovrebbe essere evidente a tutti che la promessa verrà mantenuta. Nell’opera di assistenza e soccorso dei volontari e delle organizzazioni che vediamo al lavoro nelle città colpite è impossibile contrapporre la spinta che viene dai sentimenti a quella che viene dalla ragione. Ecco perché credo che le emozioni civili che questo evento suscita anche in me non siano estranee al mio legame con la scienza.

Capita troppo spesso che la scienza sia vista come un’impresa fine a se stessa, o come un deposito inerte di conoscenze vere. Si dimentica, cioè, che la scienza è in primo luogo un’impresa umana, alimentata dalla passione per la verità ma allo stesso modo dal desiderio di lavorare insieme in vista dell’utilità comune. Nella scienza c’è il momento dell’apprendimento e della formazione, quello della ricerca di principi generali e quello dell’applicazione dei principi a problemi concreti. Nessuno scienziato, nessun tecnico e nessun insegnante può fare tutto da solo. È importante che ciascuno di essi possa svolgere il proprio lavoro con serenità e nel rispetto reciproco. Ed è importante che la società civile nel suo complesso apprezzi quel lavoro per ciò che rappresenta, ricordando che, se dalla scienza possono venire idee e metodi preziosi, le soluzioni vanno elaborate e costruite da tutti i cittadini insieme.

Queste considerazioni mi vengono suggerite in particolare dalla questione della “prevedibilità” dei terremoti, che in questi giorni è affrontata in modo spesso parziale e unilaterale. Di per sé essa è una questione scientifica. In che misura è possibile prevedere un evento sismico e con quale precisione? Quali principi e quali leggi possono aiutarci a risolvere questo problema? Quali sono i dati a nostra disposizione e quali attendibilità hanno? Queste sono domande scientifiche. Si può fare della splendida ricerca a partire da esse. La frequenza dei terremoti in funzione dell’energia liberata presenta una distribuzione matematica che ci dà degli indizi sul tipo di leggi che questi fenomeni possono seguire. La teoria del decadimento radioattivo, che è nata come indagine pura di fenomeni molto lontani dalle applicazioni pratiche, ci permette oggi di studiare il comportamento delle rocce sottoposte a stress sismico misurando le quantità di radon liberate dalla loro rottura. Sono risultati importanti, ed è indispensabile che i ricercatori che li ottengono li pubblichino nella maniera migliore e ne ricevano il giusto credito.

Ma nessun singolo risultato scientifico è di per sé la soluzione di un problema che riguarda la collettività civile. Se anche disponessimo di una tecnica attendibile per la previsione dei terremoti, questa non ci servirebbe a niente senza altre condizioni. Se i cittadini non sono addestrati ad affrontare le situazioni critiche, se la rete dei trasporti è inadeguata, se il tessuto produttivo è fragile, l’evacuazione di decine o centinaia di migliaia di persone può comportare costi umani e vittime in misura paragonabile al terremoto stesso. La stessa lucidità, pazienza, precisione che pretendiamo da noi stessi come scienziati dobbiamo metterle al lavoro sul problema nel suo complesso. O finiamo per chiedere alla scienza soluzioni “magiche” che essa non può darci, e magari per perdere di conseguenza la fiducia che pure dobbiamo avere in essa.

Ci sono già oggi cose che sappiamo bene. Sappiamo che l’Italia è territorio a rischio sismico. Sappiamo che i danni di un terremoto sono causati dal crollo di edifici costruiti in maniera inadeguata. Sappiamo come costruirli bene, in maniera che restino in piedi anche nel caso di scosse più violente di quella della notte del 6 aprile, scosse che si verificheranno con certezza nel prossimo futuro. Comportiamoci di conseguenza. Come i vigili del fuoco che salvano in queste ore i sopravvissuti, mettiamo al lavoro il cervello e il cuore allo stesso tempo.

I minatori lo hanno sempre saputo. A grandi profondità la temperatura ambiente è maggiore della temperatura media alla superficie. Qualche numero può essere interessante: il gradiente geotermico, cioè il tasso di aumento della temperatura con la profondità, è in media dell’ordine di 20 kelvin al kilometro. L’interno della Terra è caldo, molto più caldo della crosta terrestre, dell’atmosfera e dello spazio circostante. Così la Terra, come un sasso scaldatosi al sole, irraggia calore: e lo fa nella misura di un decimo di watt per metro quadrato. Ma perché lo fa?

La Terra è nata dallo scontro e dalla fusione di piccoli corpi solidi orbitanti intorno al Sole circa 4,5 miliardi di anni fa. (Questa per molto tempo è stata una ipotesi teorica. Oggi possiamo vedere un fenomeno simile in altri sistemi solari, come nell’immagine del telescopio orbitante Hubble qui a fianco, che mostra una zona di formazione planetaria a 450 anni-luce da noi, nella costellazione del Toro.) Nell’urto l’energia cinetica dei frammenti si è trasformata in energia termica, facendoli fondere. Proprio perché la Terra si è formata allo stato fuso, la forza di gravità di ogni parte su ogni altra ha potuto plasmarla nella forma di una sfera. Ma c’è dell’altro. Nella massa allo stato fuso della Terra primordiale, gli elementi chimici più densi sono sprofondati all’interno e quelli meno densi sono stati spinti alla superficie. È per questo che la densità della crosta terrestre è di circa 3000 kg/m³, mentre la densità della Terra nel suo complesso è di 5500 kg/m³.

Dopo la formazione della Terra, gli strati più esterni, a contatto con lo spazio esterno freddo, si sono solidificati rapidamente formando la crosta terrestre. Da allora l’energia termica dell’interno ha continuato a fluire verso l’esterno, obbedendo a una delle leggi fondamentali della Natura, il secondo principio della termodinamica: il calore si tramette necessariamente dai corpi più caldi a quelli più freddi.
Come abbiamo visto nell’ultimo post, proprio uno degli scopritori del secondo principio, Lord Kelvin, calcolò nell’Ottocento l’età della Terra in base all’ipotesi che il calore raggiante che osserviamo oggi sia semplicemente quanto resta dell’immensa energia termica della Terra primordiale. Ottenne un valore fra i 100 e i 20 milioni di anni, in clamoroso contrasto con le ipotesi dei geologi del tempo, che parlavano di parecchi miliardi di anni. E gettando nello sconforto Darwin, che era convinto che l’evoluzione biologica richiedesse tempi molto lunghi.

Darwin aveva ragione, ma Kelvin non aveva del tutto torto. Se l’origine del calore geotermico fosse l’energia termica della Terra primordiale, allora la Terra dovrebbe essere relativamente giovane. La deduzione è corretta, ma l’ipotesi non lo è. Kelvin aveva escluso fenomeni nuovi, che riteneva improbabili. Questo è sempre un passo azzardato, da parte di uno scienziato.
Trenta anni dopo la pubblicazione dell’articoletto stroncatorio di Lord Kelvin, nel 1896, Henri Becquerel scoprì in effetti un fenomeno del tutto imprevisto. Ci sono sostanze che liberano spontaneamente grandi quantità di energia: sono le sostanze radioattive. Nessuno aveva mai visto niente di simile, perciò dobbiamo scusare in parte lo scetticismo di Kelvin. Il comportamento dei minerali radioattivi era sconcertante. Uno dei pionieri dello studio di queste sostanze, Pierre Curie, dichiarò che non gli sarebbe piaciuto affatto trovarsi nella stessa stanza con un kilogrammo di radio, il cui effetto sarebbe stato probabilmente di bruciare la pelle dal corpo e ardergli i bulbi oculari…
Fra le conseguenze di queste scoperte c’era evidentemente anche la confutazione della confutazione di Kelvin. Quest’ultimo aveva negato alla geologia e a Darwin i miliardi di anni di cui aveva bisogno la Natura per produrre gli effetti osservati, affermando che non esisteva un meccanismo per giustificare che la Terra emettesse tanto calore per così tanto tempo. Ora il meccanismo esisteva. Esistevano minerali pesanti che emettevano l’energia necessaria. E, in quanto pesanti, dovevano essere sprofondati all’interno della Terra durante la sua fase fluida. A quanto pare, il cuore della Terra è radioattivo, come in un album dei Pink Floyd.

A quaranta anni dall’inizio della controversia, nel 1904, il giovane fisico neozelandese Ernest Rutherford aveva ormai scoperto le leggi dei fenomeni radioattivi e formulato un meccanismo per spiegare le immense quantità di energia liberate. La Royal Institution britannica lo invitò a tenere una conferenza sui suoi risultati. Immaginate l’imbarazzo di Rutherford quando, presentandosi davanti alla platea, vide in prima fila proprio l’anziano Kelvin!
Nel documentario qui di seguito si parte proprio dalla ricostruzione di questo famoso episodio.

Ci sono diversi aspetti istruttivi in questa storia. Uno di questi è la conferma, se ce ne fosse bisogno, del carattere scientifico della teoria di Darwin, cioè del suo potere predittivo e della sua falsificabilità. Se le specie non sono sempre esistite quali noi le vediamo oggi e se la loro evoluzione è avvenuta grazie al meccanismo spontaneo illustrato da Darwin, allora la vita esiste sulla Terra da un tempo molto grande. Darwin era consapevole di questo. Se la sua teoria era giusta, l’ipotesi di Lyell del tempo geologico profondo era necessariamente vera. E se tale ipotesi era confutata, anche la teoria dell’evoluzione lo era. Darwin stesso invitava i lettori della Origine a chiudere senz’altro il libro, se non erano disposti ad accettare l’ipotesi di un tempo "incomprensibilmente vasto" nel passato degli organismi biologici e del nostro pianeta.
Una teoria scientifica non è una "teoria" nel senso volgare del termine. Non è un insieme incoerente di ipotesi indifferente ai fatti. Deve predire dei fenomeni sorprendenti e deve accettare il rischio di fallire, se tali fenomeni non sono osservati. Darwin accettò il rischio della scienza e ne uscì vittorioso.

Un altro aspetto interessante è il legame profondo fra la teoria di Darwin dell’evoluzione e la teoria di Rutherford del decadimento radioattivo. In entrambi casi ci troviamo di fronte a una teoria basata sul cambiamento spontaneo. Nella teoria dell’evoluzione il meccanismo di fondo è l’insorgere di nuove cartteristiche all’interno di una popolazione naturale. Un batterio "nasce" con la capacità di resistere a un antibiotico, e i suoi discendenti si moltiplicano dando luogo a una nuova specie batterica resistente. Nella teoria di Rutherford, un atomo di radio si trasforma spontaneamente in un atomo di radon, liberando una particella alfa dotata di un’energia di 5,8 milioni di elettronvolt. In un caso come nell’altro, l’idea di cambiamento introduce il concetto di storia nella scienza. Introduce il divenire. Ora sappiamo che la vita ha avuto una storia. Ma anche che l’Universo stesso ne ha avuta una. Anche l’Universo si è evoluto.

Si tratta, anche in questo caso, di un’evoluzione darwiniana? Vale la pena di tornarci sopra…

Per saperne di più:

Wikipedia sull’età della Terra